本技术公开了一种基于神经辐射场3D打印的类脊髓组织及其制备方法和应用。类脊髓组织的制备方法包括如下步骤:S1:利用神经辐射场构建脊髓组织的三维模型;S2:基于S1所述的三维模型进行实体的3D打印,得到微孔结构支架;S3:在S2所述的微孔结构支架中植入种子细胞和生物活性因子,得到所述类脊髓组织。本申请通过NeRF生成不同性别、体重的大鼠脊髓模型,构建脊髓模型数据库,联合NeRF和3D打印技术,可以根据患者的具体SCI情况,生成个性化的脊髓三维模型,提高SCI的治疗效果。
背景技术
脊髓损伤(SCI)是一种极具致残性和破坏性的中枢神经系统损伤,会破坏身体其他部位和大脑之间的神经接触,导致不同程度的感觉和运动障碍,严重阻碍患者的日常生活。据统计,全球每年有250000~500000人发生SCI,创伤性SCI的患者平均治疗成本超50万美元,给患者家庭和社会带来了巨大的经济负担。SCI部位神经元大量死亡,神经营养因子缺乏,以及抑制性分子、自由基、兴奋性毒素及炎症介质充斥于微环境,导致损伤处神经再生受限,使修复SCI成为神经科学领域最具挑战性的医学问题之一。SCI破坏了高级中枢和脊髓之间的结构和功能连接,分为原发性损伤和继发性损伤,一般表现为损伤平面以下的肢体感觉、运动和自主神经功能障碍。修复SCI的关键在于通过神经元和轴突的再生和功能的恢复从而实现神经回路的重塑。目前,手术治疗和药物治疗是应用于SCI的主要临床疗法,但其只能减轻继发性损伤,并不能解决神经再生能力差的问题。为解决这一难题,研究人员开发组织工程疗法,使用功能性神经再生的支架填充修复损伤部位,支架提供了类似于细胞外微环境的特性,其中填充的生物材料为神经再生提供结构支撑,干细胞提供细胞支持,生物因子提供营养支持,有效促进SCI处的神经再生。然而,不同个体SCI的情况不同,使用均一化的组织工程支架难以完美弥合损伤部位,达到理想的治疗效果。
随着组织工程技术在再生医学领域的不断发展,传统的制备3D支架的方法,如静电纺丝、冻干、模型制造等无法在空间上调节3D结构的孔隙率、力学各向异性和细胞分布等,不能精准模拟人体组织/器官的复杂三维结构,容易造成患者功能恢复预后不良,影响植入物的生物安全性,给患者造成生理痛苦和心理创伤。相较于传统的3D支架构建方法,3D打印技术有其独特的优势,它是一种以数字模型为基础,将各类材料进行逐层打印,构建具有精密复杂结构物体的技术。此外,3D打印可实现定制化设计、按需制造,具有稳定的高重复性,适用于不同程度的脊髓缺损患者。3D打印技术为组织工程修复脊髓提供了一种快速、精确构建支架的平台,从生物功能、结构构建、力学性能等方面模拟脊髓组织,从而为SCI的修复提供新的治疗策略。
然而,目前3D打印技术仍基于传统三维建模方案,无法满足组织工程支架的精度要求,存在以下局限性:(1)基于单目图像的深度估计往往丢失尺度信息,且存在较大误差;(2)现有位姿求解方法通常为相对位姿估计,存在误差累积问题;(3)三维点云的融合拼接与绘制方法计算复杂度高、需要耗费大量时间。
因此,亟需提供一种具有高精确度和个性化定制的类脊髓组织的构建方法,为SCI治疗提供新的思路和治疗效果。
实现思路