能與腦細(xì)胞對(duì)話的3D打印神經(jīng)元，美國西北大學(xué)團(tuán)隊(duì)

導(dǎo)語：科研人員已利用3D打印技術(shù)試圖復(fù)刻多種人體組織，部分場景下還能將活細(xì)胞打印排列成規(guī)整結(jié)構(gòu)。但想要讓這些打印出來的結(jié)構(gòu)真正像人體組織一樣工作，依然非常困難。

2026年4月，南極熊獲悉，Northwestern University（美國西北大學(xué)）研究人員成功研發(fā)出3D打印神經(jīng)元。這類人工神經(jīng)元可以向真實(shí)腦細(xì)胞發(fā)送信號(hào)，也能接收腦細(xì)胞的反饋信號(hào)。研究團(tuán)隊(duì)證實(shí)，打印成型的神經(jīng)結(jié)構(gòu)能夠和活體神經(jīng)元完成信息交流。

該項(xiàng)研究成果發(fā)表于《Nature Nanotechnology》，論文標(biāo)題為Printed MoS? memristive nanosheet networks for spiking neurons with multi-order complexity。研究項(xiàng)目由專注仿腦計(jì)算領(lǐng)域的材料科學(xué)專家 Mark Hersam 牽頭開展。這項(xiàng)研究不只屬于生物學(xué)領(lǐng)域，它同樣關(guān)系到研發(fā)更高效、更接近大腦工作方式的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。大腦是目前已知最省電的 “計(jì)算機(jī)”，模仿神經(jīng)元之間傳遞信號(hào)的方式，未來的計(jì)算系統(tǒng)可以用更少的電量完成復(fù)雜任務(wù)，比現(xiàn)在耗電巨大的技術(shù)更加節(jié)能

研究原理與實(shí)驗(yàn)過程

神經(jīng)元承擔(dān)大腦信號(hào)傳輸工作，人體運(yùn)動(dòng)、記憶等各類生理活動(dòng)都由其調(diào)控。研究團(tuán)隊(duì)鎖定核心研究方向，驗(yàn)證 3D 打印神經(jīng)元復(fù)刻信號(hào)傳遞、對(duì)接活體腦細(xì)胞的實(shí)際能力。

△打印的突回（snap-back）憶阻器中的負(fù)微分電阻（NDR）

團(tuán)隊(duì)采用氣溶膠噴射打印技術(shù)，打造出納米級(jí)微型電子網(wǎng)絡(luò)，整體設(shè)計(jì)完全對(duì)標(biāo)神經(jīng)元運(yùn)作模式。研究選用二硫化鉬、石墨烯等軟性材料制作電子墨水，打印載體選用柔性聚合物表層，脫離傳統(tǒng)硬質(zhì)硅基材料的限制。

實(shí)驗(yàn)階段，研究人員把 3D 打印神經(jīng)元放置在小鼠活體腦細(xì)胞旁，細(xì)胞全程維持實(shí)驗(yàn)室存活狀態(tài)。人工神經(jīng)元釋放信號(hào)后，小鼠原生腦細(xì)胞產(chǎn)生對(duì)應(yīng)反應(yīng)，人工系統(tǒng)與生物組織順利完成雙向信息傳遞。

多元應(yīng)用發(fā)展?jié)摿?/strong>

本次研究成果，助力打造可對(duì)接神經(jīng)組織的電子設(shè)備。腦機(jī)接口、神經(jīng)義肢領(lǐng)域會(huì)迎來全新發(fā)展方向，聽力、視覺、運(yùn)動(dòng)功能相關(guān)的植入式器械都能從中獲益。
現(xiàn)有同類醫(yī)療設(shè)備普遍搭載傳統(tǒng)電子元件。3D 打印神經(jīng)元件可以和腦組織自然適配，大幅提升人體適配度，優(yōu)化設(shè)備實(shí)際使用效果。

各類神經(jīng)類疾病的治療研究也會(huì)獲得全新助力。科研人員掌握人工神經(jīng)元與生物神經(jīng)元的信號(hào)調(diào)控方法后，大腦神經(jīng)連接損傷、神經(jīng)信號(hào)紊亂等腦部損傷問題，未來有望實(shí)現(xiàn)修復(fù)干預(yù)。

賦能新型計(jì)算技術(shù)

神經(jīng)形態(tài)計(jì)算成為當(dāng)下科研熱門方向，技術(shù)核心參考大腦的信息處理模式。本次研究結(jié)合生物運(yùn)行規(guī)律與人體工程結(jié)構(gòu)，為新一代計(jì)算系統(tǒng)的研發(fā)提供全新思路。
Mark Hersam 表示，當(dāng)下社會(huì)發(fā)展高度依賴人工智能技術(shù)，然而人工智能水平的提升，需要依托海量數(shù)據(jù)訓(xùn)練，會(huì)造成嚴(yán)重的能源消耗。人腦能源利用效率遠(yuǎn)超數(shù)字計(jì)算機(jī)，差距達(dá)到五個(gè)數(shù)量級(jí)。以人腦運(yùn)作機(jī)制為參考，研發(fā)新型硬件設(shè)備，能夠有效適配大數(shù)據(jù)與人工智能的運(yùn)轉(zhuǎn)需求。

△Mark Hersam

研究現(xiàn)狀與未來展望

本次研究整體技術(shù)水平先進(jìn)，但距離完整人造大腦還有極大差距。裝置暫時(shí)不滿足人體植入與臨床應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境經(jīng)過人為管控，信號(hào)交互只在限定條件下完成。這項(xiàng)技術(shù)落地現(xiàn)實(shí)醫(yī)療、科技場景，依舊需要長期的探索與優(yōu)化。

南極熊點(diǎn)評(píng)

Northwestern University 團(tuán)隊(duì)借助氣溶膠噴射打印技術(shù)，使用柔性材料制作出 3D 打印人工神經(jīng)元。人工神經(jīng)元在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中和小鼠活體腦細(xì)胞實(shí)現(xiàn)信號(hào)雙向通訊。這項(xiàng)成果突破傳統(tǒng)生物打印與仿生電子技術(shù)的局限，為腦機(jī)接口、神經(jīng)疾病治療、神經(jīng)形態(tài)計(jì)算提供全新研發(fā)方向。整套技術(shù)目前處于初級(jí)試驗(yàn)階段，應(yīng)用條件受限，后續(xù)還要持續(xù)優(yōu)化才能落地實(shí)用化。

https://www.nature.com/articles/s41565-026-02149-6