生物3D打印在骨骼肌组织工程中

骨骼肌组织工程旨在替换或恢复因疾病、事故或严重手术而受损或丧失部分功能的骨骼肌，通过培养从患者体内获得的肌源性祖细胞或干细胞，直接培养或搭载支架上来制备出可以植入患者体内的功能性骨骼肌。骨骼肌组织工程在再生医学以及基于细胞分析的生物机器人、生物传感、能量收集和药物筛选方面都有广泛地应用。但如何利用现有的组织工程制造方法来重现肌肉的复杂性仍然是一个挑战。

来自美国加州大学的Ali Khademhosseini教授团队在Small杂志上发表了题目为“3D Bioprinting in Skeletal Muscle Tissue Engineering ”的综述文章，简述了骨骼肌的解剖结构并从打印工艺、墨水配方及性能、生物3D打印技术在表面贴装技术方面取得的进展等角度概述了生物3D打印技术在骨骼肌组织工程中的应用。

图1 骨骼肌解剖学结构

研究现状

为了改善骨骼肌细胞分化并获得具有高功能性的肌肉组织，目前已经开发了具有特定形貌特征、硬度、导电性、聚合物成分和可溶性因子的支架。此外，通过使用骨骼肌细胞与成纤维细胞的共培养物来工程化肌腱连接，或与内皮细胞共培养来获得血管化肌肉。为了进一步改善工程肌肉的功能，研究人员致力于模拟体内骨骼肌的结构和微环境。所有传统方法的一个共同点是制造各向异性支架，以允许肌肉细胞排列和促进肌肉生成。然而，这些方法在诱导精确的3D空间细胞组织方面有局限性。如图2所示，3D 生物打印技术旨在通过在细胞和基质沉积中提供高精度来克服这些限制，从而快速制造复杂结构或与神经细胞一起获得神经肌肉连接，来制造更复杂的工程化组织。

图2 常规方法和生物3D打印方法所制备的骨骼肌组织。a. 3D打印肌腱链接。b.利用静电纺丝工艺进行肌腱刚度调节。c.设计芯片控制神经与肌肉的连接。d.在3D打印的水凝胶结构上共培养肌肉和运动神经元。

生物3D打印沉积策略

图3 三种主要的生物3D打印策略

生物墨水配方

图4 近15年来已发表的论文中，生物3D打印骨骼肌所用材料的百分比

生物3D打印在骨骼肌组织工程中的应用

生物3D打印能够实现细胞的精确定位和排列。例如，将小鼠成肌细胞(C2C12)精确地分布在悬浮的水凝胶基质中并可功能化形成具有生理反应的肌管。如图5a所示，Bashir 和他的同事通过3D打印技术制造了一种生物装置，由两个不同长度的刚性柱子通过柔性梁连接而成。溶液中的 C2C12、细胞外基质蛋白和基质凝胶被浇铸在柱子周围和柱子之间并凝胶化剥离，凝胶的压实和两个支柱之间诱导的张力有利于肌管的成熟，在电脉冲刺激下肌管可发生收缩使该结构进行类似尺蠖的爬行运动。如图5b所示，由一对对抗的骨骼肌组织驱动的生物混合机器人是由3D打印的树脂骨架组成，承载用于主动刺激负载成肌细胞的水凝胶片的电极，该水凝胶片安装在骨骼的两侧以充当拮抗肌。该生物混合机器人能够进行关节旋转角度接近 90°的移动，可以用来执行简单的动作。

增材制造在骨骼肌组织功能化构建上的优势

图6 骨骼肌组织工程中的增材制造。a. 模拟骨骼肌分级组织的混合微纤维化聚己内酯/胶原支架的制造工艺和光学/扫描电子显微镜图像。b. 3D打印脱细胞支架，以促进成肌细胞分化。c.仿生组织构造。肌肉前体被包裹在由PCL柱支撑的水凝胶纤维内。d.微流控精确制造含有成肌细胞和成纤维细胞的异质性水凝胶纤维。

综上所述，生物3D 打印技术在组织工程、再生医学和药物开发方面具有巨大的潜力。该技术有助于克服移植器官的短缺，为构建健康或患病的组织模型提供了重要的工程化方法。