骨骼肌組織工程旨在替換或恢復因疾病、事故或嚴重手術而受損或喪失部分功能的骨骼肌，通過培養從患者體內獲得的肌源性祖細胞或干細胞，直接培養或搭載支架上來制備出可以植入患者體內的功能性骨骼肌。骨骼肌組織工程在再生醫學以及基于細胞分析的生物機器人、生物傳感、能量收集和藥物篩選方面都有廣泛地應用。但如何利用現有的組織工程制造方法來重現肌肉的復雜性仍然是一個挑戰。

來自美國加州大學的Ali Khademhosseini教授團隊在Small雜志上發表了題目為“3D Bioprinting in Skeletal Muscle Tissue Engineering ”的綜述文章，簡述了骨骼肌的解剖結構并從打印工藝、墨水配方及性能、生物3D打印技術在表面貼裝技術方面取得的進展等角度概述了生物3D打印技術在骨骼肌組織工程中的應用。

圖1 骨骼肌解剖學結構

研究現狀

為了改善骨骼肌細胞分化并獲得具有高功能性的肌肉組織，目前已經開發了具有特定形貌特征、硬度、導電性、聚合物成分和可溶性因子的支架。此外，通過使用骨骼肌細胞與成纖維細胞的共培養物來工程化肌腱連接，或與內皮細胞共培養來獲得血管化肌肉。為了進一步改善工程肌肉的功能，研究人員致力于模擬體內骨骼肌的結構和微環境。所有傳統方法的一個共同點是制造各向異性支架，以允許肌肉細胞排列和促進肌肉生成。然而，這些方法在誘導精確的3D空間細胞組織方面有局限性。如圖2所示，3D 生物打印技術旨在通過在細胞和基質沉積中提供高精度來克服這些限制，從而快速制造復雜結構或與神經細胞一起獲得神經肌肉連接，來制造更復雜的工程化組織。

圖2 常規方法和生物3D打印方法所制備的骨骼肌組織。a. 3D打印肌腱鏈接。b.利用靜電紡絲工藝進行肌腱剛度調節。c.設計芯片控制神經與肌肉的連接。d.在3D打印的水凝膠結構上共培養肌肉和運動神經元。

生物3D打印沉積策略

圖3 三種主要的生物3D打印策略

生物墨水配方

圖4 近15年來已發表的論文中，生物3D打印骨骼肌所用材料的百分比

生物3D打印在骨骼肌組織工程中的應用

生物3D打印能夠實現細胞的精確定位和排列。例如，將小鼠成肌細胞(C2C12)精確地分布在懸浮的水凝膠基質中并可功能化形成具有生理反應的肌管。如圖5a所示，Bashir 和他的同事通過3D打印技術制造了一種生物裝置，由兩個不同長度的剛性柱子通過柔性梁連接而成。溶液中的 C2C12、細胞外基質蛋白和基質凝膠被澆鑄在柱子周圍和柱子之間并凝膠化剝離，凝膠的壓實和兩個支柱之間誘導的張力有利于肌管的成熟，在電脈沖刺激下肌管可發生收縮使該結構進行類似尺蠖的爬行運動。如圖5b所示，由一對對抗的骨骼肌組織驅動的生物混合機器人是由3D打印的樹脂骨架組成，承載用于主動刺激負載成肌細胞的水凝膠片的電極，該水凝膠片安裝在骨骼的兩側以充當拮抗肌。該生物混合機器人能夠進行關節旋轉角度接近 90°的移動，可以用來執行簡單的動作。

增材制造在骨骼肌組織功能化構建上的優勢

圖6 骨骼肌組織工程中的增材制造。a. 模擬骨骼肌分級組織的混合微纖維化聚己內酯/膠原支架的制造工藝和光學/掃描電子顯微鏡圖像。b. 3D打印脫細胞支架，以促進成肌細胞分化。c.仿生組織構造。肌肉前體被包裹在由PCL柱支撐的水凝膠纖維內。d.微流控精確制造含有成肌細胞和成纖維細胞的異質性水凝膠纖維。

綜上所述，生物3D 打印技術在組織工程、再生醫學和藥物開發方面具有巨大的潛力。該技術有助于克服移植器官的短缺，為構建健康或患病的組織模型提供了重要的工程化方法。