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

來自美國加州大學(xué)的Ali Khademhosseini教授團(tuán)隊(duì)在Small雜志上發(fā)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(jié)構(gòu)并從打印工藝、墨水配方及性能、生物3D打印技術(shù)在表面貼裝技術(shù)方面取得的進(jìn)展等角度概述了生物3D打印技術(shù)在骨骼肌組織工程中的應(yīng)用。

圖1 骨骼肌解剖學(xué)結(jié)構(gòu)

研究現(xiàn)狀

為了改善骨骼肌細(xì)胞分化并獲得具有高功能性的肌肉組織，目前已經(jīng)開發(fā)了具有特定形貌特征、硬度、導(dǎo)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(xì)胞與成纖維細(xì)胞的共培養(yǎng)物來工程化肌腱連接，或與內(nèi)皮細(xì)胞共培養(yǎng)來獲得血管化肌肉。為了進(jìn)一步改善工程肌肉的功能，研究人員致力于模擬體內(nèi)骨骼肌的結(jié)構(gòu)和微環(huán)境。所有傳統(tǒng)方法的一個共同點(diǎn)是制造各向異性支架，以允許肌肉細(xì)胞排列和促進(jìn)肌肉生成。然而，這些方法在誘導(dǎo)精確的3D空間細(xì)胞組織方面有局限性。如圖2所示，3D 生物打印技術(shù)旨在通過在細(xì)胞和基質(zhì)沉積中提供高精度來克服這些限制，從而快速制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)或與神經(jīng)細(xì)胞一起獲得神經(jīng)肌肉連接，來制造更復(fù)雜的工程化組織。

圖2 常規(guī)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(jìn)行肌腱剛度調(diào)節(jié)。c.設(shè)計(jì)芯片控制神經(jīng)與肌肉的連接。d.在3D打印的水凝膠結(jié)構(gòu)上共培養(yǎng)肌肉和運(yùn)動神經(jīng)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(fā)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(yīng)用

生物3D打印能夠?qū)崿F(xiàn)細(xì)胞的精確定位和排列。例如，將小鼠成肌細(xì)胞(C2C12)精確地分布在懸浮的水凝膠基質(zhì)中并可功能化形成具有生理反應(yīng)的肌管。如圖5a所示，Bashir 和他的同事通過3D打印技術(shù)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(xì)胞外基質(zhì)蛋白和基質(zhì)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(shí)和兩個支柱之間誘導(dǎo)的張力有利于肌管的成熟，在電脈沖刺激下肌管可發(fā)生收縮使該結(jié)構(gòu)進(jìn)行類似尺蠖的爬行運(yùn)動。如圖5b所示，由一對對抗的骨骼肌組織驅(qū)動的生物混合機(jī)器人是由3D打印的樹脂骨架組成，承載用于主動刺激負(fù)載成肌細(xì)胞的水凝膠片的電極，該水凝膠片安裝在骨骼的兩側(cè)以充當(dāng)拮抗肌。該生物混合機(jī)器人能夠進(jìn)行關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度接近 90°的移動，可以用來執(zhí)行簡單的動作。

增材制造在骨骼肌組織功能化構(gòu)建上的優(yōu)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(nèi)酯/膠原支架的制造工藝和光學(xué)/掃描電子顯微鏡圖像。b. 3D打印脫細(xì)胞支架，以促進(jìn)成肌細(xì)胞分化。c.仿生組織構(gòu)造。肌肉前體被包裹在由PCL柱支撐的水凝膠纖維內(nèi)。d.微流控精確制造含有成肌細(xì)胞和成纖維細(xì)胞的異質(zhì)性水凝膠纖維。

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