生物打印技术助力开发能有效模拟天然肌肉组织的生物混合SMT结构

可灌注微通道网络生物打印骨骼肌组织
天然肌肉组织的复杂结构和功能，尤其是在较大的厘米尺度上。利用先进的生物打印技术，Miriam Filippi博士和她来自软机器人实验室的团队（由苏黎世联邦理工学院的Robert Katzschmann教授领导）开发了能够有效模拟天然肌肉组织的生物混合SMT结构。

通过为基于挤出的生物打印配制专门的生物墨水，该团队创建了具有精细分布的微通道结构，以厘米为尺度模拟天然肌肉结构的功能灌注。这些微通道确保有效的营养和氧气输送，这对细胞存活至关重要。合成锚固件的集成为对齐的肌肉纤维生长和适当的组织成熟提供了必要的机械张力。

该团队在BIO X6上采用了基于多材料挤出的生物打印，实现了可灌注的生物混合SMT，整个结构一次性制造完成。SMT结构具有多层组织，内部微通道直径为200µm。这些构建体由接种有C2C12成肌细胞的GelMA海藻酸盐生物墨水组成。使用牺牲生物墨水（Pluronics）创建通道，该牺牲生物墨水在印刷后通过将温度降低到其凝胶化点以下而被去除。此外，加入了由PEGDA和Pluronics制成的锚定结构，以将构建体固定到培养模板上，从而提供组织发育所需的机械张力。
 

从一开始，Filippi博士就知道，用其他水凝胶操作技术是不可能实现她的目标的。选择生物打印的原因在于它提供了根据预定义设计创建互连空腔所需的精度，这对于她的复杂模型至关重要。多材料挤出生物打印能够实现300-400微米的分辨率，足以满足所需的结构特征，例如精细分布的灌注通道网络和系统的合成，以及生物组件之间的稳定界面。因此，通过生物打印制造的过程确保了足够的灌注水平，以防止细胞死亡，并且提供了足够的生物组装稳定性，以完成组织的成熟过程。

开发适合肌肉组织发育的生物墨水
该团队开发并优化了一种具有适当机械性能的生物墨水，用于生物打印，促进肌肉组织的发育，并与合成结构稳定共组装。

生物杂交SMT保持功能两周。构建体内的可灌注网络图案化减少了缺氧区域，并为生长中的肌细胞提供了接触引导，促进了单向排列的肌纤维的形成。

体外药物试验的构建体灌注能力评估
该团队通过分析药物在通道基质和非通道基质中的分布和释放，评估了用于药物测试的可灌注生物打印构建体。染料测试显示，通道能够在几分钟内实现快速的液体对流。进一步的研究表明，组织内药物的分布受到通道的显著影响，突显了流体对流和扩散在构建体中的重要性。这些发现支持血管样通道和可灌注设计在创建血管化肌肉组织的仿生模型中的关键作用，从而增强其在药物研究中的适用性。
 

通过通道化工程肌肉组织的液体灌注。
(Filippi et al., Advanced Healthcare Materials, 2023)

生物打印体验

该团队创建了一个手动沉积或其他生物制造技术无法实现的模型。为了实现项目目标，他们依赖 CELLINK 的 BIO X6 生物打印机的高分辨率生物制造能力。虽然在一次制造过程中使用多种生物墨水是一个挑战，但该团队发现他们可以依靠CELLINK提供的技术和生物材料，从而专注于生物制造步骤。此外，CELLINK产品的广泛应用促进了与其他实验室的合作和知识交流。软件的可用性也是一个重要方面。

Miriam Filippi博士

“非常适合动态的学术实验室，便于传授专业知识。我实验室的所有学生都能快速掌握它。因此，如果团队中有专业人员，他们可以轻松学习和使用该软件。”

影响及其未来应用

Filippi博士和她的团队证明，基于3D挤出的生物打印能够利用活细胞、生物材料、合成材料以及可灌注网络，设计复杂的多相结构。他们预计，多材料生物打印将推动生物医学、营养和生物机器人的肌肉组织工程领域，解决形状逼真度、结构稳定性、高效液体交换和预防缺氧区域等关键挑战。

总之，Filippi博士和她的团队在生物打印技术的创新应用上取得了重大进展，为医疗、营养和机器人应用开辟了新的可能性。