生物打印技術(shù)助力開發(fā)能有效模擬天然肌肉組織的生物混合SMT結(jié)構(gòu)

可灌注微通道網(wǎng)絡(luò)生物打印骨骼肌組織
天然肌肉組織的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和功能，尤其是在較大的厘米尺度上。利用先進(jìn)的生物打印技術(shù)，Miriam Filippi博士和她來自軟機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)（由蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Robert Katzschmann教授領(lǐng)導(dǎo)）開發(fā)了能夠有效模擬天然肌肉組織的生物混合SMT結(jié)構(gòu)。

通過為基于擠出的生物打印配制專門的生物墨水，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了具有精細(xì)分布的微通道結(jié)構(gòu)，以厘米為尺度模擬天然肌肉結(jié)構(gòu)的功能灌注。這些微通道確保有效的營(yíng)養(yǎng)和氧氣輸送，這對(duì)細(xì)胞存活至關(guān)重要。合成錨固件的集成為對(duì)齊的肌肉纖維生長(zhǎng)和適當(dāng)?shù)慕M織成熟提供了必要的機(jī)械張力。

該團(tuán)隊(duì)在BIO X6上采用了基于多材料擠出的生物打印，實(shí)現(xiàn)了可灌注的生物混合SMT，整個(gè)結(jié)構(gòu)一次性制造完成。SMT結(jié)構(gòu)具有多層組織，內(nèi)部微通道直徑為200µm。這些構(gòu)建體由接種有C2C12成肌細(xì)胞的GelMA海藻酸鹽生物墨水組成。使用犧牲生物墨水（Pluronics）創(chuàng)建通道，該犧牲生物墨水在印刷后通過將溫度降低到其凝膠化點(diǎn)以下而被去除。此外，加入了由PEGDA和Pluronics制成的錨定結(jié)構(gòu)，以將構(gòu)建體固定到培養(yǎng)模板上，從而提供組織發(fā)育所需的機(jī)械張力。
 

從一開始，F(xiàn)ilippi博士就知道，用其他水凝膠操作技術(shù)是不可能實(shí)現(xiàn)她的目標(biāo)的。選擇生物打印的原因在于它提供了根據(jù)預(yù)定義設(shè)計(jì)創(chuàng)建互連空腔所需的精度，這對(duì)于她的復(fù)雜模型至關(guān)重要。多材料擠出生物打印能夠?qū)崿F(xiàn)300-400微米的分辨率，足以滿足所需的結(jié)構(gòu)特征，例如精細(xì)分布的灌注通道網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的合成，以及生物組件之間的穩(wěn)定界面。因此，通過生物打印制造的過程確保了足夠的灌注水平，以防止細(xì)胞死亡，并且提供了足夠的生物組裝穩(wěn)定性，以完成組織的成熟過程。

開發(fā)適合肌肉組織發(fā)育的生物墨水
該團(tuán)隊(duì)開發(fā)并優(yōu)化了一種具有適當(dāng)機(jī)械性能的生物墨水，用于生物打印，促進(jìn)肌肉組織的發(fā)育，并與合成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定共組裝。

生物雜交SMT保持功能兩周。構(gòu)建體內(nèi)的可灌注網(wǎng)絡(luò)圖案化減少了缺氧區(qū)域，并為生長(zhǎng)中的肌細(xì)胞提供了接觸引導(dǎo)，促進(jìn)了單向排列的肌纖維的形成。

體外藥物試驗(yàn)的構(gòu)建體灌注能力評(píng)估
該團(tuán)隊(duì)通過分析藥物在通道基質(zhì)和非通道基質(zhì)中的分布和釋放，評(píng)估了用于藥物測(cè)試的可灌注生物打印構(gòu)建體。染料測(cè)試顯示，通道能夠在幾分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速的液體對(duì)流。進(jìn)一步的研究表明，組織內(nèi)藥物的分布受到通道的顯著影響，突顯了流體對(duì)流和擴(kuò)散在構(gòu)建體中的重要性。這些發(fā)現(xiàn)支持血管樣通道和可灌注設(shè)計(jì)在創(chuàng)建血管化肌肉組織的仿生模型中的關(guān)鍵作用，從而增強(qiáng)其在藥物研究中的適用性。
 

通過通道化工程肌肉組織的液體灌注。
(Filippi et al., Advanced Healthcare Materials, 2023)

生物打印體驗(yàn)

該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一個(gè)手動(dòng)沉積或其他生物制造技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的模型。為了實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目目標(biāo)，他們依賴 CELLINK 的 BIO X6 生物打印機(jī)的高分辨率生物制造能力。雖然在一次制造過程中使用多種生物墨水是一個(gè)挑戰(zhàn)，但該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)他們可以依靠CELLINK提供的技術(shù)和生物材料，從而專注于生物制造步驟。此外，CELLINK產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用促進(jìn)了與其他實(shí)驗(yàn)室的合作和知識(shí)交流。軟件的可用性也是一個(gè)重要方面。

Miriam Filippi博士

“非常適合動(dòng)態(tài)的學(xué)術(shù)實(shí)驗(yàn)室，便于傳授專業(yè)知識(shí)。我實(shí)驗(yàn)室的所有學(xué)生都能快速掌握它。因此，如果團(tuán)隊(duì)中有專業(yè)人員，他們可以輕松學(xué)習(xí)和使用該軟件。”

影響及其未來應(yīng)用

Filippi博士和她的團(tuán)隊(duì)證明，基于3D擠出的生物打印能夠利用活細(xì)胞、生物材料、合成材料以及可灌注網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)復(fù)雜的多相結(jié)構(gòu)。他們預(yù)計(jì)，多材料生物打印將推動(dòng)生物醫(yī)學(xué)、營(yíng)養(yǎng)和生物機(jī)器人的肌肉組織工程領(lǐng)域，解決形狀逼真度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、高效液體交換和預(yù)防缺氧區(qū)域等關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

總之，F(xiàn)ilippi博士和她的團(tuán)隊(duì)在生物打印技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用上取得了重大進(jìn)展，為醫(yī)療、營(yíng)養(yǎng)和機(jī)器人應(yīng)用開辟了新的可能性。