3D打印骨骼肌中仿生血管化的时空调控
3D打印技术在骨骼肌血管化研究中的应用
学术背景
骨骼肌组织是人体中最重要的组织之一，其功能依赖于肌管（myotubes）与血管网络之间的密切关系。血管网络不仅为骨骼肌提供氧气和营养，还在肌肉损伤修复过程中发挥关键作用。然而，当骨骼肌损伤超过20%时，传统的自体肌肉移植治疗效果有限，失败率较高。近年来，组织工程学的发展为骨骼肌修复提供了新的可能性，尤其是三维（3D）打印技术的应用，使得构建具有血管网络的骨骼肌组织成为可能。然而，如何在体外精确调控骨骼肌与血管网络的相互作用，仍然是一个亟待解决的难题。
本研究旨在通过3D生物打印技术，探索骨骼肌与内皮细胞（endothelial cells）在血管化过程中的复杂相互作用，并开发一种能够在时间和空间上精确调控骨骼肌血管化的方法。通过构建具有生物仿生特性的血管化骨骼肌组织，研究团队希望为未来的组织工程和再生医学提供新的思路。
论文来源
本论文由Minxuan Jia、Tingting Fan、Tan Jia、Xin Liu、Heng Liu和Qi Gu共同完成，研究团队来自中国科学院动物研究所、北京干细胞与再生医学研究院以及首都医科大学附属北京积水潭医院。论文于2024年9月26日在线发表在《Bio-design and Manufacturing》期刊上，DOI为10.1007/s42242-024-00315-0。
研究流程与结果
1. 细胞培养与生物墨水制备
研究团队首先从小鼠成肌细胞系C2C12和人脐静脉内皮细胞（HUVECs）入手，分别培养这两种细胞。C2C12细胞在增殖培养基中培养，而HUVECs则在明胶（gelatin）包被的培养皿中生长。为了进行3D打印，研究团队制备了两种生物墨水：一种是由纤维蛋白原（fibrinogen）和明胶组成的C2C12细胞负载墨水，另一种是HUVECs负载的纤维蛋白原/明胶混合物（HFG）。
2. 3D打印与骨骼肌构建
研究团队使用3D生物打印机，将C2C12细胞负载的生物墨水打印成骨骼肌束。打印过程中，通过调节温度和压力，确保生物墨水在打印过程中保持凝胶状态。打印完成后，骨骼肌束被固定在预先打印的支架上，并通过凝血酶（thrombin）交联。实验结果显示，打印后的骨骼肌束在培养初期宽度显著变化，但细胞存活率高达90%，表明3D打印对细胞的影响较小。
3. 血管化骨骼肌的构建
为了构建血管化骨骼肌，研究团队设计了两种策略：一种是将HUVECs单层粘附在骨骼肌束表面，另一种是将HFG包裹在骨骼肌束外部。实验发现，单层粘附的HUVECs在培养过程中逐渐脱落，无法形成稳定的血管网络。而通过HFG包裹的方法，HUVECs能够在骨骼肌束外部长期培养，并逐渐形成血管网络。此外，研究团队还发现，在骨骼肌分化的后期引入HUVECs，能够显著促进肌管的形成和血管网络的发展。
4. 实验结果与分析
通过免疫荧光染色和定量逆转录聚合酶链反应（RT-qPCR），研究团队评估了血管化骨骼肌的分化程度和血管化水平。结果显示，在骨骼肌分化第7天引入HUVECs的组别（DM7+6组）中，肌管的长度和核数量显著增加，表明肌管的分化更为成熟。此外，血管化标志物CD31和VE-cadherin的表达也显著高于其他组别，表明血管网络的形成更为完善。
结论与意义
本研究通过3D生物打印技术，成功构建了具有生物仿生特性的血管化骨骼肌组织。研究结果表明，在骨骼肌分化的后期引入内皮细胞，能够显著促进肌管的形成和血管网络的发展。这一发现为未来的组织工程和再生医学提供了新的思路，尤其是在大尺度、生理对齐的骨骼肌构建方面具有重要的应用价值。
研究亮点
- 创新性方法：本研究首次将3D生物打印技术与3D建模技术结合，实现了骨骼肌与血管网络的共构建。
- 时间调控：通过精确调控血管网络的引入时间，研究团队成功优化了骨骼肌的分化过程。
- 生物仿生特性：构建的血管化骨骼肌组织具有高度的生物仿生特性，为未来的临床应用奠定了基础。
其他有价值的信息
研究团队还开发了一种“三合一”模具（three-in-one mold），用于在骨骼肌束外部包裹HFG。这种模具由聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成，具有良好的柔韧性和疏水性，能够有效减少纤维蛋白的粘附，便于操作和脱模。
本研究不仅为骨骼肌血管化提供了新的研究方法，还为未来的组织工程和再生医学开辟了新的道路。