可灌注微通道網絡生物打印骨骼肌組織
天然肌肉組織的復雜結構和功能，尤其是在較大的厘米尺度上。利用先進的生物打印技術，Miriam Filippi博士和她來自軟機器人實驗室的團隊（由蘇黎世聯(lián)邦理工學院的Robert Katzschmann教授領導）開發(fā)了能夠有效模擬天然肌肉組織的生物混合SMT結構。

通過為基于擠出的生物打印配制專門的生物墨水，該團隊創(chuàng)建了具有精細分布的微通道結構，以厘米為尺度模擬天然肌肉結構的功能灌注。這些微通道確保有效的營養(yǎng)和氧氣輸送，這對細胞存活至關重要。合成錨固件的集成為對齊的肌肉纖維生長和適當的組織成熟提供了必要的機械張力。

該團隊在BIO X6上采用了基于多材料擠出的生物打印，實現(xiàn)了可灌注的生物混合SMT，整個結構一次性制造完成。SMT結構具有多層組織，內部微通道直徑為200µm。這些構建體由接種有C2C12成肌細胞的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以下而被去除。此外，加入了由PEGDA和Pluronics制成的錨定結構，以將構建體固定到培養(yǎng)模板上，從而提供組織發(fā)育所需的機械張力。
 

從一開始，F(xiàn)ilippi博士就知道，用其他水凝膠操作技術是不可能實現(xiàn)她的目標的。選擇生物打印的原因在于它提供了根據預定義設計創(chuàng)建互連空腔所需的精度，這對于她的復雜模型至關重要。多材料擠出生物打印能夠實現(xiàn)300-400微米的分辨率，足以滿足所需的結構特征，例如精細分布的灌注通道網絡和系統(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
該團隊開發(fā)并優(yōu)化了一種具有適當機械性能的生物墨水，用于生物打印，促進肌肉組織的發(fā)育，并與合成結構穩(wěn)定共組裝。

生物雜交SMT保持功能兩周。構建體內的可灌注網絡圖案化減少了缺氧區(qū)域，并為生長中的肌細胞提供了接觸引導，促進了單向排列的肌纖維的形成。

體外藥物試驗的構建體灌注能力評估
該團隊通過分析藥物在通道基質和非通道基質中的分布和釋放，評估了用于藥物測試的可灌注生物打印構建體。染料測試顯示，通道能夠在幾分鐘內實現(xiàn)快速的液體對流。進一步的研究表明，組織內藥物的分布受到通道的顯著影響，突顯了流體對流和擴散在構建體中的重要性。這些發(fā)現(xiàn)支持血管樣通道和可灌注設計在創(chuàng)建血管化肌肉組織的仿生模型中的關鍵作用，從而增強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

該團隊創(chuàng)建了一個手動沉積或其他生物制造技術無法實現(xiàn)的模型。為了實現(xiàn)項目目標，他們依賴 CELLINK 的 BIO X6 生物打印機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挑戰(zhàn)，但該團隊發(fā)現(xiàn)他們可以依靠CELLINK提供的技術和生物材料，從而專注于生物制造步驟。此外，CELLINK產品的廣泛應用促進了與其他實驗室的合作和知識交流。軟件的可用性也是一個重要方面。

Miriam Filippi博士

“非常適合動態(tài)的學術實驗室，便于傳授專業(yè)知識。我實驗室的所有學生都能快速掌握它。因此，如果團隊中有專業(yè)人員，他們可以輕松學習和使用該軟件。”

影響及其未來應用

Filippi博士和她的團隊證明，基于3D擠出的生物打印能夠利用活細胞、生物材料、合成材料以及可灌注網絡，設計復雜的多相結構。他們預計，多材料生物打印將推動生物醫(yī)學、營養(yǎng)和生物機器人的肌肉組織工程領域，解決形狀逼真度、結構穩(wěn)定性、高效液體交換和預防缺氧區(qū)域等關鍵挑戰(zhàn)。

總之，F(xiàn)ilippi博士和她的團隊在生物打印技術的創(chuàng)新應用上取得了重大進展，為醫(yī)療、營養(yǎng)和機器人應用開辟了新的可能性。