综述：用于支持骨骼肌再生的生物工程支架的三维打印

《Journal of Physiology》：Three-dimensional printing of bioengineered scaffolds to support skeletal muscle regeneration

　　体积肌肉损失（VML）因肌肉结构永久性破坏导致功能丧失，需通过生物工程支架模拟细胞外基质（ECM）和提供生物信号促进再生。3D打印技术可定制形状，分层制造水凝胶支架，整合血管生成、神经再生等关键要素。挑战包括规模化生产、细胞存活、纤维化逆转及个性化适配。摘要：VML治疗需生物工程支架模拟ECM和生物信号，3D打印技术实现定制结构，但规模化、细胞存活及纤维化逆转仍是难题。

　　骨骼肌是一种人体中占比约40%的重要组织，它具有惊人的再生能力，能够在受到严重损伤后恢复其结构和功能。这种再生能力通常体现在对离心收缩、创伤性冲击、缺血再灌注、肌毒素、冷冻以及移植等不同类型的损伤做出反应。在正常的肌肉再生过程中，一系列有序的细胞活动和信号通路会迅速启动，包括炎症反应的清除、肌卫星细胞（SCs）的激活、新生肌纤维的形成、微血管网络的重建以及神经末梢的重新连接。这些过程使得在受伤后1-2个月内能够恢复大部分的肌肉质量和收缩功能。然而，这种再生能力并不适用于所有类型的肌肉损伤，特别是体积性肌肉损失（VML）。

VML是一种特殊的肌肉损伤类型，其特征是“创伤性或手术性导致骨骼肌组织的丧失并造成功能障碍”。这类损伤在肢体肌肉区域较为常见，通常由高能量冲击或严重肢体创伤后进行的手术切除和移位造成。一个关键特征是，VML造成的组织损失超过了哺乳动物骨骼肌的内源性修复和再生能力。此外，VML还伴随着神经供应的丧失，导致肌肉纤维的再支配受损。更为严重的是，即使在VML之后，剩余的肌肉组织也可能会出现功能下降，其力量生产逐渐减少，而不仅仅是肌肉组织的丧失。因此，VML的病理生理学与其它类型的肌肉损伤有着本质的不同，它主要表现为慢性力量下降和肢体活动受限。

在VML发生后，传统的治疗手段如物理治疗和医学管理往往难以取得理想效果，这促使科学家们探索更有效的再生治疗方法，以促进新肌肉组织的生成。VML的复杂病理机制为生物工程支架的设计提供了多个靶点，包括引导肌纤维的再生、重建微血管网络以及恢复神经支配。理想的支架应该能够防止或逆转纤维化，为肌源性细胞提供适宜的微环境，使其能够与宿主组织整合并恢复功能。此外，这些生物工程解决方案还必须改善VML在剩余肌肉和周围组织中引起的次级病理变化，以促进肌肉力量和功能的恢复。

生物工程支架的设计需要考虑多个关键因素，包括支架的结构、材料以及功能化。生物支架通常采用生物材料或合成材料制成，前者能够更好地模拟天然组织的生物物理和生化复杂性，但成本较高、加工难度大、易受污染且难以大规模生产。相比之下，合成材料更容易制造、加工和扩展生产规模，但其在诱导有效再生方面的能力有限，常常引发不必要的异物反应。因此，选择合适的材料对于支架的成功至关重要。同时，支架的结构设计也需要符合肌肉组织的复杂性，包括其微结构和宏观结构，以确保细胞能够有效地附着、迁移和分化。

为了增强支架的生物活性，通常会在其表面或内部引入生物分子信号。例如，通过化学键合细胞粘附肽（如RGD序列）可以促进肌母细胞的附着。此外，一些研究还通过将生长因子（如VEGF）与支架结合，以诱导血管生成并减少纤维化。在某些情况下，支架中还可以包含血管内皮细胞和神经元，以促进组织的重新连接。这些功能化策略有助于提高支架的再生能力，同时避免其对宿主组织的不良影响。

然而，尽管这些方法在小动物模型中显示出良好的效果，将它们应用于人体的VML治疗仍然面临诸多挑战。例如，人体VML的体积和范围远大于小动物，需要更大的支架结构，这可能影响打印精度和制造时间。此外，人体VML后，纤维化和炎症反应可能在支架植入前已经发生，因此支架的设计需要能够有效逆转这些不良反应。同时，由于人体肌肉的复杂性，需要确保支架能够维持足够的细胞密度，以支持新生组织的生长和功能恢复。

为了应对这些挑战，科学家们正在探索多种3D打印技术，以提高支架的制造效率和精度。例如，直接写入3D打印（DWP）能够连续地将生物墨水挤出，形成具有特定结构的支架。而嵌入式3D打印（E3DP）则利用支撑浴来提供机械稳定性，使支架能够在打印过程中自由形成复杂结构。光刻3D打印（DLP）则通过投影光图案，实现亚微米级的结构控制，适用于构建具有微结构特征的支架。这些技术的发展为VML治疗提供了新的可能性，但仍然需要进一步优化以满足临床需求。

此外，制造适合人体大小的支架还需要考虑细胞的存活率和支架的生物相容性。细胞密集型支架需要在打印前进行细胞培养，以确保足够的细胞密度。然而，这一过程对细胞的存活和支架的制造精度提出了更高的要求。同时，为了促进细胞在支架内的迁移和整合，支架需要具备良好的生物活性和适当的物理结构，以支持细胞的附着和生长。因此，研究如何在不牺牲细胞活性的前提下，提高支架的结构复杂性和功能化程度，是当前生物工程领域的重要课题。

在实际应用中，3D打印技术的进展使得个性化支架的制造成为可能。例如，通过利用医学影像数据，可以设计出与患者具体伤口形状和大小相匹配的支架，从而提高治疗效果。此外，为了实现支架的快速植入，研究人员正在开发便携式3D打印机和原位生物打印机器人系统，使支架能够在损伤发生后迅速制造并植入，从而减少疤痕形成的风险。这些技术的进步为VML的治疗带来了新的希望，但仍然需要更多的研究和临床试验来验证其有效性和安全性。

总的来说，VML的治疗是一个复杂而多方面的挑战，需要综合考虑病理生理机制、材料科学和生物工程等多个领域。通过不断优化生物支架的设计和制造方法，科学家们希望能够在未来的临床实践中实现更有效的肌肉再生，从而改善患者的生活质量。随着3D打印技术的不断发展，个性化和功能化的支架有望成为治疗VML的重要工具，但还需要克服制造时间、材料选择、细胞存活率和生物相容性等方面的挑战。