综述：用于支持骨骼肌再生的生物工程支架的三维打印

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

volumetric muscle loss（VML）是一种难以自愈的肌肉损伤，需通过生物工程支架模拟细胞外基质和生物信号促进再生。3D打印技术为定制化支架制造提供了可能，需平衡结构精度与规模化挑战，整合血管生成、神经再生及抗纤维化策略。

　　在现代社会中，肌肉组织的修复和再生技术正成为生物医学研究的重要领域之一。特别是对于**体积性肌肉损失（Volumetric Muscle Loss, VML）**这类严重损伤，其治疗难度远高于普通的肌肉创伤。VML是指因外伤或手术导致肌肉组织的大量丧失，通常伴随着神经、血管和肌腱的破坏，造成肌肉功能的永久性损伤。这类损伤常见于肢体的肌肉区域，例如由于高能量冲击或严重创伤后进行的手术切除和转移。与普通的肌肉再生过程不同，VML的病理机制更为复杂，其特点是肌组织的慢性损失、功能障碍以及长期的肌肉萎缩，这使得传统的治疗方法难以达到理想的修复效果。

在常规肌肉损伤中，肌肉组织可以通过一系列生理过程实现自我修复。例如，当肌肉受到损伤时，会启动一个短暂的炎症反应以清除细胞碎片，同时激活肌肉干细胞（即卫星细胞）来修复受损区域。在这一过程中，新生的肌纤维能够重新占据原有的空间，而血管和神经也会逐步恢复，以支持肌肉的再生与功能。然而，VML的病理过程则截然不同。在VML损伤后，由于组织的严重破坏，原有的基质层和细胞信号通路被破坏，导致无法实现有效的再生。此外，伤口部位的慢性炎症和纤维化现象进一步阻碍了修复过程，使得肌肉组织的再生能力受到严重影响。

为了应对VML带来的挑战，科学家们正在探索多种生物工程解决方案，其中**3D生物打印技术**成为最具前景的手段之一。3D生物打印能够精确地复制受损组织的结构和功能，为肌肉再生提供一个理想的微环境。通过将生物活性材料、细胞和生物分子集成到打印结构中，研究人员可以模拟天然肌肉组织的复杂结构，包括其机械特性、化学成分以及生物信号。这种技术不仅可以恢复肌肉质量，还可以重建肌肉的血管网络和神经连接，从而提高患者的运动能力和生活质量。

生物工程支架的设计与制造是VML治疗的核心环节。这些支架通常由可降解的多孔材料构成，为细胞的迁移、增殖和分化提供物理支持。支架的结构、材料以及功能化设计对于实现有效的肌肉再生至关重要。例如，某些支架通过引入特定的细胞结合肽（如RGD序列）来促进细胞的附着，而其他支架则通过控制其物理特性，如硬度和孔隙率，来调节细胞的行为。此外，生物支架还可能包含血管生成因子（如VEGF）和神经诱导因子，以促进组织的再生过程。

然而，尽管3D生物打印技术在VML治疗中展现出巨大的潜力，但其应用仍面临诸多挑战。首先，如何在支架中实现细胞的精确定位和组织的自然排列仍然是一个技术难题。例如，为了模拟肌肉组织的自然排列结构，需要在支架中构建具有特定方向性的微结构，这要求生物打印设备具备高精度的控制能力。其次，如何在打印过程中维持细胞的活性并确保其在支架中的存活率也是一个关键问题。由于细胞在打印过程中可能会受到剪切力或机械应力的影响，因此需要优化打印参数，以减少对细胞的损伤。

另一个挑战是实现大规模的支架制造，以满足人体尺寸的VML修复需求。在动物模型中，研究人员已经成功地打印了小型的肌肉支架，但要将其扩展到人体尺度，仍然需要克服制造速度和精度的限制。此外，如何在支架中实现血管网络的构建，以确保植入后的细胞能够获得足够的营养和氧气，也是研究的重点之一。对于VML患者而言，由于肌肉组织的广泛破坏，传统的血管化方式可能无法满足需求，因此需要开发新的方法，如使用可降解的“牺牲材料”来构建临时的血管通道，随后通过生物相容性材料填充，以形成稳定的血管网络。

除了物理结构的挑战，VML的治疗还需要考虑生物信号的调控。例如，如何在支架中引入特定的细胞因子和生长因子，以促进细胞的迁移、分化和功能恢复。此外，如何确保这些生物信号能够有效地与宿主组织整合，是实现长期功能恢复的关键。因此，生物支架的设计不仅要考虑其物理特性，还需要结合生物化学和生物力学信号，以模拟天然肌肉组织的复杂环境。

为了克服这些挑战，科学家们正在探索多种创新策略。例如，通过多材料打印技术，可以在支架中整合不同的生物活性成分，以实现更全面的肌肉修复。同时，利用生物相容性材料和先进的制造工艺，可以提高支架的机械强度和生物活性，使其更适用于人体应用。此外，结合生物打印与个性化医疗技术，研究人员能够根据患者的特定需求，定制化设计和制造支架，从而提高治疗效果。

尽管目前3D生物打印在VML治疗中的应用仍处于实验和临床研究的早期阶段，但已有初步成果表明其潜力。例如，通过3D生物打印技术制造的支架能够有效促进肌肉组织的再生，减少纤维化，并恢复肌肉的收缩功能。这些研究不仅为VML的治疗提供了新的思路，也为未来开发更高效、更安全的生物工程解决方案奠定了基础。随着技术的不断进步，3D生物打印有望成为治疗VML的重要工具，帮助患者恢复肌肉结构、功能和生活质量。