【改变未来的科技】3D打印在器官芯片中的应用
整理：齐云龙
这是一篇科研笔记，介绍重庆医科大学附属第一医院骨科黄伟教授、雷一霆博士团队最近发表在“Mater Today Bio (IF: 10.2) 1 区期刊上”的综述文章“The role of 3D printing in skeletal muscle-on-a-chip models: Current applications and future potential（3D 打印在骨骼肌芯片模型中的作用：当前应用与未来潜力）”。
器官芯片（OoC）系统结合微流控、细胞培养和生物材料，可以模拟人类器官的关键功能。
3D 打印可以集成到这些技术中，以促进 OoC 模型的构建。3D 打印的高精度和逐层制造工艺不仅能够为微流控芯片构建复杂结构，而且还可以利用生物墨水进行 3D 生物打印，改善芯片内的细胞微环境。近年来，采用 3D 打印技术建立的 OoC 模型已成功复现了多种原生器官的功能，显著推动了疾病研究和药物开发。
然而，由于骨骼肌具有复杂的解剖结构和独特的生理功能，3D 打印在骨骼肌芯片（SMoC）模型中的应用仍然相对有限。
文章主旨
本文聚焦于3D打印技术如何革新“骨骼肌芯片”（SMoC）这一前沿生物医学模型的构建。骨骼肌芯片是一种在微型芯片上模拟人体骨骼肌结构和功能的实验室平台，旨在为研究肌肉疾病、测试新药和探索个性化治疗提供更精准、更人道的替代方案。3D打印技术凭借其“逐层构建”的高精度制造能力，为打造结构更复杂、功能更逼真的肌肉芯片提供了革命性的工具，是推动该领域发展的核心驱动力。
核心内容
1. 为什么需要骨骼肌芯片？
骨骼肌不仅是运动器官，还深度参与代谢、产热等关键生理过程。肌营养不良、渐冻症（ALS）、重症肌无力、肌炎和老年性肌少症等多种疾病会严重损害肌肉功能，极大影响患者生活质量。传统的研究方法，如动物实验，成本高昂、存在伦理争议，且因种属差异难以准确预测人体反应；而简单的平面细胞培养则无法模拟肌肉复杂的三维结构和微环境。骨骼肌芯片应运而生，它结合了微流控、细胞培养和生物材料技术，能在体外高度模拟真实肌肉，为攻克上述疾病提供强大平台。
2. 3D打印如何构建肌肉芯片？
3D打印在SMoC的构建中扮演着“全能工程师”的角色，其应用主要体现在三个方面：
打印芯片“骨架”：
可以使用硬质材料（如树脂）直接打印出承载细胞的微型管道和腔室，或先打印出模具，再用柔软、生物相容性好的材料（如PDMS）浇铸成型，形成最终的芯片结构。
打印“活体”肌肉组织：
通过“生物3D打印”，将活细胞与特制的“生物墨水”（如水凝胶）混合，直接打印出具有特定形状和细胞排列的肌肉组织。这不仅能打印肌肉细胞，还能同时打印血管内皮细胞、神经细胞等，构建出包含多种细胞类型的复杂微环境，更真实地模拟体内情况。
优化芯片功能：
3D打印能制造出带有微米级沟槽的表面，引导肌肉细胞整齐排列成束，这是肌肉产生力量的关键。此外，还能在芯片中集成微型传感器，实时监测肌肉的收缩力、代谢物浓度等生理指标。
3. 当前四大核心应用领域
基于3D打印的骨骼肌芯片，其应用已从基础研究拓展到多个前沿领域：
疾病建模：
这是最主要的应用。科学家已成功构建了模拟“肌营养不良”和“渐冻症”的芯片模型。通过在芯片上重现疾病的病理特征（如肌肉纤维萎缩、无力），研究人员可以深入探究疾病的发生机制。例如，有研究利用芯片模型发现，在模拟微重力的环境下，肌肉细胞中与收缩功能相关的基因表达会显著下调。
药物筛选与评估：
芯片提供了一个快速、经济的平台来测试新药效果和毒性。相比动物实验，它能更快地给出结果。例如，研究人员在芯片上验证了特定的细胞疗法对肌营养不良模型的修复作用，为临床前研究提供了有力支持。
遗传研究：
对于由基因突变引起的肌肉疾病（如杜氏肌营养不良），芯片模型提供了一个理想的“试验田”。研究人员可以利用基因编辑技术（如CRISPR）在芯片上的细胞中修复致病基因，并直接在模拟的生理环境中评估修复效果，大大加速了基因疗法的研发进程。
多器官联动研究：
更先进的芯片能将肌肉模型与神经、血管、肝脏或心脏等其他器官模型连接起来，通过微流控系统模拟它们之间的相互作用。例如，研究药物在作用于肌肉的同时，对肝脏产生的毒性，或研究神经信号如何精确控制肌肉收缩。这种“人体替身”系统能提供更全面的生理和病理信息。
图 . 3D 生物打印的类型和应用。 A. 3D 生物打印的示意图。 B. 主要的 3D 生物打印类型。 C. 3D 生物打印在组织工程修复中的应用。 D. 3D 生物打印在疾病模型构建和药物筛选中的应用。
图 。SMoC 的应用。A) SMoC 在疾病建模中的应用。B) SMoC 在药物筛选与评价中的应用。C) SMoC 用于遗传研究。D) SMoC 用于研究骨骼肌与其他器官的相互作用。
4. 未来挑战与突破方向
尽管前景广阔，3D打印骨骼肌芯片仍面临几大关键挑战：
精度与材料：
现有打印技术难以完美复制肌肉细胞纳米级的精细排列。打印材料的生物相容性、力学性能（如弹性、强度）仍需提升，以更好地模拟真实肌肉组织并支持长期培养。
功能复杂性：
如何让芯片上的肌肉像真肌肉一样产生有力的、协调的收缩，并与神经形成有效的“对话”（神经肌肉接头），仍是技术难点。目前对肌肉代谢、与免疫系统互动等复杂功能的模拟还不够完善。
评估体系：
需要开发更精密、标准化的工具和方法，来客观评估芯片模型在多大程度上“像”真实的人体肌肉，这是其被科学界和药企广泛采纳的前提。
未来，结合“4D打印”（打印出会随时间或环境如温度、电场而变形的智能材料）和人工智能（AI），骨骼肌芯片将变得更智能、更动态。AI可用于优化打印设计、预测组织行为、分析海量实验数据，从而加速研发进程。最终，这项技术有望成为个性化医疗和新药研发的核心引擎，为攻克肌肉疾病带来曙光。
图 。3D 打印骨骼肌芯片（SMoC）的挑战。(1) 打印性能：升级打印技术或整合多喷嘴系统可提高分辨率和速度，更高效地构建高精度 SMoC 结构。(2) 材料选择：开发具有增强生物相容性和机械性能的材料，更好地模拟骨骼肌微环境，同时支持可打印性。(3) 功能设计：整合动态模拟技术，实现多器官相互作用，这对于复制肌肉与其他系统（如神经和血管）之间的生理通讯至关重要。(4) 评估系统：引入更精确的检测和分析技术，可更有效地评估 SMoC 功能，并为研究提供可靠的数据支持。
文献链接：
Bao, Liu, Du, Liu, Liu, Zhu, Zhou, Li, Huang, Lei (2025) The role of 3D printing in skeletal muscle-on-a-chip models: Current applications and future potential. Mater Today Bio (IF: 10.2) 1 区 34 102222. http://dx.doi.org/10.1016/j.mtbio.2025.102222
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