骨骼肌作为人体的重要组成部分，大约占据了人体总重量的40%。其独特的魅力不仅源于高度有序的微观结构，更体现在其宏观的3D结构特征上。这种微观与宏观的完美结合，共同赋予了骨骼肌卓越的生理功能。然而，对于复杂的骨骼肌结构，单一的组织工程技术在同时构建纳米和微米尺寸特征时面临巨大挑战。

近日，南方医科大学吴耀彬教授课题组在《Advanced Fiber Materials》上发表了题为“3D Printing-Electrospinning Hybrid Nanofibrous Scaffold as LEGO-Like Bricks for Modular Assembling Skeletal Muscle-on-a-Chip Functional Platform”的最新研究成果。该研究巧妙地结合了3D打印与静电纺丝技术，创造出一种双尺度的骨骼肌支架模块。这些模块不仅具有微观与宏观的双重结构，而且通过灵活的组装方式，能够模拟出多种不同的肌肉组织形态。（图1）。

图1 模块化组装的功能化骨骼肌芯片示意图

在这项研究中，3D打印技术被用来构建微米级的框架，为整个结构提供宏观的形状与强度；而静电纺丝技术则在这些框架上编织出纳米级的细节。这种双尺度的构建方式使得宏观结构与内部纳米特征设计相互独立，极大提升了模块制作的灵活性和多样性。（图2）。

图 2 双尺度支架的制备过程：3D打印-静电纺丝-包裹聚多巴胺。

受LEGO积木的启发，研究团队将复杂的骨骼肌解构为一系列简单的模块。通过x-y轴的组合，这些模块可以模拟出腹直肌、多羽肌和轮匝肌等多种复杂的肌肉结构（图3）。实验验证表明，原代骨骼肌细胞在支架上展现出与纳米地形高度一致的取向生长特性，这得益于纳米地形的精确诱导。

图3 双尺度支架通过x-y轴拼接模拟多种肌肉形状：腹直肌，多羽肌，轮匝肌。

此外，通过z轴的堆叠，这些支架模块还能模拟出生理骨骼肌的多层并排的肌束结构。进一步地，通过包裹载有内皮细胞的应力松弛凝胶并施加灌注刺激，研究团队成功构建出了血管化的3D骨骼肌组织（图4）。随后，这些工程化的骨骼肌组织在模块化芯片中接受了灌注刺激实验（图5）和电刺激实验（图6），均表现出显著的响应，充分证明了其作为体外实验平台的巨大潜力。

图4 双尺度支架通过z-轴堆叠和包裹内皮凝胶来制备血管化3D骨骼肌

图5 模块化骨骼肌芯片研究灌注对于支架内部血管化的影响。

图 6 模块化骨骼肌芯片更换叉指电极模块实现电刺激功能。

这项研究巧妙地融合了3D打印与静电纺丝技术的优势，成功实现了对骨骼肌复杂宏观与微观结构的精准还原。这一创新方法也为其他组织工程中的仿生构建提供了新的思路，不仅降低了实验操作的复杂性和难度，更展现出广泛的应用前景。

论文链接：

https://link.springer.com/article/10.1007/s42765-024-00433-5