科学网—Advanced Science：3 D生物打印新进展：力学微环境引导肌肉骨骼组织定向形成-Wiley开放科研的博文

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2026-7-21 09:27

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研究人员开发了一种力学可调的生物打印平台，可通过改变支撑浴的力学性能，调控微组织构建体的几何形态、细胞分化表型和胶原纤维排列，并构建具有不同结构特征的关节软骨、半月板和韧带样组织。

该研究由都柏林圣三一学院Francesca D. Spagnuolo、Gabriela S. Kronemberger和Daniel J. Kelly共同完成，圣三一学院组织工程学讲席教授Daniel Kelly表示：“该技术打通了大规模细胞培养与先进3D打印技术结合的路径，可制备多种移植补片用于再生医学。”

随着人类寿命延长，软骨等肌肉骨骼组织相关疾病愈发高发，采用可复刻目标组织结构与组分的3D生物打印移植物，能够优化修复效果，有望减少甚至避免全关节置换等创伤性更强的外科手术。”

无可回避：组织工程面临的诸多难题

人体肌肉骨骼系统为关节提供力学支撑与稳定性，保障躯体正常活动。该系统发生退行性病变会引发骨关节炎与肌少症。肌肉骨骼系统疾病会损害行动能力，是全球致残最主要诱因。

组织工程旨在体外培育组织与器官，用于治疗肌肉骨骼相关疾病，替换因创伤或病变受损的组织。想要实现这一目标，必须高度复刻组织天然发育的环境条件。在机体天然发育过程中，各类组织相互伴生，彼此提供力学结构与牵拉力。这类物理因素会影响组织发育进程，甚至决定最终分化形成的组织类型。

但实验室环境下仅能单独构建单一组织，细胞无法获得与人体发育阶段胞外理化、力学环境一致的支撑体系。因此现有技术难以复刻体内原生的组织结构、排布模式、组分构成与细胞间相互作用。

此外，现有常规手段一般是将细胞接种至支架材料中诱导组织生长。这类方法无法培育出多种所需组织类型，且生成产物不具备维持生理功能必需的复杂胶原网络。最终制备的人工组织与人体原生组织差异较大，临床应用价值有限。

另一项难点是制备符合临床应用尺寸的组织。Kelly解释道：“大量细胞聚集体拼接后，中心区域细胞常会出现营养与氧气供给不足，进而受损甚至凋亡。”

都柏林圣三一学院的科研团队针对上述难点开展研究，依托3D打印等技术搭建全新方案，最大程度模拟天然发育过程，用于再生医学组织构建。

可调节支撑浴：精准调控组织结构排布

研究团队首先打印细胞团，细胞团相互融合形成由多个微组织构成的丝状结构，作为构建大块组织的“生物基础单元”。打印过程中明胶可临时固定细胞团位置，后续明胶溶解，微组织即可互相融合。随后将细胞打印至甲基丙烯酰化黄原胶制成的支撑浴内部，由支撑浴为微组织提供力学支撑。

Kelly解释：“好比往碗里挤融化的巧克力，空碗会让巧克力摊开塌陷，但如果碗内填满打发奶油，挤注头可以在奶油内部移动，喷头移动时，周围支撑材料的局部流动性暂时增加，使喷头能够顺利通过；喷头移开后，材料迅速恢复支撑状态，将打印结构固定在预定位置。”

研究人员系统调节了支撑浴的浓度和力学性能，发现不同刚度会对打印丝束形态、细胞力学感知、微组织融合和胶原纤维排列产生不同影响。较软环境更有利于软骨样分化，而较硬环境则促进纤维化相关表型和胶原纤维定向排列。研究人员意外发现，仅通过调节支撑浴的硬度，就能控制打印产物的形态、排布方式以及肌肉骨骼组织分化表型。

Kelly表示：“简单来说，我们可以对活体基础单元塑形，并诱导其定向分化为目标组织。而组织结构排布的可控性，是构建具备生理功能人工组织的核心关键。”

这套全新生物打印平台搭配“支撑浴”体系，能够为细胞成熟与有序排布提供必需力学信号，既可以实现微组织相互融合，还能精细化调控细胞分化与结构成型。

该研究是生物打印与新型组织工程领域的重要突破，但此类人工组织投入临床使用仍存在诸多待解决问题。例如本次研究中丝状微组织无法完全融合，课题组表示将在后续优化工作中解决该问题。后续研究目标还包括实现支撑浴材料随组织生长可控降解，同时解决组织内部营养输送问题。

Daniel Kelly指出：“本研究以及领域内其他相关工作，让利用患者自体细胞修复组织损伤的疗法更进一步。未来有望诞生更多个性化、疗效更佳的再生治疗方案。”

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参考文献：F. D. Spagnuolo, Bioprinting of Microtissues Within Mechanically Tunable Support Baths to Engineer Anisotropic Musculoskeletal Tissues, Advanced Science (2026), DOI: 10.1002/advs.202509313

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