三维生物打印蛋白质-多糖复合生物墨水构建仿生肌肉组织修复体积性肌肉缺损

本研究针对体积性肌肉缺损(VML)修复难题，开发了甲基纤维素(MC)-海藻酸钠(Alg)-明胶(Gel)三元复合生物墨水，通过离子/酶双重交联策略实现高细胞活性与结构稳定性。该研究创新性地结合蛋白质的生物活性与多糖的机械性能，成功构建具有肌管分化能力的仿生肌肉组织，在小鼠VML模型中证实其功能再生潜力，为肌肉组织工程提供了新型材料解决方案。

　　

肌肉组织作为人体最大的器官系统，承担着运动、呼吸等关键生理功能。然而当创伤或手术导致肌肉缺损超过20%时，便会引发体积性肌肉缺损(VML)——这种不可自愈的损伤严重影响患者生活质量。传统组织工程支架往往难以同时满足结构支撑与生物活性的双重需求，而三维生物打印技术通过精确堆叠细胞-材料复合物（即生物墨水），为构建仿生肌肉组织带来了新希望。

SASTRA Deemed University的研究团队在《Carbohydrate Polymers》发表的研究中，创新性地开发了甲基纤维素(MC)-海藻酸钠(Alg)-明胶(Gel)三元复合生物墨水系统。该研究通过流变学分析优化材料配比，采用钙离子(Ca²⁺)和微生物转谷氨酰胺酶(mTG)双重交联策略，成功构建了支持肌细胞(C2C12)增殖分化的三维结构。动物实验证实，该生物打印肌肉组织构建物(BMTCs)能有效促进小鼠VML模型的功能恢复。

关键技术包括：1) 流变学测试确定4%MC-5%Gel-2%Alg最佳配比；2) 离子/酶双重交联优化；3) C2C12细胞的三维生物打印；4) 体外肌管分化评估；5) 小鼠VML模型的体内功能验证。

【Bioink characterization】
流变学测试显示4MC–5Gel–2Alg复合体系具有理想的剪切稀化行为（粘度从10⁴ Pa·s降至10¹ Pa·s）和温度响应性（凝胶点32°C）。添加2%Alg使储能模量(G')提升3倍，确保打印结构的自支撑性。

【Crosslinking optimization】
双重交联策略中，100mM CaCl₂实现Alg快速凝胶化，5U/mL mTG通过谷氨酰胺-赖氨酸交联稳定Gel网络。该组合使压缩模量达12±2 kPa，接近天然肌肉力学性能(8-17 kPa)。

【Cellular response】
打印7天后，C2C12细胞存活率>90%，肌球蛋白重链(MHC)表达量较单交联组提高2.3倍。21天时形成多核肌管（长度>200μm），证实生物活性保持能力。

【In vivo evaluation】
小鼠胫前肌VML模型显示，植入组8周后肌力恢复达健侧的78%，显著高于空白组(45%)。组织学证实新生肌纤维与宿主组织整合，纤维化面积减少60%。

该研究突破性地解决了传统生物墨水机械强度与生物活性不可兼得的矛盾：MC提供临时支撑并增强孔隙率，Alg赋予即时结构稳定性，Gel则通过RGD序列促进细胞行为。双重交联策略不仅延长了体内降解周期（>8周），还通过模拟肌肉细胞外基质(ECM)的力学-生化双重微环境，有效引导肌源性分化。这种"蛋白质-多糖"复合设计理念为复杂组织工程提供了普适性方案，其临床转化将显著改善肌肉缺损患者的康复预后。