仿生肌肉-肌腱复合体的三维生物打印及其在生物驱动器中力学性能优化与力传递增强研究

本研究针对生物混合驱动器因组织界面力传递效率低导致的输出力受限问题，通过三维生物打印构建具有仿生肌-腱交界(MTJ)结构的肌肉-肌腱单元(MTU)。研究人员采用C2C12成肌细胞与NIH/3T3成纤维细胞共培养体系，优化生物墨水配方并设计交错界面结构，实现350 μN收缩力输出及3个月稳定收缩功能，为生物机器人提供高效力传递新策略。

　　

在生物混合机器人领域，如何让工程化骨骼肌组织(eSMT)像天然肌肉一样高效工作一直是重大挑战。虽然活体肌肉组织能通过电刺激产生精确运动，但现有生物驱动器的力输出仅为天然肌肉的千分之一，且力传递效率低下。问题的核心在于缺乏类似天然肌-腱交界(MTJ)的特殊界面——这个由肌肉纤维与肌腱形成的"指状交错"结构，能通过增加接触面积分散收缩应力。传统方法使用刚性合成材料作为肌腱替代物，导致机械性能不匹配、界面易断裂，严重制约了生物驱动器的实际应用。

为突破这一瓶颈，研究人员在《SCIENCE ADVANCES》发表创新研究，通过多材料挤出式三维生物打印技术，构建了具有仿生MTJ结构的肌肉-肌腱单元(MTU)。该体系将C2C12成肌细胞与NIH/3T3成纤维细胞分别包埋于不同力学特性的生物墨水中，形成具有三层结构的线性组装体：两端为肌腱模拟锚定部，中央为肌肉驱动部。关键技术包括：优化含明胶甲基丙烯酰(GelMA)和纤维蛋白原的生物墨水配方；设计交错式界面打印路径实现350 μm分辨率；建立被动机械张力培养系统促进组织成熟；结合光学流分析和图像减法技术量化收缩动力学；通过微压痕测试和循环拉伸评估界面稳定性。

生物打印MTU的结构仿生性

通过交替沉积肌肉与肌腱生物墨水形成交错界面，打印线宽控制在371.5±86.5 μm（肌肉）和377.4±80.6 μm（肌腱）。Live/Dead染色显示打印2天后细胞存活率达90%以上，组织切片显示15天后形成直径25.8±3.1 μm的多核肌管，沿构造纵轴定向排列。

模拟驱动的设计优化

有限元分析表明，增加中央肌桥数量（4桥设计）并减小直径可使变形量最大化。稀疏设计的有效收缩组织表面积比致密结构增加77%，但肌管排列角度偏差增大15.6°，显示张力分布需进一步优化。

组织成熟特征

与纯肌细胞构建体相比，MTU的肌管融合指数提高62%（21.5±5.6 vs 13.3±4.4），MTJ标志蛋白（整合素β1、层粘连蛋白、桩蛋白、骨膜蛋白）表达量增加2-3倍。IL-6分泌检测证实共培养体系促进肌生成分化，培养11天时细胞因子释放量较对照组增加1.7倍。

收缩性能与动态特性

光学流分析显示稀疏MTU在1 Hz电刺激下产生2.5×10^-4±1.4 J/m³的收缩动能，显著高于致密结构。钙成像证实电信号传导主要局限在肌肉区域，锚定部仅见零星活动，证明成纤维细胞有效阻断了肌细胞迁移。

力学性能与界面稳定性

微压痕测试显示肌腱区域杨氏模量(158.9±78.9 kPa)是肌肉区(47.23±34.3 kPa)的3.4倍，形成渐进式刚度梯度。拉伸测试中MTU承受23.9±3.7 mN断裂力，且所有断裂均发生在锚定部连接处，证实界面稳定性。

力输出与传递

直接力测量显示MTU最大输出350 μN，单位面积力(6 μN/mm²)较文献报道的环形生物驱动器提高2.4倍。约束状态下可产生200 μm支柱位移，非约束状态运动速度达650 μm/min，功能稳定性维持3个月。

该研究通过仿生设计和力学优化，首次实现具有长期收缩功能的生物打印MTU，解决了生物驱动器力传递效率低的核心问题。其创新性体现在：建立双细胞共培养打印体系，实现活性肌腱的力学梯度构建；开发交错界面打印策略，使界面稳定性提升300%；证实成纤维细胞可通过物理阻隔和基质重塑双重机制维持组织区室化。这些突破为开发能完成负重任务的下一代生物混合机器人奠定基础，同时在肌肉再生医学和药物测试模型等领域具有重要转化价值。未来通过整合灌注系统、人类源细胞和更高分辨率打印技术，有望进一步提升力输出至临床应用所需范围。