3D打印基于磁响应光固化弹性复合材料的定向仿生支架构建人工骨骼肌

Developing biomaterials for matching the mechanical properties of skeletal muscle tissue and fabricating biomimetic scaffolds for guiding skeletal muscle cells 3D alignment and myogenic differentiation plays important roles in muscle repair and regeneration, while it remains an ongoing challenge. Our previous studies have demonstrated that a list of synthetic elastic polymers based on poly (glycerol sebacate) (PGS) showed the ability to enhance myoblast proliferation and differentiation, and additionally a nanofiber/hydrogel hybrid scaffold has been developed for guiding 3D aligned myogenic differentiation. This project aims to synthesize a magnetic photocurable composite elastomer based on PGS and magnetic nanoparticles (MNPs) for matching the mechanical properties of skeletal muscle tissue, and further fabricate 3D scaffolds mimicking the muscle tissue aligned structure by 3D bioprinting technique. The effects of these biomimetic scaffolds on enhancing 3D myoblast alignment, elongation, and differentiation under the magnetic controlled stretching stimulus will be investigated, and the mechanisms of 3D myogenic differentiation will be identified. This study will provide new methods and ideas to develop 3D printed aligned biomimetic scaffolds based on novel functional biomaterials for skeletal muscle repair and regeneration applications.

如何合成与骨骼肌力学性能相匹配的生物材料、并将其制备成模拟骨骼肌结构的仿生支架促进成肌细胞的三维定向生长与分化，是骨骼肌组织构建的一个难点。申请人前期研究发现基于聚癸二酸甘油酯（PGS）所合成的弹性聚合物对成肌分化有很好促进效果，并基于静电纺丝技术构建了促进成肌细胞三维定向生长的纳米纤维/水凝胶复合仿生支架。本项目拟基于PGS及纳米磁性颗粒合成出与骨骼肌机械性能相匹配的磁响应光固化弹性复合生物材料，进一步结合生物3D打印技术将其制备成模拟骨骼肌取向结构的三维仿生支架。同时利用磁场控制对仿生支架进行非接触式机械拉伸刺激，用于诱导成肌细胞的三维定向生长及成肌分化的研究，并阐明促进三维定向成肌分化的主要影响条件和相关调控参数。为骨骼肌三维仿生支架的构建提供新手段，为3D打印技术与仿生材料的结合在人工骨骼肌组织构建中的应用提供新思路。

合成与骨骼肌力学性能相匹配的柔性生物材料，并采用高效生物制备方法构建骨骼肌仿生支架仍具不少瓶颈问题亟待解决。如何诱导成肌细胞三维定向生长和分化，更是构建工程化肌组织的关键步骤。本项目基于生物可降解高分子主链，通过接枝、嵌段等方式合成了一系列生物相容性良好、力学性能与肌组织匹配的光固化柔性生物材料，主要包括基于聚癸二酸甘油酯（PGS）合成的光固化弹性聚酯、应力松弛光固化水凝胶、磁控取向光固化生物墨水、光固化纤维素纳米纤维生物墨水等。研究结果表明这些柔性光固化生物材料在促进成肌细胞的三维取向生长、成肌分化等方面具有显著作用。这一系列柔性光固化生物材料的研发为生物3D打印工程化骨骼肌组织所需生物墨水提供了必备的材料基础。此外，本项目针对肌组织三维仿生结构的特点，并分析现有生物打印技术的不足之处，研发了肌组织生物打印专用的直写成型式3D打印及凝胶介质支撑悬浮生物打印等新工艺，创新性地解决了柔性生物材料因力学性能弱而无法保持打印结构完整和稳定的难题，实现了柔性生物墨水3D打印骨骼肌复杂三维各向异性结构的突破。同时，通过对骨骼肌生物力学特性进行分析，基于磁控拉伸原理研制了两种调控肌组织成熟分化的力学刺激培养装置。最后，本项目基于所开发的柔性生物材料及生物3D打印新工艺，构建了一系列三维取向骨骼肌仿生支架，并将仿生支架用于大面积骨骼肌缺损动物模型的体内修复效果验证，从骨骼肌结构修复及生理功能恢复等多个维度对肌损伤修复效果进行系统性评价。本项目相关研究成果已授权4项国家发明专利及2项实用新型专利，并在Advanced Functional Materials、Biomaterials、Acta Biomaterialia等国际顶级期刊发表SCI论文8篇。本项目的这些研究成果为面向肌组织修复的柔性光固化生物材料的设计及合成提供了新思路，为3D打印骨骼肌仿生支架及人工骨骼肌组织体外构建提供了新手段，为骨骼肌损伤修复的临床研究提供理论基础。