西安交通大学贺健康教授团队提出了一种三喷头连续混合生物打印（CHB）策略：将电流体动力学微纤维打印与挤出式生物打印同步耦合，在“动态上升且导电”的生物墨水集电面上连续沉积PCL微纤维、牺牲明胶与载细胞纤维蛋白水凝胶，快速构建厘米级高度、孔隙有序、力学各向异性且细胞高度取向的微纤维增强活体肌肉组织。相关成果以“Consecutive Hybrid Bioprinting of Microfiber-Reinforced Living Muscle Constructs with Highly-Aligned Cellular Organizations”为题发表在《Advanced Materials》期刊上。

亮点：创新性与突破

1、连续混合打印架构，厘米级一体成形：提出三喷头“连续混合生物打印”，把EHD微纤维打印与挤出式生物打印真正做到同步耦合；以“动态上升且导电”的生物墨水为集电面，保证EHD在增高过程中的稳定沉积，首次实现PCL微纤维/牺牲明胶/载细胞纤维蛋白的同层协同构建，快速获得厘米级高度、孔隙有序、纤维角度可编程的活体组织。

2、可编程各向异性力学，接近原生骨骼肌：利用微纤维栅格精准调控丝束取向与层间角度，构建显著各向异性的复合体。纵/横向模量可被调到接近原生骨骼肌水平；同时微纤维网络抑制整体收缩但允许横截面定向收缩，驱动纤维蛋白束发生各向异性重构，兼顾宏观结构稳定与微观重塑能力。

3、高取向、高成熟的肌生成微环境与解剖级复刻：去除牺牲明胶后形成平行纤维蛋白丝束，提供强取向微环境。细胞在48小时即达高取向率，随后形成更粗更长、融合度更高的肌管，并显著上调MyoG、Myh1/2/4等肌生成基因。工艺还能按需实现层层定向或环向对齐，复刻眼轮匝肌、胸大肌等复杂三维解剖取向，拓展了功能性肌组织构建的适用边界。

WHAT：研究内容

本文提出“三喷头连续混合生物打印”策略，将EHD微纤维打印与挤出式生物打印同步耦合：在“动态上升且导电”的生物墨水集电面上，同步沉积PCL微纤维、牺牲明胶与载细胞纤维蛋白水凝胶，快速得到厘米级高度、孔隙有序且可编程各向异性的活体肌肉复合体。去除牺牲明胶后形成平行纤维蛋白丝束，微纤维栅格既抑制整体收缩，又诱发横截面定向收缩与各向异性重构，促使肌母细胞沿打印轨迹高度取向；48小时即实现较高取向率，并在分化期形成更粗、更长、融合度更高的肌管，肌生成相关基因显著上调。通过调控微纤维图案与层间角度，复合体的纵/横向模量可调至接近原生骨骼肌，兼顾结构稳定与功能成熟。此外，CHB可实现层层定向或环向对齐，复刻胸大肌、眼轮匝肌等复杂三维取向。该方法突破传统单一工艺的堆叠高度与力学受限问题，为构建具有解剖级取向与功能潜力的肌组织提供了高效通用的制造路径。

图1 CHB用于微纤维增强的活体复合肌肉结构

WHY：研究背景与意义

骨骼肌具有高度束状取向与显著力学各向异性，大体积肌缺损临床多依赖自体移植，来源有限且功能重建不理想。传统挤出/光固化打印难以在厘米尺度同时实现孔隙有序、力学支撑与细胞高取向，且构建体易整体收缩，限制肌管成熟与功能化。为破解“结构—力学—细胞”三难题，该研究提出将EHD微纤维打印与挤出式生物打印连续耦合的CHB策略，在动态导电集电面上协同沉积PCL微纤维、牺牲模板与载细胞纤维蛋白，兼顾宏观高度、各向异性力学和微观取向诱导。该方法使构建体的纵/横向模量接近原生肌肉并显著促进肌生成，为解剖级肌组织制造与个体化再生治疗提供通用而高效的技术路径。

HOW：研究方法

研究团队通过以下方法实现了这一创新：

1、连续混合打印平台搭建：EHD喷头沉积PCL微纤维，挤出喷头同步沉积牺牲明胶与载细胞纤维蛋白/纤维蛋白原生物墨水；以“动态上升且导电”的生物墨水面作集电极，联调EHD电压/喷距/流量与挤出层高/速度，实现同层协同构建与厘米级堆叠稳定性。

2、微结构编程与模板移除：通过设定微纤维栅格角度、层数与间距，编程获得孔隙有序、各向异性可调的增强框架；打印完成后温控/溶解去除牺牲明胶，形成平行取向的纤维蛋白丝束与贯通孔道，保留细胞友好微环境并抑制整体收缩。

3、结构—力学表征与各向异性评估：采用显微/断层成像与统计分析定量孔径、丝束取向与层间角度；沿纵/横向进行拉伸/压缩与流变学测试，计算弹性模量与储能模量，建立微纤维图案—构建体各向异性力学之间的可调映射关系。

4、细胞培养与肌生成评估：将C2C12等肌源细胞嵌入纤维蛋白基生物墨水，在取向支架中培养与诱导分化；通过Live/Dead与形态学定量（取向率、肌管长度/直径、融合指数）及免/基因检测评估早期取向与后期肌生成成熟，并与无微纤维或非对齐对照比较。

解决方案：技术优势

1、工艺级突破：同步耦合、厘米级一体成形。“三喷头连续混合生物打印”把EHD微纤维打印与挤出式生物打印真正同步，利用“动态上升且导电”的生物墨水作集电面，保证长程稳定沉积，快速构建厘米级高度、孔隙有序且图案可编程的活体组织，显著提升制造通量与复杂度上限。

2、结构—力学协同：各向异性可调，接近原生肌。可通过微纤维栅格的角度与层数精确调控纵/横向模量与孔隙架构，形成显著各向异性并抑制整体收缩，同时允许丝束横截面定向重构；所得纵/横向力学性能可调至逼近原生骨骼肌，兼顾宏观稳定性与微观可重塑性。

3、细胞与功能优势：高取向促成熟，解剖级可复刻。去除牺牲模板后形成平行纤维蛋白丝束，快速诱导肌母细胞高取向与高融合，肌管更粗更长，肌生成基因显著上调；打印轨迹可层层定向或环向对齐，支持胸大肌、眼轮匝肌等复杂解剖取向复刻，具备良好的通用性与扩展潜力。

结论：未来展望

该研究表明，三喷头连续混合生物打印可在厘米尺度同步构建“PCL微纤维骨架—牺牲模板—载细胞纤维蛋白”复合体，获得孔隙有序、力学各向异性接近原生肌的活体组织，并显著提升肌母细胞取向、融合与肌管成熟，验证了“结构—力学—细胞行为”一体化设计的有效性。展望未来，亟需由C2C12过渡到人源/原代肌细胞乃至iPSC来源细胞，联用内皮/施万细胞与可灌注通道实现血管化与神经化；通过材料学优化与生物反应器电—机械训练，提升收缩力与长期功能整合；在大体积肌缺损大动物模型评估免疫相容性与生物力学恢复；推动该通用工艺走向临床可转化的功能性肌组织构建。

文章来源：https://doi.org/10.1002/adma.202510222