基于CELLINK BioX6生物打印机的肌肉-肌腱连接结构仿生生物制造研究
2026-09-11 来源:本站 点击次数:88
导语
在软体生物混合机器人与组织工程研究领域，如何复刻天然肌肉 肌腱连接（MTJ），解决活体软组织与刚性组件力学不匹配、力传递效率低下、组织易断裂等痛点，一直是制约生物执行器走向实际应用的核心难题。苏黎世联邦理工学院的科研团队借助CELLINK BioX6 3D 生物打印机完成突破性研究，在《Science Advances》发表成果，实现仿生肌肉-肌腱单元（MTU）的多细胞生物打印，大幅提升生物执行器的收缩力输出与长期稳定性。
一、科研初衷：破解生物执行器力传递瓶颈
传统工程化骨骼肌组织（eSMT）构建的生物执行器，输出力偏弱；同时软组织与人工刚性部件之间存在显著机械不匹配，极易出现界面撕裂、力损耗严重的问题。天然体内的肌肉 肌腱连接处依靠指状交错嵌合结构分散应力，实现高效力传导，但体外很难复刻这种复杂异质组织界面。 本研究核心目的：利用3D生物打印技术，构建仿生肌肉 肌腱单元MTU，复现天然MTJ交错互锁结构；结合计算仿真完成几何构型优化，兼顾细胞共培养、组织成熟与力学性能，打造高力传递、可长期稳定工作的生物混合执行器，为软体机器人、再生医学、病理模型开发提供全新方案。
二、研究过程：多细胞共打印，仿生界面 + 仿真双轮驱动
图1. 用于高效生物驱动的工程化肌肉-肌腱单元（MTU）研究概述。(A) 作为生物制造目标的 MTJ 解剖结构示意图（上图），以及包含两个模拟肌腱组织作为锚定点的工程化肌肉-肌腱单元（MTU）的制造过程示意图（该单元在机器人系统中作为工程化软组织肌肉装置）（B）为模拟天然微管连接结构，采用基于挤出成型的多材料3D生物打印技术，将富含成纤维细胞和肌细胞的生物墨水以交错排列设计共打印，形成多层结构（上图）。该构建体在被动机械张力作用下可成熟为组织（下图）（C）该微管单元通过其生物学与力学特性进行表征（上图），并借助仿真进一步优化以最大化表面积、提升大型活性电子肌肉微管的产量（下图）（D）对微管单元进行测试，评估其动态生物驱动响应、稳定性、长期收缩性能、输出力及与合成组件相互作用时的力传递效率。
研究团队采用 C2C12 成肌细胞与 NIH/3T3 成纤维细胞共培养体系，设计两套差异化生物墨水：肌肉生物墨水适配成肌细胞生长分化，肌腱生物墨水具备更高刚度，用于模拟肌腱锚定结构。 借助CELLINK BioX6 3D 生物打印机多材料挤出打印能力，将两种载细胞生物墨水交替沉积，打印出具备指状交错互锁的肌肉 肌腱界面，模拟生理状态下 MTJ 嵌合结构；设备可精准控制打印温度、挤出压力，200 μm 规格喷嘴保障约 350 微米精细打印分辨率，实现肌肉区、界面区、肌腱锚定区一体化成型，同时保障打印全程无菌环境，保护细胞活性。 之后依托计算仿真开展几何参数扫描，对比紧凑型与稀疏桥接结构，筛选出四桥接稀疏型最优构型，增大功能性肌肉组织有效表面积。打印完成的构建体放置在成熟模板上，施加被动机械张力，历经增殖、分化两个阶段培养；后续开展组织学染色、力学压痕、拉伸断裂、电刺激收缩、光流运动分析、ELISA 分子检测等多维度表征，对比全肌肉对照组、无细胞肌腱对照组，验证共培养体系与仿生结构带来的性能增益。
三、重磅科研结果：高收缩力，长达 3 个月稳定工作
四、CELLINK BioX6 在本次科研中的关键价值
该前沿成果的实现离不开 BioX6 强大的多材料生物打印能力：
✅ 六打印头模块化系统，多材料同步挤出：可以同步加载肌肉、肌腱两套不同配方载细胞生物墨水，完成异质组织一体化成型，实现肌肉 肌腱交错互锁复杂界面的精准制造，这是复刻 MTJ 仿生结构的硬件基础BICO。
✅ 精准的工艺参数控制：温控打印平台、独立可调挤出压力，适配明胶甲基丙烯酰酯（GelMA）基水凝胶的打印需求，保障生物墨水挤出流畅，打印线宽稳定，同时保护细胞活性，打印后细胞存活率高。
✅ Clean Chamber 洁净腔室技术：HEPA 过滤 + UV C 紫外消杀，构建无菌打印环境，规避打印过程污染，为后续长达数月的细胞体外成熟培养筑牢前提CELLINK。
✅ 支持光交联工艺拓展：搭载多波段 UV 光固化模块，适配 GelMA 光敏水凝胶的原位交联，保障打印后三维结构快速定型，维持复杂三维几何形态。
BioX6 强大的兼容性，不仅支持本研究中肌肉 肌腱这类异质软组织模型，还广泛适用于器官芯片、类器官、肿瘤模型、血管化组织、培养肉等多种生物制造方向，助力全球科研人员攻克组织工程、生物混合机器人领域的诸多难题。
总结
这项发表于《Science Advances》的工作充分证明，借助CELLINK BioX6 多材料 3D 生物打印技术，可以成功制造兼具仿生界面、高力输出、长时稳定性的肌肉 肌腱生物执行器，打通生物混合机器人研发的关键制造环节。该方案同样对类器官构建、体外疾病模型、再生医学组织构建有重要参考价值。
上海迹亚国际商贸有限公司为 CELLINK 品牌国内授权经销商，可为国内高校、科研院所、企业提供 CELLINK 全系列生物打印机设备选型、技术方案、售后及配套支持，助力国内生物3D打印、生物混合机器人、组织工程相关科研项目落地与创新突破。
在软体生物混合机器人与组织工程研究领域，如何复刻天然肌肉 肌腱连接（MTJ），解决活体软组织与刚性组件力学不匹配、力传递效率低下、组织易断裂等痛点，一直是制约生物执行器走向实际应用的核心难题。苏黎世联邦理工学院的科研团队借助CELLINK BioX6 3D 生物打印机完成突破性研究，在《Science Advances》发表成果，实现仿生肌肉-肌腱单元（MTU）的多细胞生物打印，大幅提升生物执行器的收缩力输出与长期稳定性。
一、科研初衷：破解生物执行器力传递瓶颈
传统工程化骨骼肌组织（eSMT）构建的生物执行器，输出力偏弱；同时软组织与人工刚性部件之间存在显著机械不匹配，极易出现界面撕裂、力损耗严重的问题。天然体内的肌肉 肌腱连接处依靠指状交错嵌合结构分散应力，实现高效力传导，但体外很难复刻这种复杂异质组织界面。 本研究核心目的：利用3D生物打印技术，构建仿生肌肉 肌腱单元MTU，复现天然MTJ交错互锁结构；结合计算仿真完成几何构型优化，兼顾细胞共培养、组织成熟与力学性能，打造高力传递、可长期稳定工作的生物混合执行器，为软体机器人、再生医学、病理模型开发提供全新方案。
二、研究过程：多细胞共打印，仿生界面 + 仿真双轮驱动
研究团队采用 C2C12 成肌细胞与 NIH/3T3 成纤维细胞共培养体系，设计两套差异化生物墨水：肌肉生物墨水适配成肌细胞生长分化，肌腱生物墨水具备更高刚度，用于模拟肌腱锚定结构。 借助CELLINK BioX6 3D 生物打印机多材料挤出打印能力，将两种载细胞生物墨水交替沉积，打印出具备指状交错互锁的肌肉 肌腱界面，模拟生理状态下 MTJ 嵌合结构；设备可精准控制打印温度、挤出压力，200 μm 规格喷嘴保障约 350 微米精细打印分辨率，实现肌肉区、界面区、肌腱锚定区一体化成型，同时保障打印全程无菌环境，保护细胞活性。 之后依托计算仿真开展几何参数扫描，对比紧凑型与稀疏桥接结构，筛选出四桥接稀疏型最优构型，增大功能性肌肉组织有效表面积。打印完成的构建体放置在成熟模板上，施加被动机械张力，历经增殖、分化两个阶段培养；后续开展组织学染色、力学压痕、拉伸断裂、电刺激收缩、光流运动分析、ELISA 分子检测等多维度表征，对比全肌肉对照组、无细胞肌腱对照组，验证共培养体系与仿生结构带来的性能增益。
三、重磅科研结果：高收缩力，长达 3 个月稳定工作
- 组织仿生成熟：成纤维细胞可以有效阻挡成肌细胞向肌腱锚定区域迁移，实现肌肉（主动收缩）、肌腱（被动锚定）组织分区；界面高表达整合素 β1、层粘连蛋白、骨膜蛋白等 MTJ 特征蛋白，肌管融合指数、肌管宽度显著优于对照组，肌纤维沿张力轴有序排列，高度复刻体内肌肉 肌腱连接生物学特征。
- 力学梯度构建：打印得到的 MTU 形成天然刚度梯度，肌腱锚定区域杨氏模量约为肌肉区域 3.4 倍；交错互锁界面分散应力，拉伸测试中没有出现界面断裂失效。
- 力输出与耐久性突破：电刺激条件下最大收缩力可达350 μN，显著高于普通全肌肉构建体；该生物执行器可维持3 个月的收缩响应能力，远超多数同类系统 2 3 周的使用寿命，电刺激下可稳定产生形变，高效将肌肉收缩力传递到外部刚性组件。
四、CELLINK BioX6 在本次科研中的关键价值
该前沿成果的实现离不开 BioX6 强大的多材料生物打印能力：
✅ 六打印头模块化系统，多材料同步挤出：可以同步加载肌肉、肌腱两套不同配方载细胞生物墨水，完成异质组织一体化成型，实现肌肉 肌腱交错互锁复杂界面的精准制造，这是复刻 MTJ 仿生结构的硬件基础BICO。
✅ 精准的工艺参数控制：温控打印平台、独立可调挤出压力，适配明胶甲基丙烯酰酯（GelMA）基水凝胶的打印需求，保障生物墨水挤出流畅，打印线宽稳定，同时保护细胞活性，打印后细胞存活率高。
✅ Clean Chamber 洁净腔室技术：HEPA 过滤 + UV C 紫外消杀，构建无菌打印环境，规避打印过程污染，为后续长达数月的细胞体外成熟培养筑牢前提CELLINK。
✅ 支持光交联工艺拓展：搭载多波段 UV 光固化模块，适配 GelMA 光敏水凝胶的原位交联，保障打印后三维结构快速定型，维持复杂三维几何形态。
BioX6 强大的兼容性，不仅支持本研究中肌肉 肌腱这类异质软组织模型，还广泛适用于器官芯片、类器官、肿瘤模型、血管化组织、培养肉等多种生物制造方向，助力全球科研人员攻克组织工程、生物混合机器人领域的诸多难题。
总结
这项发表于《Science Advances》的工作充分证明，借助CELLINK BioX6 多材料 3D 生物打印技术，可以成功制造兼具仿生界面、高力输出、长时稳定性的肌肉 肌腱生物执行器，打通生物混合机器人研发的关键制造环节。该方案同样对类器官构建、体外疾病模型、再生医学组织构建有重要参考价值。
上海迹亚国际商贸有限公司为 CELLINK 品牌国内授权经销商，可为国内高校、科研院所、企业提供 CELLINK 全系列生物打印机设备选型、技术方案、售后及配套支持，助力国内生物3D打印、生物混合机器人、组织工程相关科研项目落地与创新突破。
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