7.2.2 生物材料在人骨骼肌类器官构建中的应用
与体内的多数软组织不同，骨骼肌的结构高度组织化，肌纤维的定向排列、与肌腱等相邻组织的有序连接都是构建功能性3D骨骼肌时所必须考虑的重要指标。因此，除了通过经典的自组织方法来制备类器官外，为了引导其中的肌源性细胞排列和融合形成高度定向分布的成熟肌纤维结构，引入生物材料为细胞的有序生长提供方向指引的物理因素，使细胞与生物材料相结合形成有序结构是构建骨骼肌类器官的重要途径。这种物理因素既可以是对生物材料本身赋予高度定向对齐的物理结构，引导结合其上的肌细胞取向排列［12-14］，也可以是通过锚点固定的方式模拟骨骼肌通过肌腱固定在骨骼上产生的定向拉伸牵引力，引导细胞在力的作用下沿着锚点间连线的方向实现排列和生长［11，15］。依据材料的特性，利用适合的构建方式，可以为肌源性及非肌源性细胞提供仿生微环境，引导细胞分化、迁移、排列及融合形成复合的3D骨骼肌类器官。
目前已经开发出多种用于骨骼肌3D构建的生物材料，这些生物材料作为支架，模拟和重现天然骨骼肌组织中细胞外基质（extracellular matrix，ECM）的3D环境，为细胞的分化、生长、排列和融合等提供物理拓扑结构和化学微环境。这些支架材料按照其来源的不同，主要分为取材于天然组织的天然高分子材料以及人工合成高分子材料。
1.天然高分子材料
取材自动物组织的天然高分子材料在化学成分上更接近细胞体内生长的真实微环境，具备良好的生物活性，一般不需要额外地再向支架材料中引入其他生物活性因子。这些天然高分子材料既包括一些组分单一、明确的材料，例如明胶、胶原和纤维蛋白等［14，16，17］，也包括一些多组分的复合材料，例如商品化的基底膜ECM凝胶Matrigel、Geltrex［11，18］、由肌肉及其他健康组织得到的脱细胞类材料［19-21］，以及由人血小板裂解液得到的凝胶类材料等［22］。天然高分子材料也可与合成材料联用。其中，人工合成高分子材料因其机械性能易于调控且易于加工制造，常在组织工程支架中用于构建具有导向性的结构，或者为本身机械性能较弱以及降解速率较快的天然凝胶类材料提供机械支撑或延缓降解的功能［12，13，23，24］。
2.合成高分子材料
合成高分子材料由于其分子结构可以自由地设计和改变，因而其物理性能可以在很大范围内自主调控，从而可以满足多种需求。合成高分子材料基本为生物惰性，虽然可以通过与分子链上的活性基团反应再引入其他生物活性分子，但更多的时候是利用其为本身机械性能较弱的天然高分子水凝胶类材料提供力学增强或机械支撑的功能。同时，合成高分子的生物惰性特性也使得它可以应用于多种条件较为严苛的加工手段，例如热熔后的模具浇铸和3D挤出打印，有机溶剂中不同温度条件下的热致相分离成型等，而不用考虑加热或有机溶剂处理过程可能对材料本身生物活性造成的不利影响。基于以上特性，合成高分子材料在各种组织工程支架中都得到了广泛的应用。(https://www.daowen.com)
在骨骼肌类器官制备中，主要是利用其易加工的特性，通过各种加工方式模拟天然肌肉ECM定向排列的物理结构，或者为天然高分子的水凝胶材料提供固定的锚点，从而为肌纤维的定向排列提供物理导向。目前常用的构建定向物理结构的加工方式主要包括3种：热拉伸、3D打印和静电纺丝。
常规的脂肪族聚酯类高分子，例如聚乳酸（polylactic acid，PLA），聚乳酸-羟基乙酸共聚物［poly（lactic-co-glycolic acid），PLGA］，聚己内酯（polycaprolactone，PCL），聚三亚甲基碳酸酯（poly trimethylene carbonate，PTMC）等，因为其具有良好的生物相容性、可生物降解性、易加工、性质可调控等优点而广泛应用于多种组织工程支架［25-27］。
3D打印作为一种个性化定制结构的成熟加工方式，其打印的方式可以根据材料的性能或细胞打印的需求进行匹配性调整，例如适用于光交联材料的激光、紫外光（UV）或可见光打印，适用于低温成型材料的低温接收打印，或者生物墨水负载细胞的直接打印再成型。合成高分子材料与3D打印相结合，在骨骼肌类器官制备中的应用主要包括直接打印构建具有平行拓扑结构的支架，以及打印支撑性结构为其他凝胶类材料提供固定支撑。例如，热塑性聚氨酯和聚氨酯脲共聚物（thermoplastic polyurethane，TPU）是由交替的硬段和软段组成的线型大分子，可以通过选择合适的软硬段组分及其质量比，为特定的应用需求定制调控其性能，同时其本身具有良好的生物相容性，从而被应用于骨骼肌类器官支架的3D打印［13］。
用于制备3D骨骼肌类器官的生物材料通常需要模拟骨骼肌ECM的纳米纤维结构。静电纺丝技术作为现有的制备纳米纤维结构最常用、最便捷的技术之一，常用于各种支架的构建［24，28］。通过改变和设计电纺丝的接收方式，可以制备有序排列的纳米纤维支架。利用静电纺丝聚氨酯共聚物，可制备具有良好弹性、与骨骼肌的拓扑结构和生理刚度相匹配的定向排列纳米纤维支架，这一支架可以有效地引导小鼠成肌细胞系C2C12细胞以及人源的iPSCs诱导形成的成肌细胞前体细胞分化、排列和融合形成平行排列的肌纤维。将纳米纤维片悬浮在定制的丙烯酸微孔装置上，可以充分发挥聚合物的超弹性特性，实现纳米纤维和人源iPSCs衍生肌纤维的协同收缩，从而形成集成的混合肌肉结构［24］。
虽然堆叠法与经典的通过自组织的方式形成类器官的定义有所不同，但是相较于自组织形成的类器官，通过将种子细胞和生物材料相结合，可更好地模拟体内骨骼肌的3D结构和力学刺激，形成的3D骨骼肌具有更有序的结构、更强的力学性质和更成熟的功能。