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1. 文章导读

当前，载细胞生物打印技术在分辨率与结构微环境调控方面仍存在局限。近日，西安交通大学贺健康教授、孟子捷助理教授团队创新性地将生物静电（EHD）打印技术与纤维蛋白-海藻酸钠水凝胶墨水相结合，实现了高精度细胞打印。该墨水体系在电场作用下能够原位形成定向排列的微纳米纤维结构，有效引导肌肉细胞沿打印方向定向生长，显著促进了肌细胞分化及体内肌肉组织的再生与修复。相关研究成果以“Electrohydrodynamic bioprinting-induced orientation of cell-laden fibrin-alginate hydrogel for highly-aligned skeletal muscle constructs”为题，发表于SCI期刊《极端制造（英文）》。

图1 图片摘要。

2. 图文解析

创新亮点

本研究的核心创新在于利用EHD打印过程中的电场力，诱导载细胞纤维蛋白-海藻酸钠复合水凝胶（RAF）发生原位取向，形成可引导细胞定向生长的微纳级纤维结构，从而构建出具有明确取向的活性肌肉组织。

微纳纤维结构取向的形成

传统挤出打印获得的RAF凝胶束表面呈随机、无序的微纳纤维分布；而在施加电压后，RAF水凝胶丝表面逐渐形成均匀取向的纤维结构。这些纳米纤维沿打印方向取向排列并相互连接，构成了微/纳尺度连续的定向纤维蛋白网络（图2）。

通过有限元仿真分析发现，施加电压后，RAF墨水在电场力、表面张力与粘滞力的共同作用下，于针尖处形成泰勒锥。纤维蛋白原聚集体在该区域受到压力与剪切作用，沿挤出方向拉伸，从而在水凝胶丝内部原位形成定向排列的微纳纤维结构（图3）。

图2 EHD打印诱导纤维蛋白微纳纤维在RAF水凝胶微丝中定向排列。

图3 EHD打印诱导纤维蛋白取向的机理分析。

细胞与微纳纤维的相互作用

为进一步探究成肌细胞与RAF水凝胶中纤维蛋白纳米纤维的相互作用，研究团队采用荧光标记技术：纤维蛋白标记为红色，成肌细胞标记为绿色。结果显示，在常规挤出打印条件下，纤维蛋白纳米纤维呈均匀分散状态，排列无序，导致细胞生长缺乏方向性（图4）。而在静电打印条件下，纤维蛋白纳米纤维呈现各向异性聚集，细胞沿定向纤维逐步伸展、排列有序。

  电活性微环境的构建  

为模拟生理电微环境，研究团队在生物墨水中引入了导电聚合物PEDOT:PSS，构建出具有导电性能的RAF/P仿生水凝胶体系。该体系进一步促进了肌管细胞的定向排列与分化成熟（图5）。

图4 EHD打印的RAF水凝胶中，定向纤维蛋白原微纳纤维引导肌肉细胞沿打印路径生长。

图5 EHD生物打印电活性肌肉组织促进肌肉细胞的肌源性分化。

体内修复效果

体内植入实验表明，EHD打印构建的定向RAF结构能够为肌肉再生提供有利的微环境；而PEDOT:PSS赋予的导电特性则可进一步促进肌肉功能的重建，为大体积肌肉缺损的修复提供了具有潜力的新策略（图6）。

图6 EHD生物打印定向活性组织修复大体积肌肉缺损。

4. 总结与展望

本研究提出了一种基于EHD生物打印的新策略，通过电场力诱导纤维蛋白-海藻酸钠水凝胶发生原位取向，进而引导细胞定向生长，成功构建出定向的骨骼肌组织。动物实验证实，植入后该结构能有效促进肌肉再生并恢复肌肉功能。本研究发展的纤维蛋白-海藻酸钠水凝胶EHD生物打印平台，利用打印过程中原位形成的定向微纳纤维蛋白网络作为细胞引导结构线索，为体外构建具有精确细胞取向的活性组织提供了通用、高效的技术途径，在肌肉组织工程及相关再生医学领域具有广阔的应用前景。