器官芯片（OoC）是一种在微流控芯片上构建的微型人体器官模型，可模拟器官级生理与病理反应。2025年7月7日，美国食品药品监督管理局（FDA）召开专题研讨会，聚焦“减少动物实验”。会议释放明确信号：在提交新药或生物制品申请时，可优先采纳OoC等非动物实验数据，以支持安全性与有效性评价。这一动向被视为OoC技术在药物研发领域战略地位的显著跃升，或将深刻影响未来的监管框架与产业实践。

3D打印技术凭借“逐层堆积、一体成型”的优势，为复杂微生理系统的快速构建提供了关键工具。2025年8月26日，重庆医科大学黄伟、包微、雷一霆团队联合香港中文大学李中、周良彬团队在Materials Today Bio上发表综述文章“The role of 3D printing in skeletal muscle-on-a-chip models: Current applications and future potential”，系统回顾了3D打印在骨骼肌器官芯片（SMoC）构建中的作用、现有应用及未来挑战。

一、为什么骨骼肌需要“芯片化”  

1. 结构复杂：肌外膜-肌束膜-肌内膜多级结缔组织包裹；肌纤维内肌原纤维与肌节排列高度有序；毛细血管、神经元、卫星细胞与免疫细胞共同组成微环境。  

2. 功能多样：机械收缩、代谢产热、内分泌调控、力学感知。  

3. 疾病谱广：遗传性（Duchenne型肌营养不良）、神经源性（肌萎缩侧索硬化症）、自身免疫性（重症肌无力）、炎症性（多发性肌炎）、增龄性（肌少症）等。  

传统二维培养缺乏三维排列与力学刺激；动物模型存在种属差异及伦理限制，因此SMoC应运而生。

二、3D打印如何“打印”一块肌肉  

1. 芯片支架——先定“房子”  

   • 工业级打印：熔融沉积建模（FDM）低成本快速打样；光刻（SLA）或数字光处理（DLP）提供适合微通道、锚定柱、电极插槽的精细结构。

   • 模具复刻：先用刚性光敏树脂打印阳模，再用聚二甲基硅氧烷（PDMS）倒模，兼顾柔性与生物惰性，可批量复制。  

   • 动态接口：在打印阶段预埋电极、光纤或应变传感器，实现后续电刺激与力学监测一体化。  

2. 生物墨水——再配“混凝土”  

   • 基体材料：甲基丙烯酰化明胶（GelMA）、聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）、胶原、纤维蛋白、脱细胞基质水凝胶，可调节弹性模量匹配骨骼肌发育需求。  

   • 功能添加：导电聚合物或金纳米线用于电信号传导；温敏或光敏基团赋予4D形变能力；RGD或层粘连蛋白肽段提高细胞黏附。  

   • 多相墨水：同轴打印实现“外鞘-内芯”结构，外层提供力学支撑，内层包埋肌母细胞与内皮祖细胞，模拟血管化肌束。  

3. 细胞排布——再布“房间”  

   • 共打印：同轴或并列喷头一次性沉积肌母细胞、神经元、内皮细胞与成纤维细胞，实现多细胞精准分区。  

   • 定向诱导：微通道顶部预置微电极阵列，打印完成后施加脉冲电场，驱动肌母细胞沿电场方向融合形成多核肌管。  

   • 神经-肌肉接头：在芯片一端打印神经球，另一端打印肌纤维束，微隧道仅允许轴突通过，形成可药物阻断的神经-肌肉接头（NMJ）模型。

4. 动态培养——再通“水电”  

   • 电刺激：方波脉冲促进肌管成熟并维持收缩表型。  

   • 机械拉伸：两侧锚定柱连接线性马达，提供拉伸-回缩循环，模拟日常运动负荷。  

   • 氧梯度：3D打印的氧气可渗透膜将芯片分为常氧区与缺氧区，研究缺血-再灌注损伤。  

   • 多传感：集成电化学微电极实时监测乳酸、葡萄糖、氧分压；荧光寿命成像（FLIM）追踪烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）动态，评估代谢状态。

三、应用全景扫描  

1. 疾病模型：通过不同来源的肌母细胞、神经元与免疫细胞共培养，SMoC已能在体外再现遗传、神经源性、自身免疫及增龄性骨骼肌疾病的典型病理特征。  

2. 药物筛选与毒性评价：平台可模拟药物在骨骼肌中的疗效与脱靶毒性，支持先导化合物优化、联合用药策略及早筛淘汰。  

3. 遗传与环境互作研究：结合基因编辑、缺氧或微重力刺激，芯片用于解析特定基因、力学或代谢因子对肌纤维表型的调控机制。  

4. 多器官耦合：骨骼肌与骨、神经、血管、肝脏等芯片串联，系统性评估肌肉疾病对远端器官的影响及全身药代-药效关系。

图1. 3D打印技术在器官芯片中的整合与应用

四、技术瓶颈与下一步  

1. 打印分辨率：现有光固化生物打印分辨率仍不足以复现肌节级别精细结构。  

2. 材料成熟度：高弹性、高导电、可降解且符合GMP标准的墨水体系稀缺；长期培养后的力学稳定性需验证。  

3. 功能验证标准：肌力输出、电生理信号、代谢通量尚无行业统一基准，导致实验室间数据难以横向比较。  

4. 规模化与成本控制：多喷头阵列打印可提高通量，但喷头堵塞、细胞损伤及无菌操作仍是产业化障碍。  

5. 法规与伦理：FDA虽接受器官芯片数据，但对打印过程可追溯性、材料批次一致性、细胞来源合规性提出更高要求。

五、未来展望  

1. 4D打印：温度或pH触发的形状记忆水凝胶将在芯片内实现“自卷曲”肌纤维束，模拟肌肉损伤后的自修复过程。  

2. AI闭环优化：深度学习算法实时采集收缩视频、代谢曲线与转录组数据，自动调整打印路径、刺激参数与培养基配方。  

3. 多器官-多尺度耦合：骨骼肌-骨-关节芯片与循环免疫细胞在线共培养，构建完整“运动单元”；进一步接入肝脏芯片，研究运动代谢产物对全身的影响。  

4. 个性化医疗：基于患者MRI数据逆向建模，打印与其解剖学匹配的肌纤维排列角度，实现“一人一芯片”的精准治疗评估。

重庆医科大学的包微副主任医师、刘俊彦硕士、杜承城博士为该文章的共同第一作者；重庆医科大学附属第一医院的黄伟主任、雷一霆主治医师和香港中文大学的李中教授、周良彬博士后为该文章的共同通讯作者。该研究得到了重庆市科卫联合面上项目（2025MSXM019）等资助。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/unsupported_browser