《Cyborg and Bionic Systems》：Skeletal Muscle Tissue Engineering: From Tissue Regeneration to Biorobotics
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本文綜述骨骼肌組織工程（SMTE）的進展，涵蓋支架設計、細胞來源、外部理化信號及生物反應器技術，探討其與機器人學的協同，如機器人系統提升生物反應器性能、開發融合工程肌肉的生物混合裝置，展現跨學科在修復與創新技術的潛力。
骨骼肌結構與功能
骨骼肌是復雜的 3D 組織，占人體重量 40% 以上，通過肌動蛋白和肌球蛋白絲相互作用產生收縮力。其結構包括肌外膜、肌束膜等，具有高度血管化和神經支配特點。衛星細胞賦予骨骼肌強大再生能力， regeneration 過程分為退化炎癥、再生、重塑成熟階段，但大面積肌肉損失（如體積性肌肉丟失 VML）需干預。
傳統骨骼肌組織工程
支架
支架需具備生物相容性、可降解性等特性，材料包括合成聚合物（如 PCL、PLGA、PEGDA）、天然聚合物（如纖維蛋白、膠原蛋白、藻酸鹽）及脫細胞細胞外基質（dECM）。制造技術如靜電紡絲、3D 生物打印等影響支架結構和性能。
細胞類型
衛星細胞是理想種子細胞，但提取侵入性強。間充質干細胞（MSCs）、胚胎干細胞（ESCs）、誘導多能干細胞（iPSCs）等也被研究，各有優勢與挑戰，如 iPSCs 存在致瘤性風險。此外，共培養系統（如與巨噬細胞、成纖維細胞、運動神經元）可模擬體內環境。
外部刺激
- 機械刺激：包括底物硬度、拉伸、剪切應力等，影響細胞分化和肌管成熟，如 8-17 kPa 硬度促進肌節排列。
- 電刺激：可增強肌生成和收縮功能，接觸式電極存在弊端，非接觸式技術逐步發展。
- 生物化學刺激：胰島素樣生長因子 - 1（IGF-1）等生長因子促進細胞增殖和分化。
- 其他刺激：磁刺激可促進肌肉再生和組織工程，聯合刺激策略逐漸興起。
生物反應器系統
生物反應器需提供可控環境，包括靜態、動態（攪拌式、旋轉壁式、灌注式）及柔性生物反應器。柔性系統可模擬多軸應力，促進組織成熟，但存在泄漏和傳感挑戰。
傳統方法的替代方案
包括無支架（細胞直接注射、細胞片層）、無細胞（原位組織工程）、體內組織工程及類器官與器官芯片（OoCs），后者在藥物發現和微機器人領域有應用潛力。
臨床轉化挑戰
血管化、神經支配、免疫排斥是主要障礙，監管和成本問題也亟待解決。
高級機器人與肌肉組織工程
應用于 SMTE 的先進機器人
傳統生物反應器機械刺激單一，先進系統如計算機控制生物反應器、氣動軟體機器人可模擬復雜應力。人形機器人（如 “Eccerobot”“Kenshiro”）作為生物反應器平臺，可提供生理相關機械環境，促進組織工程。
SMTE 在機器人學中的應用
- 仿生人工肌肉：模仿骨骼肌結構和功能，如多絲致動器、自生長水凝膠，提升機器人運動能力。
- 生物混合機器人：利用工程肌肉作為執行器，包括 2D 和 3D 系統，可實現抓取、行走、游泳等功能，控制方式包括電、光、磁、化學和神經接口。
局限性與未來展望
血管化和神經支配是 SMTE 和生物機器人共同挑戰，細胞來源（如昆蟲肌肉細胞）和長期體外培養策略需進一步研究�？鐚W科合作將推動生物混合機器人和個性化組織移植物等領域發展。
