생체인공근육공학의 최근 동향과 배양육, 생체로봇 시스템 및 바이오하이브리드 임플란트에 적용

커뮤니케이션 생물학 5권, 기사 번호: 737(2022) 이 기사 인용

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최근 조직 공학 및 생체 제작 기술의 발전으로 수많은 생물학적 조직이 탄생했습니다. 이 중에서 생체인공근육 공학은 탁월한 다양성과 광범위한 응용 분야가 돋보입니다. 식품 산업부터 기술 부문, 의학에 이르기까지 이 조직의 개발은 다양한 산업에 동시에 영향을 미칠 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 그러나 현재까지 배양육의 생체 제조, 생체 로봇 시스템 및 생체 인공 근육 이식은 여전히 ​​개별 동료 그룹에 의해 분리되어 고려되고 있습니다. 공통점을 확립하고 발전을 공유하기 위해 이 검토에서는 근육 조직 생성을 위한 응용 분야별 요구 사항을 간략하게 설명하고 일반적으로 사용되는 생체 제조 전략 및 현재 응용 추세에 대한 포괄적인 개요를 제공합니다. 개인의 과제를 해결하고 다양한 전문지식을 융합함으로써 미래에는 세 산업 모두에서 서로 영감을 주는 시너지적 혁신의 도약을 기대할 수 있습니다.

최근 10년 동안 근육 조직의 인공 생체 제작이 큰 관심을 끌었습니다. 예를 들어 배양육1, 바이오로봇 시스템2, 재생 의학의 바이오하이브리드 임플란트3 또는 질병 모델링4과 같은 다양한 적용 가능성으로 인해 이 연구 분야의 인기는 꾸준히 증가했습니다.

이 기사는 처음 세 가지 응용 분야에 대한 근육 조직 생산에 전념하는 최근의 생체 제작 전략에 대한 포괄적인 개요를 제공합니다(그림 1a). 최신 성공 사례가 강조되고 비판적으로 논의됩니다.

근육 조직의 생체 제작은 배양 고기155(Kang et al(CC BY 4.0)의 배양 스테이크에 대한 섬유질 근육, 지방 및 혈관 조직의 조립)부터 생체 로봇 시스템(참조 2 참조)에 이르기까지 다양한 적용을 가능하게 합니다. AAAS의 허가) 바이오하이브리드 임플란트3(흉강봉동맥의 가슴 분지는 Liu 등(CC BY 4.0)에 의해 대흉근 아래에서 확인되었습니다). 이 검토는 가장 중요한 세포 및 재료별 요구 사항과 전용 생체 제조 전략에 대한 포괄적인 개요를 제공합니다(참고 문헌 22,148(Schäfer et al.의 연구 개념, 실험 절차, 목표 및 전망에 대한 도식적 그림)에서 수정됨). (CC BY 4.0))) 세 가지 적용 분야 각각에 대해 설명합니다. 배양육, 바이오로봇 시스템, 바이오인공 근육 임플란트의 바이오제조는 지금까지 대부분 독립적으로 연구되어 왔지만, 기술 융합은 예상치 못한 혁신을 불러일으키고 미래 트렌드를 결정할 것입니다. 최근 발표된 바이오로봇 시스템과 바이오하이브리드 임플란트의 조합은 앞으로 있을 일에 대한 획기적인 포인터입니다(b, Srinivasan 및 동료의 적용153(Springer Nature Limited의 허가를 받아 재인쇄됨: Nature Biomedical Engineering, A 피부 기계신경 인터페이스 for 신경보철 피드백) , Srinivasan 외, 저작권 2021).

근육은 근모세포 및 위성 세포와 같은 근육 세포 90%와 섬유아세포 및 지방세포 10%로 구성된 혈관이 있고 신경이 분포된 조직입니다5. 섬유아세포와 지방세포는 대량으로 발생하지만 근육 세포는 화학적, 기계적 및 전기적 단서6,7의 영향을 받는 융합된 길쭉한 다핵 근관의 성숙 과정에서 형성된 정렬된 근섬유가 있는 계층적 구조로 구성됩니다. 골격근 조직은 주로 콜라겐(Col) 유형 I 및 III8,9로 구성된 세포외 기질(ECM)에 내장되어 있습니다. 근육 조직의 인공 생산은 전처리, 제조 및 성숙의 세 단계로 구성된 일반적으로 알려진 생체 제작 과정을 따릅니다. 먼저, 3차원(3D) 디자인과 필요한 비계 재료가 정의됩니다. 다음으로, 세포와 물질이 조립되어 조직 전구체를 형성합니다. 세포 시딩11,12, 하이드로겔 캐스팅13,14 또는 3D 바이오프린팅15,16,17과 같은 일반적으로 알려진 생체 제조 방법이 일상적으로 적용됩니다. 궁극적으로 조직 전구체는 성숙 단계를 거칩니다. 근육 제조에서 이 단계는 조직의 생물학적, 기계적 기능을 결정하기 때문에 특히 관련성이 있습니다6,7,18.