体外脊柱构建工程：制造设计与构建轴向机械生物学系统的新兴解决方案

人类脊柱是一个复杂且协调的生物力学系统。从生理学角度来看，其组织在功能和存活能力方面也具有高度的相互依赖性。机械应力与生物/生化活动随时间的相互作用，构成了脊柱退变的重要驱动力。迄今为止，对这一过程提供机制性见解的研究主要聚焦于单个组成部分（椎骨和椎间盘组织类似物），或将其作为孤立单元，或作为基本功能单元加以研究。然而，许多来自单个单元的观察结果无法外推至整个脊柱的行为。脊柱错综复杂的特性需要新型实验模型（合成型和生物型）；这些模型必须从器官层面考虑脊柱，并采用一种能够捕捉支配其功能之动态过程的整合性方法。在此，我们报告了一种仿生脊柱模型原型的开发。该原型可整合细胞，并被微型化至体外尺度，从而为轴向生物力学研究提供受控环境和测试平台。此处呈现的研究涵盖了十余年的系统性探索，在此期间，关键制造创新的逐步出现，使得应对一项极其复杂的生物工程挑战成为可能——器官型脊柱工程。 该模型包含完整解剖范围的脊柱椎骨/骨性结构（从C1至骶骨和尾骨），采用生物陶瓷材料加以复现，并按顺序组装成具有相关性的柱状架构，且通过具有生化活性的界面在机械上首尾相连。本文展示了一系列针对解剖学设计、材料行为和制造工艺的评估工作。该研究探讨了纵向机械生物学、多节段耦合以及利用自主材料与仪器开展制造策略等概念。该原型首次引入了柱状层级的行为以及研究时间依赖性适应能力的可能性。该模型之所以重要，是因为它能够支持组织成熟、力学性能演变和适应性行为，并且代表了从孤立骨骼组织模型迈向未来器官层级脊柱构建体之间的一个中间步骤。

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