研究人員使用3D打印皮膚來治療各種類型的傷口

來源：CPPC增材制造專委會

賓夕法尼亞州立大學的研究人員宣稱，成功利用臨床獲得的人體組織，通過3D打印技術在實驗鼠身上修復了顱頜面（CMF）損傷。傳統(tǒng)的自體移植和皮瓣手術存在諸多問題，如疤痕、美觀性差等，因此迫切需要新的重建方法。這項研究為組織工程皮膚的應用提供了新的替代方案，為CMF全層皮膚缺損重建領域帶來了新希望。

△研究人員使用3D打印皮膚來閉合傷口的路徑圖，這項技術可能會對精確重建皮膚的臨床轉化產生重大影響

今年二月，美國專利商標局授予該團隊在研究中開發(fā)和使用生物打印技術的專利。賓夕法尼亞州立大學工程科學與力學、生物醫(yī)學工程和神經外科教授Ibrahim T. Ozbolat表示：“傳統(tǒng)上，用于糾正因受傷或疾病而造成的面部或頭部創(chuàng)傷的重建手術通常并不完美，會導致疤痕或永久性脫發(fā)。通過這項工作，我們證明了生物3D打印的全層皮膚具有在老鼠身上生長毛發(fā)的潛力。這距離實現(xiàn)更自然、更美觀的人類頭部和面部重建又近了一步。”

△這項研究結果已發(fā)表在《生物活性材料》雜志上，題目為“人脂肪干細胞和細胞外基質的術中生物打印，在全層顱頜面皮膚重建過程中誘導毛囊樣向下生長和脂肪組織形成”

3D打印更有效地治療各種類型的傷口

科學家之前已經對薄層皮膚進行了3D生物打印，但Ozbolat及其團隊是第一個在術中打印多個皮膚層（包括最底層或皮下組織）的完整生命系統(tǒng)的人。術中指的是在手術期間打印組織的能力，這意味著該方法可用于更立即、無縫地修復受損皮膚。頂層（作為可見皮膚的表皮）在中間層的支撐下自行形成，因此不需要打印。皮下組織由結締組織和脂肪組成，為頭骨提供結構和支撐。

Ozbolat解釋說：“皮下組織直接參與干細胞變成脂肪的過程。這個過程對于包括傷口愈合在內的幾個重要過程至關重要。它還在毛囊循環(huán)中發(fā)揮作用，特別是促進頭發(fā)生長。”

△賓夕法尼亞州立大學博士后研究員Miji Yeo檢查3D打印機上的生物墨盒，該打印機專為術中打印皮膚層而開發(fā)

研究人員首先從賓夕法尼亞州立大學健康米爾頓·赫爾希醫(yī)療中心接受手術的患者身上獲取人體脂肪組織。合作者Dino J. Ravnic是賓夕法尼亞州立大學醫(yī)學院整形外科系的外科副教授，他帶領他的實驗室獲得了用于提取細胞外基質的脂肪。細胞外基質是分子和蛋白質的網(wǎng)絡，為細胞提供結構和穩(wěn)定性。組織是制造生物墨水的一種成分。

Ravnic的團隊還從脂肪組織中獲得了干細胞，如果提供正確的環(huán)境，干細胞有可能成熟為幾種不同的細胞類型，從而制造另一種生物墨水成分。每個組件都被加載到生物打印機的三個隔室之一中。第三個隔室充滿了凝血溶液，有助于其他成分正確地結合到受傷部位。

Ozbolat說：“這三個隔室使我們能夠在精確控制下共同打印基質-纖維蛋白原混合物和干細胞。我們直接打印到受傷部位，目標是形成皮下組織，這有助于傷口愈合、毛囊生成和溫度調節(jié)等。”

研究人員獲得了皮下組織和真皮層，表皮在兩周內自行形成。

Ozbolat說：“我們在實驗鼠身上進行了三組研究，以更好地了解脂肪基質的作用，我們發(fā)現(xiàn)基質和干細胞的共同傳遞對于皮下組織的形成至關重要。它不能僅對細胞或基質有效地起作用，而且必須是同時起作用。”

△用于全層皮膚重建的術中生物打�。↖OB）

誘導毛囊樣向下生

這項研究還發(fā)現(xiàn)皮下組織含有絨毛生，這是早期毛囊形成的初始階段。研究人員表示，雖然脂肪細胞不直接參與毛囊的細胞結構，但它們參與毛囊的調節(jié)和維護。

Ozbolat說：在這項工作中，脂肪細胞可能改變了細胞外基質，使其更有利于向下生長的形成。我們正在努力推進這一目標，以控制密度、方向性和生長的方式使毛囊成熟。”

創(chuàng)傷或患病部位如果無法精確地支持毛發(fā)的生長，會限制自然重建手術的效果。Ozbolat表示，這項工作提供了一條充滿希望的前進道路，特別是與他實驗室的其它項目相結合，包括打印骨骼和研究如何匹配各種膚色的色素沉著。

他強調：“我們相信這可以應用于皮膚科、毛發(fā)移植以及整形和重建手術，它可以帶來更加美觀的結果。憑借全自動生物打印能力和臨床級兼容材料，這項技術可能會對精確重建皮膚的臨床轉化產生重大影響�！�