在生物醫(yī)學工程領域，科學家們一直在探索如何更有效地修復人體組織。通過3D打印技術實現(xiàn)人體組織的模擬和再生，被視為一種極具潛力的解決方案。3D打印技術以其高精度、可定制化和材料多樣性等特點，為生物醫(yī)學工程領域帶來了革命性的變化。

最近，來自浙江大學謝志堅、賀永團隊設計開發(fā)了一種仿生皮膚，包括利用近場直寫技術（MEW）制備的PCL膜片，GelMA和HAMA調配的GH凝膠和負載富血小板血漿（PRP）的HAMA凝膠。通過結構仿生和生理仿生，利用時空調控促進了大面積傷口的早期愈合。通過構建了大鼠皮膚缺損傷口模型評估了該仿生皮膚的體內治療效果。

相關研究成果以“A Spatiotemporal Controllable Biomimetic Skin for Accelerating Wound Repair”為題于2024年2月22日發(fā)表在《Small》上，論文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202310556。

        

        圖1 仿生皮膚的的組成和功能示意圖

1.向心性PCL膜作為表皮提供力量并促進細胞分化

考慮到從外圍到中心的自然傷口愈合過程，設計了一種具有向心力學指數(shù)的膜來引導細胞遷移。MEW技術用于打印這種模擬皮膚角質層的多尺度拓撲膜。該膜由用于細胞附著的無序致密纖維（≈10μm）、提供向心力學指數(shù)的向心輻條纖維 （50μm） 和用于封裝和縫合力的圓周框架纖維 （500μm） 組成。

PCL膜片制備過程及最終產物如圖2A.B所示。通過拉伸應力應變實驗證具有圓周框架的PCL膜片表現(xiàn)出良好機械性能（圖2.C）。利用人永生化角質細胞進行生物學實驗，證實了內部存在向心性輻條的PCL膜片能夠促進細胞黏附、引導細胞遷移和促進細胞分化（圖2.D-H）。

        

        圖2  PCL膜片的物理表征和生物學功能探索

2.GH水凝膠作為真皮層攜帶和釋放細胞

在通常持續(xù) 3-5 天的炎癥反應期間，生物材料需要保護它們攜帶的細胞。當外周環(huán)境變溫和時，即在炎癥期結束時，生物材料應及時降解以釋放細胞，防止阻礙其生長和功能。GelMA作為GH水凝膠的主要成分，其質地柔軟且易降解。少量HAMA與GelMA混合可減緩GH水凝膠的降解，增強其機械強度（圖3.A）。   

調配多種濃度的GH凝膠進行物理表征（圖3.B-D）。隨著HAMA濃度的增加，GH凝膠的機械強度增加，溶脹曲線無明顯差異，但是降解時間呈明顯不同。5% GelMA+0.25% HAMA凝膠在第四天時開始快速降解，并于第七天時降解完畢，與傷口修復時炎癥期的時間點基本符合，因此作為GH凝膠終選濃度。并且通過實驗證實其良好的生物相容性（圖3.E, F）。

        

        圖3 GH凝膠的物理表征和生物學功能探索

3.HP水凝膠作為皮下組織層滋養(yǎng)細胞并促進其遷移  

在材料植入后的初始階段，雖然水凝膠可以減少炎癥物質對細胞的影響，但它也阻礙了營養(yǎng)吸收，減緩了細胞增殖。因此，使用HP凝膠持續(xù)滋養(yǎng)細胞（圖4A）。HAMA是透明質酸的一種改良形式，在傷口中緩慢降解。當與PRP結合時，釋放出有益的生物活性因子。HP凝膠不僅在早期作為細胞增殖的營養(yǎng)來源，而且在后期作為細胞遷移的興奮劑。   

調配多種濃度的HP凝膠進行物理表征（圖4.B-D）。隨著HAMA濃度的增加，HP凝膠的機械強度增加，溶脹減小，降解變慢。表皮生長因子（EGF）作為釋放指標進行緩釋實驗，證實5%HAMA + 20%PRP 釋放因子速率穩(wěn)定且合適，故以此濃度作為后續(xù)HP凝膠的濃度。通過用凝膠共培養(yǎng)細胞來評估HP凝膠對細胞增殖和遷移的影響，并最終證實HP凝膠促進角質形成細胞的增殖和遷移（圖4.E-J）。

        

        圖4 HP凝膠的物理表征和生物學功能探索

4.仿生皮膚具有內部協(xié)同效應

仿生皮膚采用逐層鑄造構建，其中GH凝膠層嵌入PCL膜片，通過物理嵌合的方式穩(wěn)定結合。接下來，GH和HP凝膠在405 nm光的激發(fā)下，在兩者的表面產生C═C雙鍵使之緊密結合。該仿生皮膚使細胞能夠同時接受PCL膜和PRP的刺激：PCL膜促進細胞粘附和分化，而HP水凝膠促進細胞增殖和遷移（圖5.A）。   

建立了四組進行比較：僅具有 GH 水凝膠的空白組 （Blank）、包含 GH 水凝膠和 HP 水凝膠的對照組 （GHP）、由 PCL 膜和 GH 水凝膠組成的另一個對照組 （PCL） 以及具有完整皮膚結構的實驗組 （MS）。仿生皮膚同樣具有良好的機械強度（圖5.B）。生物學實驗中仿生皮膚保留了向心性PCL膜片和HP凝膠的功能，且二者同時存在時，相關基因、蛋白呈現(xiàn)顯著性高表達（圖5.C-G）。結果證實了，PCL膜和HP凝膠在仿生皮膚內具有協(xié)同作用，二者相互放大了彼此的生物學效應，同時保留了各自的功能。這種協(xié)同作用確保了仿生皮膚作為一個整體發(fā)揮更全面的作用。

        

        圖5 仿生皮膚的物理表征和生物學功能探索

        

        圖6 仿生皮膚促進傷口愈合的體內實驗評估

5.仿生皮膚促進傷口修復體內實驗

使用大鼠的全層皮膚缺陷模型在體內評估仿生皮膚的功效（圖6.A, B）。通過將PCL膜的外框縫合到傷口邊緣周圍的正常皮膚上，將完整的仿生皮膚與身體結合在一起。缺損區(qū)與仿生皮膚的直徑差異使PCL膜在早期持續(xù)拉伸周圍皮膚，并通過縫合的預張力加速傷口閉合。同時，水凝膠不斷釋放生物刺激以促進組織再生。因此，仿生皮膚通過結合機械和生物機制促進傷口閉合和修復。   

利用H&E和Masson染色進行組織學評估（圖 6.C-F）。MS組顯著促進肉芽組織再生，加速了膠原蛋白沉積，促進了傷口的修復。免疫熒光染色也證實了MS組具有最快的血管化和再上皮化進程（圖7）。

        

        圖7 體內實驗的免疫熒光染色結果

綜上，這項研究設計開發(fā)了一種PCL/GelMA/HAMA/PRP仿生皮膚。通過模擬皮膚結構和傷口修復的生理過程，仿生皮膚有效地促進了傷口的早期閉合和快速愈合。在傷口修復的初始階段，仿生皮膚的膜框架通過預張力幫助傷口閉合，同時細胞在水凝膠內增殖。隨著時間的推移，框架逐漸降解，細胞從水凝膠中釋放并沿著殘留的膜遷移。整個過程中，皮下層水凝膠持續(xù)釋放細胞因子，確保傷口得到全面的營養(yǎng)供給。這項研究不僅為皮膚損傷的治療提供了新的解決方案，也為組織再生工程開辟了新的可能性。

文章來源： EFL生物3D打印與生物制造

在生物醫(yī)學工程領域，科學家們一直在探索如何更有效地修復人體組織。通過3D打印技術實現(xiàn)人體組織的模擬和再生，被視為一種極具潛力的解決方案。3D打印技術以其高精度、可定制化和材料多樣性等特點，為生物醫(yī)學工程領域帶來了革命性的變化。

最近，來自浙江大學謝志堅、賀永團隊設計開發(fā)了一種仿生皮膚，包括利用近場直寫技術（MEW）制備的PCL膜片，GelMA和HAMA調配的GH凝膠和負載富血小板血漿（PRP）的HAMA凝膠。通過結構仿生和生理仿生，利用時空調控促進了大面積傷口的早期愈合。通過構建了大鼠皮膚缺損傷口模型評估了該仿生皮膚的體內治療效果。

相關研究成果以“A Spatiotemporal Controllable Biomimetic Skin for Accelerating Wound Repair”為題于2024年2月22日發(fā)表在《Small》上，論文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202310556。

        

        圖1 仿生皮膚的的組成和功能示意圖

1.向心性PCL膜作為表皮提供力量并促進細胞分化

考慮到從外圍到中心的自然傷口愈合過程，設計了一種具有向心力學指數(shù)的膜來引導細胞遷移。MEW技術用于打印這種模擬皮膚角質層的多尺度拓撲膜。該膜由用于細胞附著的無序致密纖維（≈10μm）、提供向心力學指數(shù)的向心輻條纖維 （50μm） 和用于封裝和縫合力的圓周框架纖維 （500μm） 組成。

PCL膜片制備過程及最終產物如圖2A.B所示。通過拉伸應力應變實驗證具有圓周框架的PCL膜片表現(xiàn)出良好機械性能（圖2.C）。利用人永生化角質細胞進行生物學實驗，證實了內部存在向心性輻條的PCL膜片能夠促進細胞黏附、引導細胞遷移和促進細胞分化（圖2.D-H）。

        

        圖2  PCL膜片的物理表征和生物學功能探索

2.GH水凝膠作為真皮層攜帶和釋放細胞

在通常持續(xù) 3-5 天的炎癥反應期間，生物材料需要保護它們攜帶的細胞。當外周環(huán)境變溫和時，即在炎癥期結束時，生物材料應及時降解以釋放細胞，防止阻礙其生長和功能。GelMA作為GH水凝膠的主要成分，其質地柔軟且易降解。少量HAMA與GelMA混合可減緩GH水凝膠的降解，增強其機械強度（圖3.A）。   

調配多種濃度的GH凝膠進行物理表征（圖3.B-D）。隨著HAMA濃度的增加，GH凝膠的機械強度增加，溶脹曲線無明顯差異，但是降解時間呈明顯不同。5% GelMA+0.25% HAMA凝膠在第四天時開始快速降解，并于第七天時降解完畢，與傷口修復時炎癥期的時間點基本符合，因此作為GH凝膠終選濃度。并且通過實驗證實其良好的生物相容性（圖3.E, F）。

        

        圖3 GH凝膠的物理表征和生物學功能探索

3.HP水凝膠作為皮下組織層滋養(yǎng)細胞并促進其遷移  

在材料植入后的初始階段，雖然水凝膠可以減少炎癥物質對細胞的影響，但它也阻礙了營養(yǎng)吸收，減緩了細胞增殖。因此，使用HP凝膠持續(xù)滋養(yǎng)細胞（圖4A）。HAMA是透明質酸的一種改良形式，在傷口中緩慢降解。當與PRP結合時，釋放出有益的生物活性因子。HP凝膠不僅在早期作為細胞增殖的營養(yǎng)來源，而且在后期作為細胞遷移的興奮劑。   

調配多種濃度的HP凝膠進行物理表征（圖4.B-D）。隨著HAMA濃度的增加，HP凝膠的機械強度增加，溶脹減小，降解變慢。表皮生長因子（EGF）作為釋放指標進行緩釋實驗，證實5%HAMA + 20%PRP 釋放因子速率穩(wěn)定且合適，故以此濃度作為后續(xù)HP凝膠的濃度。通過用凝膠共培養(yǎng)細胞來評估HP凝膠對細胞增殖和遷移的影響，并最終證實HP凝膠促進角質形成細胞的增殖和遷移（圖4.E-J）。

        

        圖4 HP凝膠的物理表征和生物學功能探索

4.仿生皮膚具有內部協(xié)同效應

仿生皮膚采用逐層鑄造構建，其中GH凝膠層嵌入PCL膜片，通過物理嵌合的方式穩(wěn)定結合。接下來，GH和HP凝膠在405 nm光的激發(fā)下，在兩者的表面產生C═C雙鍵使之緊密結合。該仿生皮膚使細胞能夠同時接受PCL膜和PRP的刺激：PCL膜促進細胞粘附和分化，而HP水凝膠促進細胞增殖和遷移（圖5.A）。   

建立了四組進行比較：僅具有 GH 水凝膠的空白組 （Blank）、包含 GH 水凝膠和 HP 水凝膠的對照組 （GHP）、由 PCL 膜和 GH 水凝膠組成的另一個對照組 （PCL） 以及具有完整皮膚結構的實驗組 （MS）。仿生皮膚同樣具有良好的機械強度（圖5.B）。生物學實驗中仿生皮膚保留了向心性PCL膜片和HP凝膠的功能，且二者同時存在時，相關基因、蛋白呈現(xiàn)顯著性高表達（圖5.C-G）。結果證實了，PCL膜和HP凝膠在仿生皮膚內具有協(xié)同作用，二者相互放大了彼此的生物學效應，同時保留了各自的功能。這種協(xié)同作用確保了仿生皮膚作為一個整體發(fā)揮更全面的作用。

        

        圖5 仿生皮膚的物理表征和生物學功能探索

        

        圖6 仿生皮膚促進傷口愈合的體內實驗評估

5.仿生皮膚促進傷口修復體內實驗

使用大鼠的全層皮膚缺陷模型在體內評估仿生皮膚的功效（圖6.A, B）。通過將PCL膜的外框縫合到傷口邊緣周圍的正常皮膚上，將完整的仿生皮膚與身體結合在一起。缺損區(qū)與仿生皮膚的直徑差異使PCL膜在早期持續(xù)拉伸周圍皮膚，并通過縫合的預張力加速傷口閉合。同時，水凝膠不斷釋放生物刺激以促進組織再生。因此，仿生皮膚通過結合機械和生物機制促進傷口閉合和修復。   

利用H&E和Masson染色進行組織學評估（圖 6.C-F）。MS組顯著促進肉芽組織再生，加速了膠原蛋白沉積，促進了傷口的修復。免疫熒光染色也證實了MS組具有最快的血管化和再上皮化進程（圖7）。

        

        圖7 體內實驗的免疫熒光染色結果

綜上，這項研究設計開發(fā)了一種PCL/GelMA/HAMA/PRP仿生皮膚。通過模擬皮膚結構和傷口修復的生理過程，仿生皮膚有效地促進了傷口的早期閉合和快速愈合。在傷口修復的初始階段，仿生皮膚的膜框架通過預張力幫助傷口閉合，同時細胞在水凝膠內增殖。隨著時間的推移，框架逐漸降解，細胞從水凝膠中釋放并沿著殘留的膜遷移。整個過程中，皮下層水凝膠持續(xù)釋放細胞因子，確保傷口得到全面的營養(yǎng)供給。這項研究不僅為皮膚損傷的治療提供了新的解決方案，也為組織再生工程開辟了新的可能性。

文章來源： EFL生物3D打印與生物制造