同時修復皮膚和骨骼：賓夕法尼亞州立大學3D生物打印技術

2021年5月11日,，南極熊獲悉，賓夕法尼亞州立大學的研究人員開發(fā)了一種3D生物打印工藝,，該工藝能夠同時打印硬組織和軟組織,，以修復皮膚和骨骼的損傷。

該研究團隊使用兩種專門設計的生物墨水和3D生物打印工藝,，僅需一個步驟在幾分鐘內(nèi)便可以修復好大鼠模型的頭骨和皮膚上的孔洞,。研究人員的最終目標是將他們的研究成果轉化為人體應用，以實現(xiàn)更快,，更有效的皮膚和骨骼愈合,。

賓夕法尼亞州立大學工程科學與力學，生物醫(yī)學工程與神經(jīng)外科工程學和力學的副教授Ibrahim T. Ozbolat說：“這項工作具有臨床意義,，它可以處理棘手的復合缺陷,，一次性固定硬組織和軟組織。對于顱面區(qū)域,，在外觀美學上也達到了令人興奮的效果,。當前任何一種手術方法都不能一次性修復軟組織和硬組織，這就是為什么我們嘗試證明這種3D生物打印技術的可行性,，以便我們一次可以重建整個缺陷-從骨組織到表皮,。”

修復皮膚和骨骼創(chuàng)傷

同時修復面部和顱骨的皮膚以及骨頭的創(chuàng)傷具有挑戰(zhàn)性,，是由于涉及到的組織類型多種多樣,。當前的方法包括使用患者身體其他部分的骨頭，但骨頭必須覆蓋在軟組織中,，并且血液也要從其他地方采集,，然后再分別修復軟組織和皮膚。

近年來,，用于再生醫(yī)學和組織工程的3D打印生物結構越來越受到關注,。正是這些可應用的新型生物墨水不斷地被開發(fā)，將3D打印與生物材料工程和干細胞生物學等技術相結合,，進而創(chuàng)建出了更廣泛的可定制骨移植材料,。

例如，僅在過去的一年中,，研究人員就探索了3D打印的樂高式“骨頭磚”如何治愈破碎的骨骼組織,，3D生物打印的納米復合材料支架促進骨形成的方式以及3D打印出包含活細胞的陶瓷結構在骨組織工程應用中具有怎樣的潛在用途，等等,。

關于軟組織方面的研究,，已經(jīng)出現(xiàn)了3D打印的可產(chǎn)生T細胞的水凝膠,，3D生物打印的定制化鼻軟骨以用于術后面部變形的患者，以及支持細胞長期存活的3D打印水凝膠,。

然而,，根據(jù)賓夕法尼亞州立大學研究人員的說法，目前國際上尚未實現(xiàn)同時對軟組織和硬組織進行3D打印的方法,，這也促使了他們進行相關實驗,。

△KAUST的3D打印水凝膠可支持細胞長期存活，并具有再生醫(yī)學應用的潛力,。圖片來自KAUST,。

對硬組織和軟組織進行生物打印

為解決上述挑戰(zhàn)，Ozbolat和他的團隊使用了擠壓式和液滴式生物打印技術組合的方式來沉積細胞和載體材料的混合物,，以生成骨骼和軟組織,，用于修復大鼠模型的顱骨損傷。

研究人員首先著重于骨骼修復的元素,。他們開發(fā)了一種由膠原蛋白，殼聚糖,，納米羥基磷灰石和間充質干細胞組成的“硬組織墨水”,，并發(fā)現(xiàn)這種墨水能在骨髓中產(chǎn)生骨骼，軟骨和骨髓脂肪的多能細胞,。生物墨水在室溫下擠出,，一旦加熱至人體溫度，便可以刺激膠原蛋白與墨水其他部分的交聯(lián),。這樣就消除了添加交聯(lián)劑會產(chǎn)生化學反應的問題,。

為了制造出軟組織，研究人員使用液滴3D打印技術在具有交聯(lián)和生長促進化合物的交替層中沉積膠原蛋白和纖維蛋白原,。打印的軟組織層在成分上有所不同,，用以反映皮膚層的變化。

該團隊分別采用每種技打印術對直徑為6mm的孔洞進行了修復實驗,。一旦這些實驗被證明成功,，他們就開始在同一手術過程中同時修復硬組織和軟組織。
Ozbolat說：“這種方法是一個極富挑戰(zhàn)性的過程,，事實上,，我們花了大量時間來尋找合適的骨骼、皮膚材料以及正確的生物打印技術,�,！�

△皮膚和骨骼生物打印過程的示意圖。圖片來自賓夕法尼亞州立大學Ozbolat實驗室,。

同步進行生物打印

首先,，研究團隊對缺陷進行了成像處理,，以精確確定其幾何形狀。然后對骨骼層進行3D打印,，在上面沉積類似骨膜的屏障層-圍繞顱骨的血管化組織層,，以防止皮膚層細胞遷移到骨骼區(qū)域并在那里生長。

接下來,，研究人員以3D方式打印仿造出皮膚的真皮和表皮的軟組織層,。根據(jù)Ozbolat的說法，不到3分鐘即可將骨骼層和軟組織3D打印在一起,。

在整個實驗過程中,，研究人員進行了50多次缺損閉合，并在4周內(nèi)實現(xiàn)了100％的軟組織閉合,。六周內(nèi),，骨組織的閉合率為80％。值得注意的是,，根據(jù)Ozbolat的說法,，即使采用更傳統(tǒng)的獲得式骨替代方法，骨閉合在6周內(nèi)也很少達到100％,。

該項目的下一步是添加血管化化合物,，以增加流向骨骼的血液。最終,，該小組希望將他們的研究成果應用到人體當中,，目前正在賓夕法尼亞州荷西醫(yī)學中心與神經(jīng)外科醫(yī)師，顱頜面外科醫(yī)師和整形外科醫(yī)師合作,，使用更大的生物打印設備來進行更大動物的培養(yǎng)實驗,。

有關該研究的更多信息，請參見發(fā)表在《Advanced Functional Materials》雜志上的題為“Intra-operative bioprinting of hard, soft, and hard/soft composite tissues for craniomaxillofacial reconstruction”的論文,。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202010858