CELLINK 生物打印機3D打印毛囊,，促進皮膚再生

2023年11月,，南極熊獲悉,，紐約倫斯勒理工學(xué)院的研究人員成功在實驗室培養(yǎng)的人體皮膚組織中3D打印毛囊，這是一項具有里程碑意義的成就,，標(biāo)志著皮膚工程和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重大進步,。這項研究由化學(xué)和生物工程副教授 Pankaj Karande 博士牽頭，題目為《Incorporation of hair follicles in 3D bioprinted models of human skin》,，發(fā)表在《Science Advances》期刊上,，實驗的關(guān)鍵是使用瑞典生物打印領(lǐng)導(dǎo)者 BICO 旗下 CELLINK 子公司的Bio X 3D 打印機。



研究速覽

研究人員將真皮乳頭細胞 (DPC) 和人臍靜脈細胞 (HUVEC) 誘導(dǎo)的球體打印在含有成纖維細胞的預(yù)凝膠真皮層內(nèi),，由此產(chǎn)生的組織在成熟時形成毛囊樣結(jié)構(gòu),，并由角質(zhì)形成細胞和黑素細胞的遷移支持,，其形態(tài)和成分與天然皮膚組織非常相似。復(fù)雜性更高的重建皮膚模型可以更好地模擬天然附件結(jié)構(gòu),，作為移植物和測試化合物安全性的功效模型,，可以對再生醫(yī)學(xué)產(chǎn)生重大影響。

頭發(fā)科學(xué)的進展
毛囊皮脂腺單位包含毛囊和皮脂腺,，是皮膚整體結(jié)構(gòu)的組成部分,，在傷口愈合中發(fā)揮著重要作用。因此,，它是皮膚研究的重點,。在維持皮​​膚健康方面，毛囊的重要性遠遠超出了化妝品,。

研究人員開發(fā)的 3D 打印過程包括：

●在實驗室中培養(yǎng)皮膚和毛囊細胞,，直到有足夠的細胞用于打印。

●然后,，這些細胞與蛋白質(zhì)結(jié)合,，形成生物墨水，由打印機逐層沉積,，形成毛細胞沉積的通道,。

●皮膚細胞遷移到這些通道，有效地復(fù)制毛囊的自然結(jié)構(gòu),。

Karande博士指出：“我們的工作是一個概念驗證，即可以使用3D生物打印以高精度,、可重復(fù)的方式創(chuàng)建毛囊結(jié)構(gòu),。未來的皮​​膚生物制造需要這種自動化過程。使用人源細胞重建毛囊歷來都是一個挑戰(zhàn),。一些研究表明,，如果這些細胞在三維環(huán)境中培養(yǎng)，它們有可能產(chǎn)生新的毛囊或毛干,，我們的研究建立在這項工作的基礎(chǔ)上,。”

生物打印過程
根據(jù)這項研究,，人類真皮乳頭細胞 (DPC) 在毛囊發(fā)育中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用,，但當(dāng)它們在平面、二維環(huán)境中培養(yǎng)時,，它們驅(qū)動毛發(fā)生長的能力會顯著減弱,，這與它們在毛囊中的行為形成鮮明對比。為了獲得更自然的立體環(huán)境,，該團隊轉(zhuǎn)向3D生物打印,。


△皮膚內(nèi)毛囊的 3D 生物打印

研究團隊使用CELLINK的BioX 3D生物打印機,，控制擠出壓力、噴嘴直徑和打印速度,，以確保生物打印細胞的存活和健康,，包括人表皮角質(zhì)形成細胞 (HEK)、人表皮黑素細胞 (HEM),、真皮乳頭細胞 (DPC) 和人臍靜脈內(nèi)皮細胞 (HUVEC),。

他們的任務(wù)是使用皮膚細胞組合制作小型毛囊模型（稱為球體）。他們要打印這些細胞,，目標(biāo)是準(zhǔn)確復(fù)制人類真皮乳頭的尺寸,，每個球體使用大約 3,000 個 DPC。

隨后,，研究團隊開始構(gòu)建包含這些毛囊結(jié)構(gòu)的綜合皮膚模型,，開發(fā)了一種由 DPC 和 HUVEC 組成的獨特“生物墨水”，還含有 HEK 和 HEM,。這種毛囊生物墨水被分層放置在由人真皮成纖維細胞 (HDF) 制成的基礎(chǔ)床上,，并與來自大鼠尾部的 I 型膠原蛋白和硫酸皮膚素混合。

在該基礎(chǔ)層之上,，使用由 IV 型膠原蛋白配制的不同生物墨水打印另一層,。該層是基礎(chǔ)真皮層和最上表皮層之間的關(guān)鍵連接處。經(jīng)過一小時的設(shè)置后,，最后一步是添加最頂層,，即含有 HEK 和 HEM 的表皮生物墨水，從而完成具有集成毛囊單元的復(fù)雜皮膚模型,。

將皮膚模型浸入水中三天,，然后暴露于氣液界面14天，以促進細胞的正常發(fā)育和分化,。這種暴露對于皮膚模型的發(fā)育至關(guān)重要,，因為它促進了表皮細胞的最終分化。目前,，工程組織的壽命為兩到三周,，這限制了毛干的發(fā)育。該團隊的目標(biāo)是延長這一時期,，讓毛囊進一步成熟,，這可能對藥物測試和皮膚移植產(chǎn)生重大影響。


△使用不同細胞成分生成的復(fù)雜 3D 生物打印球體的表征

未來發(fā)展
根據(jù)增材制造研究公司（以前稱為 SmarTech Analysis）的《生物打�,。菏袌雠c機遇》報告,，到 2031 年，該行業(yè)的價值可能達到 28 億美元。與這項研究是生物打印服務(wù)和材料的細分領(lǐng)域,，雖然這種毛囊墨水是一個潛在利潤豐厚的領(lǐng)域,，但生物打印服務(wù)預(yù)計將占這些收入的最大份額，達到 20.6 億美元,。

BICO 集團已做好充分利用這一空間的準(zhǔn)備,。該公司成立于 2016 年，當(dāng)時名為 CELLINK,，銷售生物打印機,、墨水等。BICO 的生物打印機已廣泛應(yīng)用于哈佛大學(xué)等頂級組織和大學(xué),，以及默克和諾華等公司,，該公司現(xiàn)在有了一位新的首席執(zhí)行官，這將推動 BICO 進入一個新的增長時代,。

倫斯勒理工學(xué)院 Karande 團隊的這項最新研究建立在先前成功打印具有工作血管的皮膚的基礎(chǔ)上,，標(biāo)志著在開發(fā)更好的燒傷和其他皮膚病治療方法方面邁出了重要一步。這項研究不僅為工程皮膚的毛發(fā)生長鋪平了道路,，而且還為再生醫(yī)學(xué)和皮膚病學(xué)測試的變革性進步奠定了基礎(chǔ),，還為研究干細胞再生老化頭發(fā)開辟了可能性。
原文鏈接：DOI: 10.1126/sciadv.adg0297