研究人員 3D 打印超逼真仿生人體皮膚,，為治愈受損皮膚開(kāi)辟新方法

2024年3月20日，南極熊獲悉,，俄勒岡大學(xué)的科學(xué)家與歐萊雅合作,，在生產(chǎn)極其逼真的合成人體皮膚方面取得了重大進(jìn)展。研究人員采用 3D 打印技術(shù)在短短 18 天的極短時(shí)間內(nèi)制造多層類(lèi)皮膚組織，并正在測(cè)試用它來(lái)保護(hù)和治愈人體的產(chǎn)品,。

在過(guò)去的 50 年里，體外皮膚和毛發(fā)模型已被開(kāi)發(fā)并用于各種臨床和研究應(yīng)用,，包括用于傷口或燒傷愈合的皮膚移植以及皮膚生理學(xué)和病理生理學(xué)的研究,。其中許多體外皮膚模型已被認(rèn)為是篩選化妝品和藥品功效和毒性的有效方法，但仍然存在局限性,。

為了滿(mǎn)足開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)真皮的需求并認(rèn)識(shí)到現(xiàn)有多孔系統(tǒng)固有的局限性,，來(lái)自俄勒岡大學(xué)的研究人員將溶液靜電紡絲 (SES) 和熔融電熔直寫(xiě) (MEW) 結(jié)合起來(lái)，創(chuàng)建雙層 PCL 支架/膜結(jié)構(gòu),。相關(guān)研究成果以題為“First AdvancedBilayer Scaffolds for Tailored Skin Tissue Engineering Produced viaElectrospinning and Melt Electrowriting”的論文被發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》期刊上,。

相關(guān)論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202314757

雙層支架/膜是采用兩步法制造的。首先,，將溶液電紡 PCL 纖維沉積到玻璃基板上,，然后使用 MEW 將微纖維 3D 打印到該電紡基板上。用乙醇從玻璃基板上釋放所得支架/膜后,，雙層材料表現(xiàn)出良好融合的層,。支架/膜包括：

• 具有低孔隙率的上層，用于創(chuàng)建真皮-表皮交界處 (DEJ)（厚度 10–14 µm）,。在這一層中,，采用 SES 隨機(jī)沉積納米纖維（圖 D）。該層旨在防止角質(zhì)形成細(xì)胞滲透真皮層,，從而無(wú)論真皮 ECM 體積如何,，都可以播種表皮（圖 B）。然而,，SES 膜仍然允許 ECM 化合物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)通過(guò),。
• 多孔第二層，旨在創(chuàng)建使用 MEW 生產(chǎn)的真皮部分（厚度 200 至 300 µm）,。纖維結(jié)構(gòu)（直的或波狀的）,、纖維尺寸和孔隙率都經(jīng)過(guò)仔細(xì)控制（圖E、F）,。
  

△用于體外皮膚模型的雙層支架

在雙層 PCL 支架/膜結(jié)構(gòu)中,，SES膜位于真皮和表皮之間的界面，而MEW支架為真皮提供了最佳的開(kāi)孔環(huán)境,。溶液靜電紡絲 (SES)是一種電流體動(dòng)力學(xué)過(guò)程,，可從帶電聚合物溶液中生成超細(xì)纖維（通常具有亞微米直徑）。由此產(chǎn)生的膜孔隙度可以實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的交換,，同時(shí)限制細(xì)胞滲透,。這些膜表現(xiàn)出高孔隙率和小孔徑，產(chǎn)生大表面積和能夠模仿某些真皮-表皮連接特征的結(jié)構(gòu)。研究表明,，SES 膜可增強(qiáng)細(xì)胞附著,、生長(zhǎng)和分化，使其成為創(chuàng)新支架/膜結(jié)構(gòu)中很有前景的組成部分,。

△直纖維和波狀纖維模型都適合體外皮膚重建,，但對(duì)真皮 ECM 組織的影響不同

研究人員構(gòu)造的另一個(gè)組件是通過(guò)熔融電熔直寫(xiě) (MEW)制造的，這是一種高分辨率 3D 打印技術(shù),，能夠精確沉積直徑范圍從 50 微米到小于 1 微米的聚合物纖維,。值得注意的是，這些直徑與真皮 ECM 纖維的直徑相似,，尤其是 I 型膠原纖維,，其在真皮乳頭狀和網(wǎng)狀真皮中的直徑分別為 1 至 10 µm。使用PCL,，這些支架具有良好的生物相容性和長(zhǎng)期生物降解性,，具有優(yōu)異的、可定制的機(jī)械性能,。MEW 技術(shù)能夠?qū)χЪ芸紫堵�,、孔徑分布以及纖維直徑和方向進(jìn)行細(xì)致控制，從而產(chǎn)生具有預(yù)定義設(shè)計(jì)的高孔隙支架,，可根據(jù)特定應(yīng)用進(jìn)行定制,。此外，MEW 產(chǎn)生的纖維已被證明可以通過(guò)地形線索誘導(dǎo)細(xì)胞排列,。這些特性使MEW支架成為定制模擬真皮環(huán)境支架的第二個(gè)重要組成部分,。

△俄勒岡大學(xué)研究人員 Paul Dalton（左）和 Ievgenii Liashenko 在實(shí)驗(yàn)室工作。（圖片來(lái)源：Chris Larsen / 俄勒岡大學(xué)）

在研究人員 Paul Dalton 和Ievgenii Liashenko 的帶領(lǐng)下,，該團(tuán)隊(duì)成功復(fù)制了全層皮膚組織,，融合了由膜分隔的各種細(xì)胞類(lèi)型，這是前所未有的里程碑,。他們的創(chuàng)新方法可以創(chuàng)建兩層人造皮膚結(jié)構(gòu),，模仿人類(lèi)皮膚的復(fù)雜性。

歐萊雅正在積極利用這種人造皮膚進(jìn)行產(chǎn)品測(cè)試,，最初的重點(diǎn)是化妝品和護(hù)膚配方,。然而，潛在的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了化妝品范圍,。研究小組設(shè)想將該技術(shù)用于多種醫(yī)療目的,，包括治療糖尿病足潰瘍和為燒傷患者提供皮膚移植。

這項(xiàng)研究標(biāo)志著美容和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重大進(jìn)步,，為測(cè)試產(chǎn)品提供了可行的替代方案,，并有可能徹底改變傷口護(hù)理和重建手術(shù),。

隨著俄勒岡大學(xué)和歐萊雅之間的合作不斷探索其他應(yīng)用，利用合成皮膚技術(shù)來(lái)增強(qiáng)人類(lèi)健康和化妝品創(chuàng)新的未來(lái)前景廣闊,。