3D 生物打印構(gòu)建內(nèi)分泌脂肪單元優(yōu)化皮膚再生微環(huán)境的創(chuàng)新研究

來源：EFL生物3D打印與生物制造

脂肪組織作為重要的內(nèi)分泌器官,，在代謝調(diào)節(jié)和組織修復(fù)中意義重大。然而,，當(dāng)前脂肪組織工程面臨諸多難題,。一方面，傳統(tǒng)技術(shù)難以模擬其天然結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)高細(xì)胞密度聚集,，像常規(guī)懸掛滴法無法滿足細(xì)胞外基質(zhì)相互作用需求,，阻礙前脂肪細(xì)胞有效分化為功能性脂肪細(xì)胞；另一方面,，嵌入生物打印時(shí)前脂肪細(xì)胞易遷移,，致使致密細(xì)胞環(huán)境難以形成，影響脂肪組織的內(nèi)分泌功能模擬,。此外,，脂肪組織與其他組織整合的研究較少，限制了對(duì)其在代謝穩(wěn)態(tài)和組織修復(fù)中作用的深入理解,。  

韓國(guó)釜山國(guó)立大學(xué)的Byoung Soo Kim教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)這些問題展開研究,。他們開發(fā)了一種快速組織打印方法，通過流變學(xué)和計(jì)算分析優(yōu)化模塊化聚己內(nèi)酯框架,，能在0.3秒內(nèi)擠出前脂肪細(xì)胞負(fù)載的生物墨水構(gòu)建脂肪單元,。同時(shí)，研制出混合生物墨水限制細(xì)胞遷移,、促進(jìn)脂肪細(xì)胞成熟,，并確定了最佳脂肪單元直徑和空間排列。團(tuán)隊(duì)還將脂肪模塊與真皮模塊整合,，驗(yàn)證了其內(nèi)分泌功能,。體內(nèi)研究顯示，該組織組件可顯著促進(jìn)傷口愈合,、血管生成和再上皮化,。相關(guān)工作以“3D Bioprinting‐Assisted Tissue Assembly of Endocrine Adipose Units for Enhanced Skin Regeneration”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上,。

研究?jī)?nèi)容
1. 開發(fā)流程及關(guān)鍵亮點(diǎn)概述，通過流變學(xué)和數(shù)值評(píng)估,、生物墨水開發(fā),、實(shí)驗(yàn)檢測(cè)與分析等研究方法，研究了構(gòu)建功能性脂肪模塊及組織組件的流程和關(guān)鍵要點(diǎn),。結(jié)果表明,，確定了支撐生物墨水的合適機(jī)械性能，開發(fā)出能調(diào)控細(xì)胞遷移和增殖的混合支撐生物墨水,，明確了脂肪單元的最佳直徑和空間配置,，成功制備脂肪模塊并驗(yàn)證其在皮膚再生中的作用，為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ),。

圖1. 開發(fā)流程及關(guān)鍵亮點(diǎn)概述,。

2. 嵌入式組織單元打印的開發(fā)，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)測(cè)試,、數(shù)值模擬和細(xì)胞染色分析等研究方法,，研究了不同濃度支撐生物墨水對(duì)脂肪單元形成的影響。結(jié)果表明,，1%和1.5%濃度的AdECM生物墨水在流變性能上更優(yōu),，能為細(xì)胞提供穩(wěn)定支撐，形成更規(guī)則的球形組織單元,；確定0.6%的支撐生物墨水濃度理論上可使組織單元的縱橫比達(dá)到0.95,，且基于此選擇1%支撐生物墨水濃度進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)，確保實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性和可靠性,。

圖2. 嵌入式組織單元打印的開發(fā),。

3. 使用含海藻酸鹽的混合支撐生物墨水創(chuàng)建致密細(xì)胞環(huán)境的嵌入式生物打印，采用細(xì)胞培養(yǎng)觀察,、定量分析和基因表達(dá)檢測(cè)等研究方法,，研究了海藻酸鹽濃度對(duì)前脂肪細(xì)胞分布、增殖和分化的影響,。結(jié)果表明,，含0.5%海藻酸鹽的混合生物墨水能有效防止細(xì)胞分散，促進(jìn)局部增殖,，顯著上調(diào)早期成脂分化標(biāo)記基因的表達(dá),，為構(gòu)建致密細(xì)胞環(huán)境、促進(jìn)成脂分化提供了最佳條件,。

圖3. 使用含海藻酸鹽的混合支撐生物墨水創(chuàng)建致密細(xì)胞環(huán)境的嵌入式生物打印,。

4. 開發(fā)優(yōu)化脂肪單元直徑的嵌入式組織單元打印方法，通過調(diào)節(jié)氣壓控制脂肪單元大小,、缺氧檢測(cè)和基因表達(dá)分析等研究方法,，研究了不同大小脂肪單元的缺氧情況及對(duì)細(xì)胞功能的影響,。結(jié)果表明，直徑大于900μm的脂肪單元出現(xiàn)明顯中央缺氧,，而直徑為600μm的脂肪單元可最大程度減少缺氧并保持細(xì)胞功能,，確定后續(xù)實(shí)驗(yàn)采用該直徑的脂肪單元以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性和可靠性。

圖4. 開發(fā)優(yōu)化脂肪單元直徑的嵌入式組織單元打印方法,。

5. 基于脂肪單元排列的形態(tài)和功能評(píng)估,，運(yùn)用細(xì)胞培養(yǎng)、基因表達(dá)分析,、染色觀察和激素水平檢測(cè)等研究方法,，研究了脂肪單元間距對(duì)脂肪生成、細(xì)胞形態(tài)和內(nèi)分泌功能的影響,。結(jié)果表明,，較小的脂肪單元間距（小于1000μm）可促進(jìn)脂質(zhì)滴形成相關(guān)基因的表達(dá)，提高細(xì)胞密度和脂肪細(xì)胞直徑,，增強(qiáng)內(nèi)分泌反應(yīng)的動(dòng)態(tài)功能,，證明適當(dāng)縮小脂肪單元間距能促進(jìn)脂肪生成成熟和增強(qiáng)內(nèi)分泌功能。

圖5. 基于脂肪單元排列的形態(tài)和功能評(píng)估,。

6. 使用3D打印輔助傷口劃痕平臺(tái)評(píng)估脂肪模塊旁分泌信號(hào)對(duì)傷口愈合的影響，通過構(gòu)建傷口愈合實(shí)驗(yàn)平臺(tái),、細(xì)胞培養(yǎng)觀察和基因表達(dá)分析等研究方法,，研究了脂肪單元的內(nèi)分泌信號(hào)對(duì)皮膚細(xì)胞遷移和傷口愈合的影響。結(jié)果表明,，含脂肪單元的實(shí)驗(yàn)組傷口愈合速度明顯快于無脂肪單元組,，且近端間距（1000μm）的脂肪單元促進(jìn)傷口愈合的效果更顯著，其通過上調(diào)細(xì)胞遷移相關(guān)基因的表達(dá),，增強(qiáng)細(xì)胞遷移和細(xì)胞外基質(zhì)重塑,，進(jìn)而促進(jìn)傷口愈合。

圖6. 使用3D打印輔助傷口劃痕平臺(tái)評(píng)估脂肪模塊旁分泌信號(hào)對(duì)傷口愈合的影響,。

7. 使用快速組織組裝技術(shù)制備的組織組件的體內(nèi)評(píng)估,，采用構(gòu)建組織組件并植入動(dòng)物模型、組織學(xué)染色,、激光多普勒灌注成像和免疫組織化學(xué)分析等研究方法,，研究了含內(nèi)分泌脂肪單元的組織組件在體內(nèi)的傷口愈合效果及機(jī)制。結(jié)果表明,，含脂肪單元的組織組件組傷口愈合速度更快,，血管化和再上皮化程度更高，其內(nèi)分泌因子可促進(jìn)相鄰宿主組織的細(xì)胞遷移和增殖,，改善血液供應(yīng)和表皮再生,，驗(yàn)證了該組織組件在增強(qiáng)傷口愈合方面的有效性,。

圖7. 使用快速組織組裝技術(shù)制備的組織組件的體內(nèi)評(píng)估。

8. 快速組織組裝技術(shù)在開發(fā)大規(guī)模3D復(fù)合結(jié)構(gòu)中的潛在應(yīng)用,，通過設(shè)計(jì)組裝策略,、構(gòu)建3D替代結(jié)構(gòu)和實(shí)際組裝實(shí)驗(yàn)等研究方法，研究了快速組織組裝技術(shù)在構(gòu)建復(fù)雜組織構(gòu)建體中的應(yīng)用潛力,。結(jié)果表明,，該技術(shù)可利用螺栓/螺母框架式組裝平臺(tái)精確對(duì)齊和分層組裝各種模塊，成功創(chuàng)建大規(guī)模脂肪 - 血管 - 皮膚結(jié)構(gòu),，展示了技術(shù)的適用性和可擴(kuò)展性,，為構(gòu)建更復(fù)雜的組織工程結(jié)構(gòu)提供了新途徑。

圖8. 快速組織組裝技術(shù)在開發(fā)大規(guī)模3D復(fù)合結(jié)構(gòu)中的潛在應(yīng)用,。

研究結(jié)論
本研究開發(fā)了一種創(chuàng)新的組織組裝策略和混合生物墨水,，用于構(gòu)建密集的脂肪組織以促進(jìn)皮膚再生。通過詳細(xì)的流變學(xué)分析和計(jì)算模擬優(yōu)化了脂肪單元的打印過程,，實(shí)現(xiàn)了高精度和結(jié)構(gòu)保真度,。混合生物墨水的設(shè)計(jì)有效限制了細(xì)胞遷移,，促進(jìn)了密集脂滴的形成,，這對(duì)脂肪組織的最佳功能至關(guān)重要。此外,，設(shè)計(jì)的多功能聚己內(nèi)酯（PCL）框架能夠?qū)⒅�肪單元與相鄰的皮膚組織替代物整合,。這種工程化復(fù)合組織與真皮模塊相結(jié)合，有效利用了脂肪組織的內(nèi)分泌活性,，加速了皮膚再生,，突顯了該方法在再生醫(yī)學(xué)中制造大型多細(xì)胞復(fù)合組織的潛力。盡管本研究引入了包含內(nèi)分泌組織的新方法,，但血管化仍是成功制造三維體積組織構(gòu)建體的關(guān)鍵挑戰(zhàn),。基于此基礎(chǔ)工作,，未來將著重拓展該策略,，開發(fā)管狀血管模塊，以創(chuàng)建更復(fù)雜且功能完備的復(fù)合組織構(gòu)建體,。

文章來源：
https://doi.org/10.1002/adfm.202419680