生物3D打印仿生伤口敷料和成人干细胞疗法的融合

3D打印生物医疗
2020
12/02
09:28
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来源:上普生物

近期,生物3D打印大牛昆士兰科技大学Dietmar Hutmacher组BioMaterials期刊上发表了“Convergence of 3D Printed Biomimetic Wound Dressings and Adult Stem Cell Therapy”的文章。

仿生设计的医学级聚己内酯(mPCL)敷料经过3D打印,具有毛孔结构和各向异性的机械特性,有利于伤口愈合并减少疤痕。 研究者利用热熔静电直写3D打印的mPCL敷料,再接种人类牙龈组织多能间充质干/基质细胞,并使用临床认可的方法进行冷冻保存。在大鼠模型的夹板全层切除伤口中,经过六周的时间,比较了新鲜或冷冻的接种有细胞的mPCL敷料的再生潜力。与对照组相比,通过3D打印的mPCL敷料的应用可减少伤口挛缩并通过制粒和再上皮形成显着改善皮肤再生。将3D打印的仿生伤口敷料与前体细胞递送结合起来可增强生理性伤口闭合,减少疤痕组织的形成。
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成年皮肤通过收缩和疤痕形成对全层皮肤伤口产生反应,这是一个主要的修复过程,通常不能完全恢复皮肤的生理结构和功能。尽管生物敷料的设计取得了重大进展,但许多研究仍未通过治疗后的半定量组织学和免疫组织化学分析很好地表征再生组织的质量,或在预防瘢痕形成方面未取得成功。干细胞生物学,生物材料开发和附加生物制造技术的最新进展确实导致了前所未有的细胞外仿生微环境的工程化。在最近的研究中,使用了不同的细胞类型和生物材料,但是这些研究主要是在体外进行的,或者仅在较短的时间窗内研究了各个动物模型中的伤口闭合情况,而对瘢痕形成后的瘢痕康复没有进行完整的研究。因此,迫切需要开发生物敷料,为创伤后皮肤的长期重塑和止血提供有利的微环境。

熔融静电直写(MEW)是一种增材制造技术,可对基于仿生结构设计的无溶剂,高度多孔的纤维支架进行3D打印。迄今为止,MEW可打印的几种聚合物,包括医用级聚己内酯(mPCL)。MEW可以承受具有广泛机械性能的3D打印支架。已经研究了MEW mPCL支架用于不同组织的再生,例如骨骼,软骨和心脏瓣膜。在这里,研究者旨在为伤口敷料设计具有各向异性机械性能的MEW mPCL纤维结构。
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△图1 原理设计

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△图2 静电直写打印测试

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△图3 力学测试

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△图4 干细胞的附着和增殖

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△图5 大鼠修复实验

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△图6 疤痕组织的减少

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△图7 胶原的沉积

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△图8巨噬细胞浸润

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△图9 敷料显示出最佳的伤口愈合潜力,疤痕面积最少

基于细胞的敷料旨在通过阻断负责疤痕形成的生物途径和/或触发增强再生途径而不是修复过程的信号传导来减少疤痕形成。研究者的组织学和免疫组化数据集证实,MSC敷料的疗效优于其他组(单独使用splint或PCL伤口敷料)。组织学和免疫组织化学分析均显示,接种细胞的伤口敷料对免疫细胞的迁移和角质形成细胞,内皮细胞和成纤维细胞的增殖具有直接影响,因此对伤口愈合具有促进再生的作用。与研究者的数据一致,以前的研究报道了在3D培养中与皮肤成纤维细胞相比,人类牙龈成纤维细胞的非纤维化表型,并且伤口愈合得到增强,牙龈细胞的瘢痕形成潜力降低了。牙龈细胞快速,无疤痕愈合的细胞和分子机制尚未完全了解,但可能取决于不同生物学因子的分泌及其免疫调节活性。广泛而快速的伤口收缩在很大程度上促进了疤痕的形成。为了指导伤口的收缩和再生(无疤痕愈合),已提出以胶原蛋白-糖胺聚糖支架的形式应用“收缩阻滞剂” 。收缩阻滞剂的使用可指导伤口愈合过程中成肌纤维细胞和胶原纤维组件的定向。研究者的研究证实了这些发现,因为仿生纤维网络的应用可承受伤口的收缩力并促进无疤痕的伤口愈合。最后,细胞种子伤口敷料的冷冻保存显示了加速伤口闭合和减少疤痕的潜力。确实,优化的冷冻保存协议通过减少时间和成本来提高制造效率。

结论
使用具有免疫能力的动物来模拟同种异体移植细胞接种伤口敷料的临床应用,并且不使用免疫抑制药物。 纤维网络设计从仿生学角度解决了天然皮肤组织的J形应变变硬和各向异性行为。 3D打印敷料的最佳表面体积比支持hGMSC附着和增殖。 HGMSC接种的mPCL伤口敷料可在大鼠模型的夹板全厚度切除伤口中更快地闭合伤口,并减少疤痕形成。

参考文献
Abbas Shafiee, et al. Convergence of 3D Printed Biomimetic Wound Dressings and Adult Stem Cell Therapy, Biomaterials,2020,120558, 0142-9612,

https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2020.120558.

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