同时修复皮肤和骨骼：宾夕法尼亚州立大学3D生物打印技术

2021年5月11日，南极熊获悉，宾夕法尼亚州立大学的研究人员开发了一种3D生物打印工艺，该工艺能够同时打印硬组织和软组织，以修复皮肤和骨骼的损伤。

该研究团队使用两种专门设计的生物墨水和3D生物打印工艺，仅需一个步骤在几分钟内便可以修复好大鼠模型的头骨和皮肤上的孔洞。研究人员的最终目标是将他们的研究成果转化为人体应用，以实现更快，更有效的皮肤和骨骼愈合。

宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学，生物医学工程与神经外科工程学和力学的副教授Ibrahim T. Ozbolat说：“这项工作具有临床意义，它可以处理棘手的复合缺陷，一次性固定硬组织和软组织。对于颅面区域，在外观美学上也达到了令人兴奋的效果。当前任何一种手术方法都不能一次性修复软组织和硬组织，这就是为什么我们尝试证明这种3D生物打印技术的可行性，以便我们一次可以重建整个缺陷-从骨组织到表皮。”

修复皮肤和骨骼创伤

同时修复面部和颅骨的皮肤以及骨头的创伤具有挑战性，是由于涉及到的组织类型多种多样。当前的方法包括使用患者身体其他部分的骨头，但骨头必须覆盖在软组织中，并且血液也要从其他地方采集，然后再分别修复软组织和皮肤。

近年来，用于再生医学和组织工程的3D打印生物结构越来越受到关注。正是这些可应用的新型生物墨水不断地被开发，将3D打印与生物材料工程和干细胞生物学等技术相结合，进而创建出了更广泛的可定制骨移植材料。

例如，仅在过去的一年中，研究人员就探索了3D打印的乐高式“骨头砖”如何治愈破碎的骨骼组织，3D生物打印的纳米复合材料支架促进骨形成的方式以及3D打印出包含活细胞的陶瓷结构在骨组织工程应用中具有怎样的潜在用途，等等。

关于软组织方面的研究，已经出现了3D打印的可产生T细胞的水凝胶，3D生物打印的定制化鼻软骨以用于术后面部变形的患者，以及支持细胞长期存活的3D打印水凝胶。

然而，根据宾夕法尼亚州立大学研究人员的说法，目前国际上尚未实现同时对软组织和硬组织进行3D打印的方法，这也促使了他们进行相关实验。

△KAUST的3D打印水凝胶可支持细胞长期存活，并具有再生医学应用的潜力。图片来自KAUST。

对硬组织和软组织进行生物打印

为解决上述挑战，Ozbolat和他的团队使用了挤压式和液滴式生物打印技术组合的方式来沉积细胞和载体材料的混合物，以生成骨骼和软组织，用于修复大鼠模型的颅骨损伤。

研究人员首先着重于骨骼修复的元素。他们开发了一种由胶原蛋白，壳聚糖，纳米羟基磷灰石和间充质干细胞组成的“硬组织墨水”，并发现这种墨水能在骨髓中产生骨骼，软骨和骨髓脂肪的多能细胞。生物墨水在室温下挤出，一旦加热至人体温度，便可以刺激胶原蛋白与墨水其他部分的交联。这样就消除了添加交联剂会产生化学反应的问题。

为了制造出软组织，研究人员使用液滴3D打印技术在具有交联和生长促进化合物的交替层中沉积胶原蛋白和纤维蛋白原。打印的软组织层在成分上有所不同，用以反映皮肤层的变化。

该团队分别采用每种技打印术对直径为6mm的孔洞进行了修复实验。一旦这些实验被证明成功，他们就开始在同一手术过程中同时修复硬组织和软组织。
Ozbolat说：“这种方法是一个极富挑战性的过程，事实上，我们花了大量时间来寻找合适的骨骼、皮肤材料以及正确的生物打印技术。”

△皮肤和骨骼生物打印过程的示意图。图片来自宾夕法尼亚州立大学Ozbolat实验室。

同步进行生物打印

首先，研究团队对缺陷进行了成像处理，以精确确定其几何形状。然后对骨骼层进行3D打印，在上面沉积类似骨膜的屏障层-围绕颅骨的血管化组织层，以防止皮肤层细胞迁移到骨骼区域并在那里生长。

接下来，研究人员以3D方式打印仿造出皮肤的真皮和表皮的软组织层。根据Ozbolat的说法，不到3分钟即可将骨骼层和软组织3D打印在一起。

在整个实验过程中，研究人员进行了50多次缺损闭合，并在4周内实现了100％的软组织闭合。六周内，骨组织的闭合率为80％。值得注意的是，根据Ozbolat的说法，即使采用更传统的获得式骨替代方法，骨闭合在6周内也很少达到100％。

该项目的下一步是添加血管化化合物，以增加流向骨骼的血液。最终，该小组希望将他们的研究成果应用到人体当中，目前正在宾夕法尼亚州荷西医学中心与神经外科医师，颅颌面外科医师和整形外科医师合作，使用更大的生物打印设备来进行更大动物的培养实验。

有关该研究的更多信息，请参见发表在《Advanced Functional Materials》杂志上的题为“Intra-operative bioprinting of hard, soft, and hard/soft composite tissues for craniomaxillofacial reconstruction”的论文。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202010858