来源：EngineeringForLife
皮肤中毛囊功能异常会导致脱发从而影响个人的生活质量。为了实现毛囊功能的恢复，需要开发新的方法应用于复杂的皮肤结构。近日，来自中国科学院上海硅酸盐研究所吴成铁教授团队进行了3D打印多细胞微图案化支架用于毛发和血管再生的相关研究。研究成果以“3D multicellular micropatterning biomaterials for hair regeneration and vascularization”为题于6月28日发表在《Materials Horizons》上。
本研究通过生物打印技术，将与毛囊相关的细胞有序分布在网络间隔中，从而形成一个三维多细胞微图案。稳定的仿生微图案结构结合硅酸镁（MS）纳米材料，该3D多细胞微图案在体外明显促进毛囊和血管再生。在免疫缺陷小鼠和雄性激素性脱发（AGA）小鼠模型的皮肤组织再生过程中，含有MS的3D多细胞微图案有助于实现高效毛发再生。因此，本研究提出了一种新型的3D微图案多细胞系统，该仿生微结构调节细胞与细胞之间的相互作用，可用于皮肤重建期间的毛发再生。
本文从以下5方面进行系统表征：
1. 硅酸镁（MS）纳米球的制备和表征
2. 3D生物打印多细胞微图案支架制造和特征。
3. 3D生物打印多细胞微图案支架体外生物活性
4. 裸鼠体内皮肤组织再生和毛囊重建
5. 体内毛囊激活促进雄性激素性脱发（AGA）小鼠的毛发再生
图1 硅酸镁（MS）空心纳米球表征
通过模板合成具有空心结构的硅酸镁（MS）纳米球，SEM可以发现MS纳米球直径约为400nm。X射线衍射（XRD）也可以发现其结晶度较低，此外，通过透射电子显微镜（TEM）观察MS纳米球的内部结构发现其具有一致的外壳厚度，由纳米片形态覆盖的粗糙的外表面。能量色散光谱（EDS）结果表明MS纳米球内部镁、硅和氧元素均匀分布。
图2 HUVECs和HHDPCs在3D生物打印多细胞微图案支架中空间分布和生存能力
通过共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）可以观察到多细胞支架的微图案结构。红色荧光的HUVECs排列形成一个血管框架，绿色荧光的HHDPCs呈现出类似毛囊的分散分布。由HUVECs和HHDPCs排列而成的微图案结构，包含了皮肤组织结构的血管网络和毛囊，在体外培养过程中保持稳定。细胞活死实验用来检测多细胞微图案支架培养21天后的细胞活力。嵌入Co-GM、Co-2MS-GM和Co-4MS-GM支架的HUVECs以及HHDPCs在长期培养过程中具有高生存能力。相比之下，Co-6MS-GM微图案多细胞支架中的死细胞数量明显增加，定量统计结果也表明，Co-GM和Co-2MS-GM支架中的细胞存活率在21天内从85%上升到95%以上。同时，Co-4MS-GM支架的细胞存活率在培养初期约为70%，然后在第21天增加到85%。但是Co-6MS-GM支架的细胞密度一直很低（低于30%），证明MS含量越高对细胞活力越有不利影响。
图3 雄性激素性脱发（AGA）C57BL/6小鼠体内皮肤修复和毛发再生
雄性激素性脱发（AGA）是一种以脱发和毛囊变性为特征的慢性疾病。为了验证MS和HUVEC-HHDPC微图案化在组织再生过程中具有诱导毛发再生的潜力，研究人员在C57BL/6小鼠身上建立AGA模型。结果显示40天后，空白组和GM组也能观察到很少的新生毛发，Co-2MS-GM组伤口恢复率优于其他组。此外，用Co-2MS-GM治疗的小鼠在第15天由于黑色素生成而出现色素沉着，在第40天重新长出大量的毛发。接着对伤口部位进行HE染色，结果也显示Co-2MS-GM组有大量毛囊生成。对新形成的毛发进行SEM和直径统计分析显示Co-2MS-GM组再生的毛发具有完整的鳞片，比其他组的毛发更粗。Ki67免疫组化图像也表明高度活跃的毛囊密集分布在Co-2MS-GM组的再生皮肤组织中，表明Co-2MS-GM支架可以增强生长期相关细胞的增殖。总之Co-2MS-GM支架对促进毛囊重建和毛发生长具有较强效果，3D生物打印多细胞微图案支架在治疗AGA方面拥有巨大潜力。
总结与展望
本文开发了一种3D生物打印多细胞微图案化支架，在皮肤再生过程中可以诱导毛囊重建和血管再生。两种类型的皮肤细胞（血管内皮细胞和真皮乳头细胞）以微图案的方式排列，模拟天然皮肤组织中的血管网络和毛囊分布。这种模式化的排列方式可以模拟细胞的三维环境，增强HUVEC-HHDPC的相互作用。此外，MS纳米球嵌入微图案化基质中，作为一种有效刺激物来增强血管和毛囊的再生。生物仿生结构和细胞调节功能的结合使三维多细胞微图案支架具有显著的促血管再生和毛囊重建的能力。总之本研究提出了一种新的细胞微图案化的生物仿生重建策略，用于毛发再生和皮肤功能恢复。
文章来源：
https://doi.org/10.1039/D3MH00528C
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