CELLINK 生物打印机3D打印毛囊，促进皮肤再生

2023年11月，南极熊获悉，纽约伦斯勒理工学院的研究人员成功在实验室培养的人体皮肤组织中3D打印毛囊，这是一项具有里程碑意义的成就，标志着皮肤工程和再生医学领域的重大进步。这项研究由化学和生物工程副教授 Pankaj Karande 博士牵头，题目为《Incorporation of hair follicles in 3D bioprinted models of human skin》，发表在《Science Advances》期刊上，实验的关键是使用瑞典生物打印领导者 BICO 旗下 CELLINK 子公司的Bio X 3D 打印机。



研究速览

研究人员将真皮乳头细胞 (DPC) 和人脐静脉细胞 (HUVEC) 诱导的球体打印在含有成纤维细胞的预凝胶真皮层内，由此产生的组织在成熟时形成毛囊样结构，并由角质形成细胞和黑素细胞的迁移支持，其形态和成分与天然皮肤组织非常相似。复杂性更高的重建皮肤模型可以更好地模拟天然附件结构，作为移植物和测试化合物安全性的功效模型，可以对再生医学产生重大影响。

头发科学的进展
毛囊皮脂腺单位包含毛囊和皮脂腺，是皮肤整体结构的组成部分，在伤口愈合中发挥着重要作用。因此，它是皮肤研究的重点。在维持皮​​肤健康方面，毛囊的重要性远远超出了化妆品。

研究人员开发的 3D 打印过程包括：

●在实验室中培养皮肤和毛囊细胞，直到有足够的细胞用于打印。

●然后，这些细胞与蛋白质结合，形成生物墨水，由打印机逐层沉积，形成毛细胞沉积的通道。

●皮肤细胞迁移到这些通道，有效地复制毛囊的自然结构。

Karande博士指出：“我们的工作是一个概念验证，即可以使用3D生物打印以高精度、可重复的方式创建毛囊结构。未来的皮​​肤生物制造需要这种自动化过程。使用人源细胞重建毛囊历来都是一个挑战。一些研究表明，如果这些细胞在三维环境中培养，它们有可能产生新的毛囊或毛干，我们的研究建立在这项工作的基础上。”

生物打印过程
根据这项研究，人类真皮乳头细胞 (DPC) 在毛囊发育中发挥着至关重要的作用，但当它们在平面、二维环境中培养时，它们驱动毛发生长的能力会显着减弱，这与它们在毛囊中的行为形成鲜明对比。为了获得更自然的立体环境，该团队转向3D生物打印。


△皮肤内毛囊的 3D 生物打印

研究团队使用CELLINK的BioX 3D生物打印机，控制挤出压力、喷嘴直径和打印速度，以确保生物打印细胞的存活和健康，包括人表皮角质形成细胞 (HEK)、人表皮黑素细胞 (HEM)、真皮乳头细胞 (DPC) 和人脐静脉内皮细胞 (HUVEC)。

他们的任务是使用皮肤细胞组合制作小型毛囊模型（称为球体）。他们要打印这些细胞，目标是准确复制人类真皮乳头的尺寸，每个球体使用大约 3,000 个 DPC。

随后，研究团队开始构建包含这些毛囊结构的综合皮肤模型，开发了一种由 DPC 和 HUVEC 组成的独特“生物墨水”，还含有 HEK 和 HEM。这种毛囊生物墨水被分层放置在由人真皮成纤维细胞 (HDF) 制成的基础床上，并与来自大鼠尾部的 I 型胶原蛋白和硫酸皮肤素混合。

在该基础层之上，使用由 IV 型胶原蛋白配制的不同生物墨水打印另一层。该层是基础真皮层和最上表皮层之间的关键连接处。经过一小时的设置后，最后一步是添加最顶层，即含有 HEK 和 HEM 的表皮生物墨水，从而完成具有集成毛囊单元的复杂皮肤模型。

将皮肤模型浸入水中三天，然后暴露于气液界面14天，以促进细胞的正常发育和分化。这种暴露对于皮肤模型的发育至关重要，因为它促进了表皮细胞的最终分化。目前，工程组织的寿命为两到三周，这限制了毛干的发育。该团队的目标是延长这一时期，让毛囊进一步成熟，这可能对药物测试和皮肤移植产生重大影响。


△使用不同细胞成分生成的复杂 3D 生物打印球体的表征

未来发展
根据增材制造研究公司（以前称为 SmarTech Analysis）的《生物打印：市场与机遇》报告，到 2031 年，该行业的价值可能达到 28 亿美元。与这项研究是生物打印服务和材料的细分领域，虽然这种毛囊墨水是一个潜在利润丰厚的领域，但生物打印服务预计将占这些收入的最大份额，达到 20.6 亿美元。

BICO 集团已做好充分利用这一空间的准备。该公司成立于 2016 年，当时名为 CELLINK，销售生物打印机、墨水等。BICO 的生物打印机已广泛应用于哈佛大学等顶级组织和大学，以及默克和诺华等公司，该公司现在有了一位新的首席执行官，这将推动 BICO 进入一个新的增长时代。

伦斯勒理工学院 Karande 团队的这项最新研究建立在先前成功打印具有工作血管的皮肤的基础上，标志着在开发更好的烧伤和其他皮肤病治疗方法方面迈出了重要一步。这项研究不仅为工程皮肤的毛发生长铺平了道路，而且还为再生医学和皮肤病学测试的变革性进步奠定了基础，还为研究干细胞再生老化头发开辟了可能性。
原文链接：DOI: 10.1126/sciadv.adg0297