研究人员使用3D打印皮肤来治疗各种类型的伤口

2024年3月4日，南极熊获悉，宾夕法尼亚州立大学的研究人员宣称，成功利用临床获得的人体组织，通过3D打印技术在实验鼠身上修复了颅颌面（CMF）损伤。传统的自体移植和皮瓣手术存在诸多问题，如疤痕、美观性差等，因此迫切需要新的重建方法。这项研究为组织工程皮肤的应用提供了新的替代方案，为CMF全层皮肤缺损重建领域带来了新希望。

△研究人员使用3D打印皮肤来闭合伤口的路径图，这项技术可能会对精确重建皮肤的临床转化产生重大影响

今年二月，美国专利商标局授予该团队在研究中开发和使用生物打印技术的专利。宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学、生物医学工程和神经外科教授Ibrahim T. Ozbolat表示：“传统上，用于纠正因受伤或疾病而造成的面部或头部创伤的重建手术通常并不完美，会导致疤痕或永久性脱发。通过这项工作，我们证明了生物3D打印的全层皮肤具有在老鼠身上生长毛发的潜力。这距离实现更自然、更美观的人类头部和面部重建又近了一步。”

△这项研究结果已发表在《生物活性材料》杂志上，题目为“人脂肪干细胞和细胞外基质的术中生物打印，在全层颅颌面皮肤重建过程中诱导毛囊样向下生长和脂肪组织形成”（传送门）

3D打印更有效地治疗各种类型的伤口

科学家之前已经对薄层皮肤进行了3D生物打印，但Ozbolat及其团队是第一个在术中打印多个皮肤层（包括最底层或皮下组织）的完整生命系统的人。术中指的是在手术期间打印组织的能力，这意味着该方法可用于更立即、无缝地修复受损皮肤。顶层（作为可见皮肤的表皮）在中间层的支撑下自行形成，因此不需要打印。皮下组织由结缔组织和脂肪组成，为头骨提供结构和支撑。

Ozbolat解释说：“皮下组织直接参与干细胞变成脂肪的过程。这个过程对于包括伤口愈合在内的几个重要过程至关重要。它还在毛囊循环中发挥作用，特别是促进头发生长。”

△宾夕法尼亚州立大学博士后研究员Miji Yeo检查3D打印机上的生物墨盒，该打印机专为术中打印皮肤层而开发

研究人员首先从宾夕法尼亚州立大学健康米尔顿·赫尔希医疗中心接受手术的患者身上获取人体脂肪组织。合作者Dino J. Ravnic是宾夕法尼亚州立大学医学院整形外科系的外科副教授，他带领他的实验室获得了用于提取细胞外基质的脂肪。细胞外基质是分子和蛋白质的网络，为细胞提供结构和稳定性。组织是制造生物墨水的一种成分。

Ravnic的团队还从脂肪组织中获得了干细胞，如果提供正确的环境，干细胞有可能成熟为几种不同的细胞类型，从而制造另一种生物墨水成分。每个组件都被加载到生物打印机的三个隔室之一中。第三个隔室充满了凝血溶液，有助于其他成分正确地结合到受伤部位。

Ozbolat说：“这三个隔室使我们能够在精确控制下共同打印基质-纤维蛋白原混合物和干细胞。我们直接打印到受伤部位，目标是形成皮下组织，这有助于伤口愈合、毛囊生成和温度调节等。”

研究人员获得了皮下组织和真皮层，表皮在两周内自行形成。

Ozbolat说：“我们在实验鼠身上进行了三组研究，以更好地了解脂肪基质的作用，我们发现基质和干细胞的共同传递对于皮下组织的形成至关重要。它不能仅对细胞或基质有效地起作用，而且必须是同时起作用。”

△用于全层皮肤重建的术中生物打印（IOB）

诱导毛囊样向下生

这项研究还发现皮下组织含有绒毛生，这是早期毛囊形成的初始阶段。研究人员表示，虽然脂肪细胞不直接参与毛囊的细胞结构，但它们参与毛囊的调节和维护。

Ozbolat说：在这项工作中，脂肪细胞可能改变了细胞外基质，使其更有利于向下生长的形成。我们正在努力推进这一目标，以控制密度、方向性和生长的方式使毛囊成熟。”

创伤或患病部位如果无法精确地支持毛发的生长，会限制自然重建手术的效果。Ozbolat表示，这项工作提供了一条充满希望的前进道路，特别是与他实验室的其它项目相结合，包括打印骨骼和研究如何匹配各种肤色的色素沉着。

他强调：“我们相信这可以应用于皮肤科、毛发移植以及整形和重建手术，它可以带来更加美观的结果。凭借全自动生物打印能力和临床级兼容材料，这项技术可能会对精确重建皮肤的临床转化产生重大影响。”