論生物打印在皮膚組織工程中的應用

生物3D打印有以下主要研究領域：皮膚、骨組織、血管、器官（比如心臟，腎臟，胎盤，卵巢等等）、藥物和營養(yǎng)物控釋。今天我們先講一講生物打印技術在皮膚領域的應用。
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主題：“三的部落丨Stratasys  3D打印醫(yī)療應用論壇”
時間：2017年8月20日上午8:30-12:30
地點：上海世博展覽館B2層3號會議室
屆時將有上海九院的戴尅戎院士、東方醫(yī)院的譚軍院長等眾多業(yè)內(nèi)大咖來到現(xiàn)場，為大家?guī)��?D打印在醫(yī)療臨床中的最新應用報告，看看這強大的陣容吧！

生物打印皮膚的潛力所在

對大面積燒傷的人來說進行植皮手術所需大面積的皮膚是很困難的，因此醫(yī)學研究中一直在尋找簡單的方法制造出植皮所需的皮膚。研究者們正在探索如何使用生物3D打印皮膚來豐富和改善以往的細胞培養(yǎng)方式，在較短的時間內(nèi)，使用較少的儀器成本和活體組織用量來培養(yǎng)所需要的人體皮膚組織。

該研究方向在動物測試以及人體植皮方面將會有很大的應用潛力，如何打印人體最大的器官 – 皮膚。

皮膚，作為人體中最大的器官，擁有著一系列復雜的組織功能。一般情況而言，我們將皮膚定義為三層：
1、保護和保濕的皮膚表皮層
2、包含毛囊和汗腺的真皮層
3、儲存能量、緩沖外力的皮下組織

皮膚組織結(jié)構(gòu)

皮層的特異性和功能性決定了他們是皮膚組織工程學當中的主要難題和挑戰(zhàn)。因此，人造皮膚也一定要按照合理的制作流程來制造，從而去迎合皮膚組織的自然特性。

一般來說，研究者使用半透膜嵌入到細胞培養(yǎng)池當中，用來支撐細胞。目前市面上常見的半透膜嵌入物都是有包含很多微孔的板，通過半透膜暫時將其密封。在細胞的培養(yǎng)過程當中，半透膜可以使隔離腔底部的細胞長入到上部的目標材料當中去。
通透式隔離腔簡圖，圖中黃色的部分是置入的細胞

通過使用3D打印技術，通過使用PCL（聚已內(nèi)酯，一種經(jīng)過FDA認證，生物可降解的聚酯材料）來打印出生物打印過程中的所需要的支撐結(jié)構(gòu)。

擠出-噴墨混合打印技術
研究者們采用了一種混合3D打印方式，所謂的混合也就是使用多個打印頭，將擠出式3D打印擠出頭和噴墨式3D打印噴頭同時使用。該制作流程一共需要4個打印頭。

A打印頭是一個擠出式的打印頭，用來打印作為支撐材料的水凝膠材料。（該材料在細胞孵化期之前會被去除）
B打印頭是用來打印聚已內(nèi)酯的，之前介紹過，聚已內(nèi)酯在打印過程中是用來做網(wǎng)狀支撐結(jié)構(gòu)的。（也就是整個打印結(jié)構(gòu)的骨架）
C打印頭用來打印包含膠原蛋白（皮膚當中的主要結(jié)構(gòu)蛋白）的生物墨水材料的。
D打印頭是一個噴墨式3D打印噴頭，用來打印角質(zhì)細胞。（人體表皮組織當中最重要的細胞類型，它是一道用于保護真皮組織的屏障）

這四個打印頭依次按照如下的打印流程進行打印，得到我們所需要的皮膚組織：

1、B打印頭打印聚已內(nèi)酯底層框架
2、A打印頭打印水凝膠支撐
3、如此一層一層向上往復
4、B打印頭擠出聚已內(nèi)酯隔膜
5、C打印頭打印出真皮層（包含角質(zhì)蛋白）的生物墨水，同時B打印頭打印邊緣的聚已內(nèi)酯外墻結(jié)構(gòu)，從而圍住內(nèi)部的可流動結(jié)構(gòu)
6、D打印頭打印最上層的表皮結(jié)構(gòu)（角質(zhì)細胞）
7、打印過程結(jié)束，去除底部的水凝膠支撐材料，加入增殖培養(yǎng)基，使結(jié)構(gòu)完全浸入其中，于37℃環(huán)境下培養(yǎng)3天
8、之后加入分化培養(yǎng)基，通過氣-液交界面培養(yǎng)的方式進行培養(yǎng)，最終使皮膚組織成熟

皮膚生物打印流程和傳統(tǒng)技術的比較

研究人員在進行3D打印皮膚組織的同時，還進行了另外兩組通過傳統(tǒng)手法（1、手工制作聚已內(nèi)酯錨點，而不是采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；2、只使用膠原蛋白凝膠作為支撐）的實驗作為對比。

上圖左為通過3D打印手法得到的細胞致密度，右為通過傳統(tǒng)手工手法得到的細胞致密度

通過對比，可以發(fā)現(xiàn)通過3D打印手法得到的細胞結(jié)構(gòu)相較于傳統(tǒng)手法更加緊密，也就意味著其相較于傳統(tǒng)手法，能夠獲得更精確的組織形體，同時又能夠在培養(yǎng)過程中較好地保持形體。

上圖左為3D打印手法，右為傳統(tǒng)手工手法

作為一種全新的培養(yǎng)方式，采用3D打印技術，相比較傳統(tǒng)手法能夠獲得更輕巧、精確的組織結(jié)構(gòu)，設計者可擁有更靈活的設計結(jié)構(gòu)，同時也減少了培養(yǎng)基的使用量，節(jié)省成本。

據(jù)悉，全球正在研究通過生物打印手法來培養(yǎng)皮膚的機構(gòu)和企業(yè)正逐漸增多，競爭趨于激烈。研究人員還希望能夠在任何地方輕松的制造皮膚。比如醫(yī)務人員可以提著一個便攜式皮膚打印機到戰(zhàn)場上受傷的士兵身邊，掃描傷口，確認所需皮膚層數(shù)，從傷者身上提取細胞然后打印出一塊不會產(chǎn)生排斥反應的皮膚，這樣士兵就能得到及時的治療。

相關報道指出，已有機構(gòu)正在研究如何直接在創(chuàng)面上打印皮膚組織，從而實現(xiàn)快速療傷。

來源：3的部落