在模擬圖像引導下將移植皮膚原位打印在模擬燒傷的創(chuàng)面

供稿人:周聖極 連芩
供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

深度皮膚燒傷傷口需要進行皮膚切除和植皮，目前的臨床治療方法是使用自體刃厚皮移植。然而，及時覆蓋大面積燒傷創(chuàng)面仍然是一個重大挑戰(zhàn)，工程化皮膚組織構建可以克服傳統(tǒng)臨床治療的局限性。

美國新澤西州斯蒂文斯理工學院機械工程系的研究人員提出了一種基于原位打印方法的工作流程，可以直接在皮膚燒傷創(chuàng)面移植定制的工程化皮膚。為了說明這種方法，他們首先用模具澆筑明膠-海藻酸鹽水凝膠材料生成皮膚燒傷模型，來模擬任意二維形狀和均勻深度的燒傷創(chuàng)面，如圖1所示。

圖1 皮膚深度燒傷模型的產(chǎn)生；(a)建立聚乳酸(PLA)的模具；(b)在模具四周澆鑄膠凝，置于4℃處膠凝；(c)輕輕移開模具，將紅色膠凝劑添加到之前的鑄型膠凝劑中。

接下來，使用一種基于彩色圖像的模塊來提取燒傷創(chuàng)傷面輪廓并實現(xiàn)輪廓校準，以獲得燒傷模型的真實尺寸和形狀，如圖2所示。

HSV顏色分割算法進行輪廓提取

然后通過打印噴頭路徑生產(chǎn)算法生成噴頭路徑，最后原位打印到燒傷傷口模型上并與燒傷模型輪廓相吻合。其中詳細介紹了一種新的有向噴頭路徑生成算法，該算法可以根據(jù)不同燒傷創(chuàng)面生成打印路徑，。在這理論的基礎上，可以精確打印呈網(wǎng)狀結構排列的含有細胞的明膠-海藻酸鹽水凝膠細絲，與燒傷模型的輪廓相結合，如圖3所示。經(jīng)過24小時的培養(yǎng)觀察，打印的結構體中細胞增殖的同時，還能保持其結構特性。

圖3 燒傷模型內(nèi)的原位打印尺寸精度：(a)顯示打印構造的邊緣與設計的模型之間的間隙；(b)演示打印結構的整體幾何形狀；(c)網(wǎng)狀細絲的精細內(nèi)部結構

原位皮膚打印方法是一種很有前途的技術，它可以為不同燒傷病人的特異性燒傷傷口實時地植入工程皮膚。在民用和軍用層面，都有較大的應用前景，未來可以用來治療面積大、且深度深的皮膚傷口。

參考文獻：
Houzhu Ding, Robert C. Chang. Simulating image-guided in situ bioprinting of a skin graft onto a phantom burn wound bed [J]. Additive Manufacturing, 2018.