生物3D打印仿生傷口敷料和成人干細(xì)胞療法的融合

來源：上普生物

近期，生物3D打印大牛昆士蘭科技大學(xué)Dietmar Hutmacher組BioMaterials期刊上發(fā)表了“Convergence of 3D Printed Biomimetic Wound Dressings and Adult Stem Cell Therapy”的文章。

仿生設(shè)計(jì)的醫(yī)學(xué)級聚己內(nèi)酯（mPCL）敷料經(jīng)過3D打印，具有毛孔結(jié)構(gòu)和各向異性的機(jī)械特性，有利于傷口愈合并減少疤痕。 研究者利用熱熔靜電直寫3D打印的mPCL敷料，再接種人類牙齦組織多能間充質(zhì)干/基質(zhì)細(xì)胞，并使用臨床認(rèn)可的方法進(jìn)行冷凍保存。在大鼠模型的夾板全層切除傷口中，經(jīng)過六周的時(shí)間，比較了新鮮或冷凍的接種有細(xì)胞的mPCL敷料的再生潛力。與對照組相比，通過3D打印的mPCL敷料的應(yīng)用可減少傷口攣縮并通過制粒和再上皮形成顯著改善皮膚再生。將3D打印的仿生傷口敷料與前體細(xì)胞遞送結(jié)合起來可增強(qiáng)生理性傷口閉合，減少疤痕組織的形成。

成年皮膚通過收縮和疤痕形成對全層皮膚傷口產(chǎn)生反應(yīng)，這是一個(gè)主要的修復(fù)過程，通常不能完全恢復(fù)皮膚的生理結(jié)構(gòu)和功能。盡管生物敷料的設(shè)計(jì)取得了重大進(jìn)展，但許多研究仍未通過治療后的半定量組織學(xué)和免疫組織化學(xué)分析很好地表征再生組織的質(zhì)量，或在預(yù)防瘢痕形成方面未取得成功。干細(xì)胞生物學(xué)，生物材料開發(fā)和附加生物制造技術(shù)的最新進(jìn)展確實(shí)導(dǎo)致了前所未有的細(xì)胞外仿生微環(huán)境的工程化。在最近的研究中，使用了不同的細(xì)胞類型和生物材料，但是這些研究主要是在體外進(jìn)行的，或者僅在較短的時(shí)間窗內(nèi)研究了各個(gè)動(dòng)物模型中的傷口閉合情況，而對瘢痕形成后的瘢痕康復(fù)沒有進(jìn)行完整的研究。因此，迫切需要開發(fā)生物敷料，為創(chuàng)傷后皮膚的長期重塑和止血提供有利的微環(huán)境。

熔融靜電直寫（MEW）是一種增材制造技術(shù)，可對基于仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的無溶劑，高度多孔的纖維支架進(jìn)行3D打印。迄今為止，MEW可打印的幾種聚合物，包括醫(yī)用級聚己內(nèi)酯（mPCL）。MEW可以承受具有廣泛機(jī)械性能的3D打印支架。已經(jīng)研究了MEW mPCL支架用于不同組織的再生，例如骨骼，軟骨和心臟瓣膜。在這里，研究者旨在為傷口敷料設(shè)計(jì)具有各向異性機(jī)械性能的MEW mPCL纖維結(jié)構(gòu)。

△圖1 原理設(shè)計(jì)

△圖2 靜電直寫打印測試

△圖3 力學(xué)測試

△圖4 干細(xì)胞的附著和增殖

△圖5 大鼠修復(fù)實(shí)驗(yàn)

△圖6 疤痕組織的減少

△圖7 膠原的沉積

△圖8巨噬細(xì)胞浸潤

△圖9 敷料顯示出最佳的傷口愈合潛力，疤痕面積最少

基于細(xì)胞的敷料旨在通過阻斷負(fù)責(zé)疤痕形成的生物途徑和/或觸發(fā)增強(qiáng)再生途徑而不是修復(fù)過程的信號傳導(dǎo)來減少疤痕形成。研究者的組織學(xué)和免疫組化數(shù)據(jù)集證實(shí)，MSC敷料的療效優(yōu)于其他組（單獨(dú)使用splint或PCL傷口敷料）。組織學(xué)和免疫組織化學(xué)分析均顯示，接種細(xì)胞的傷口敷料對免疫細(xì)胞的遷移和角質(zhì)形成細(xì)胞，內(nèi)皮細(xì)胞和成纖維細(xì)胞的增殖具有直接影響，因此對傷口愈合具有促進(jìn)再生的作用。與研究者的數(shù)據(jù)一致，以前的研究報(bào)道了在3D培養(yǎng)中與皮膚成纖維細(xì)胞相比，人類牙齦成纖維細(xì)胞的非纖維化表型，并且傷口愈合得到增強(qiáng)，牙齦細(xì)胞的瘢痕形成潛力降低了。牙齦細(xì)胞快速，無疤痕愈合的細(xì)胞和分子機(jī)制尚未完全了解，但可能取決于不同生物學(xué)因子的分泌及其免疫調(diào)節(jié)活性。廣泛而快速的傷口收縮在很大程度上促進(jìn)了疤痕的形成。為了指導(dǎo)傷口的收縮和再生（無疤痕愈合），已提出以膠原蛋白-糖胺聚糖支架的形式應(yīng)用“收縮阻滯劑” 。收縮阻滯劑的使用可指導(dǎo)傷口愈合過程中成肌纖維細(xì)胞和膠原纖維組件的定向。研究者的研究證實(shí)了這些發(fā)現(xiàn)，因?yàn)榉律�纖維網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用可承受傷口的收縮力并促進(jìn)無疤痕的傷口愈合。最后，細(xì)胞種子傷口敷料的冷凍保存顯示了加速傷口閉合和減少疤痕的潛力。確實(shí)，優(yōu)化的冷凍保存協(xié)議通過減少時(shí)間和成本來提高制造效率。

結(jié)論
使用具有免疫能力的動(dòng)物來模擬同種異體移植細(xì)胞接種傷口敷料的臨床應(yīng)用，并且不使用免疫抑制藥物。 纖維網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)從仿生學(xué)角度解決了天然皮膚組織的J形應(yīng)變變硬和各向異性行為。 3D打印敷料的最佳表面體積比支持hGMSC附著和增殖。 HGMSC接種的mPCL傷口敷料可在大鼠模型的夾板全厚度切除傷口中更快地閉合傷口，并減少疤痕形成。

參考文獻(xiàn)
Abbas Shafiee, et al. Convergence of 3D Printed Biomimetic Wound Dressings and Adult Stem Cell Therapy, Biomaterials,2020,120558, 0142-9612,

https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2020.120558.