同時(shí)修復(fù)皮膚和骨骼：賓夕法尼亞州立大學(xué)3D生物打印技術(shù)

2021年5月11日，南極熊獲悉，賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種3D生物打印工藝，該工藝能夠同時(shí)打印硬組織和軟組織，以修復(fù)皮膚和骨骼的損傷。

該研究團(tuán)隊(duì)使用兩種專門設(shè)計(jì)的生物墨水和3D生物打印工藝，僅需一個(gè)步驟在幾分鐘內(nèi)便可以修復(fù)好大鼠模型的頭骨和皮膚上的孔洞。研究人員的最終目標(biāo)是將他們的研究成果轉(zhuǎn)化為人體應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)更快，更有效的皮膚和骨骼愈合。

賓夕法尼亞州立大學(xué)工程科學(xué)與力學(xué)，生物醫(yī)學(xué)工程與神經(jīng)外科工程學(xué)和力學(xué)的副教授Ibrahim T. Ozbolat說：“這項(xiàng)工作具有臨床意義，它可以處理棘手的復(fù)合缺陷，一次性固定硬組織和軟組織。對(duì)于顱面區(qū)域，在外觀美學(xué)上也達(dá)到了令人興奮的效果。當(dāng)前任何一種手術(shù)方法都不能一次性修復(fù)軟組織和硬組織，這就是為什么我們嘗試證明這種3D生物打印技術(shù)的可行性，以便我們一次可以重建整個(gè)缺陷-從骨組織到表皮�！�

修復(fù)皮膚和骨骼創(chuàng)傷

同時(shí)修復(fù)面部和顱骨的皮膚以及骨頭的創(chuàng)傷具有挑戰(zhàn)性，是由于涉及到的組織類型多種多樣。當(dāng)前的方法包括使用患者身體其他部分的骨頭，但骨頭必須覆蓋在軟組織中，并且血液也要從其他地方采集，然后再分別修復(fù)軟組織和皮膚。

近年來，用于再生醫(yī)學(xué)和組織工程的3D打印生物結(jié)構(gòu)越來越受到關(guān)注。正是這些可應(yīng)用的新型生物墨水不斷地被開發(fā)，將3D打印與生物材料工程和干細(xì)胞生物學(xué)等技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)而創(chuàng)建出了更廣泛的可定制骨移植材料。

例如，僅在過去的一年中，研究人員就探索了3D打印的樂高式“骨頭磚”如何治愈破碎的骨骼組織，3D生物打印的納米復(fù)合材料支架促進(jìn)骨形成的方式以及3D打印出包含活細(xì)胞的陶瓷結(jié)構(gòu)在骨組織工程應(yīng)用中具有怎樣的潛在用途，等等。

關(guān)于軟組織方面的研究，已經(jīng)出現(xiàn)了3D打印的可產(chǎn)生T細(xì)胞的水凝膠，3D生物打印的定制化鼻軟骨以用于術(shù)后面部變形的患者，以及支持細(xì)胞長期存活的3D打印水凝膠。

然而，根據(jù)賓夕法尼亞州立大學(xué)研究人員的說法，目前國際上尚未實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)軟組織和硬組織進(jìn)行3D打印的方法，這也促使了他們進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

△KAUST的3D打印水凝膠可支持細(xì)胞長期存活，并具有再生醫(yī)學(xué)應(yīng)用的潛力。圖片來自KAUST。

對(duì)硬組織和軟組織進(jìn)行生物打印

為解決上述挑戰(zhàn)，Ozbolat和他的團(tuán)隊(duì)使用了擠壓式和液滴式生物打印技術(shù)組合的方式來沉積細(xì)胞和載體材料的混合物，以生成骨骼和軟組織，用于修復(fù)大鼠模型的顱骨損傷。

研究人員首先著重于骨骼修復(fù)的元素。他們開發(fā)了一種由膠原蛋白，殼聚糖，納米羥基磷灰石和間充質(zhì)干細(xì)胞組成的“硬組織墨水”，并發(fā)現(xiàn)這種墨水能在骨髓中產(chǎn)生骨骼，軟骨和骨髓脂肪的多能細(xì)胞。生物墨水在室溫下擠出，一旦加熱至人體溫度，便可以刺激膠原蛋白與墨水其他部分的交聯(lián)。這樣就消除了添加交聯(lián)劑會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的問題。

為了制造出軟組織，研究人員使用液滴3D打印技術(shù)在具有交聯(lián)和生長促進(jìn)化合物的交替層中沉積膠原蛋白和纖維蛋白原。打印的軟組織層在成分上有所不同，用以反映皮膚層的變化。

該團(tuán)隊(duì)分別采用每種技打印術(shù)對(duì)直徑為6mm的孔洞進(jìn)行了修復(fù)實(shí)驗(yàn)。一旦這些實(shí)驗(yàn)被證明成功，他們就開始在同一手術(shù)過程中同時(shí)修復(fù)硬組織和軟組織。
Ozbolat說：“這種方法是一個(gè)極富挑戰(zhàn)性的過程，事實(shí)上，我們花了大量時(shí)間來尋找合適的骨骼、皮膚材料以及正確的生物打印技術(shù)�！�

△皮膚和骨骼生物打印過程的示意圖。圖片來自賓夕法尼亞州立大學(xué)Ozbolat實(shí)驗(yàn)室。

同步進(jìn)行生物打印

首先，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)缺陷進(jìn)行了成像處理，以精確確定其幾何形狀。然后對(duì)骨骼層進(jìn)行3D打印，在上面沉積類似骨膜的屏障層-圍繞顱骨的血管化組織層，以防止皮膚層細(xì)胞遷移到骨骼區(qū)域并在那里生長。

接下來，研究人員以3D方式打印仿造出皮膚的真皮和表皮的軟組織層。根據(jù)Ozbolat的說法，不到3分鐘即可將骨骼層和軟組織3D打印在一起。

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，研究人員進(jìn)行了50多次缺損閉合，并在4周內(nèi)實(shí)現(xiàn)了100％的軟組織閉合。六周內(nèi)，骨組織的閉合率為80％。值得注意的是，根據(jù)Ozbolat的說法，即使采用更傳統(tǒng)的獲得式骨替代方法，骨閉合在6周內(nèi)也很少達(dá)到100％。

該項(xiàng)目的下一步是添加血管化化合物，以增加流向骨骼的血液。最終，該小組希望將他們的研究成果應(yīng)用到人體當(dāng)中，目前正在賓夕法尼亞州荷西醫(yī)學(xué)中心與神經(jīng)外科醫(yī)師，顱頜面外科醫(yī)師和整形外科醫(yī)師合作，使用更大的生物打印設(shè)備來進(jìn)行更大動(dòng)物的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。

有關(guān)該研究的更多信息，請(qǐng)參見發(fā)表在《Advanced Functional Materials》雜志上的題為“Intra-operative bioprinting of hard, soft, and hard/soft composite tissues for craniomaxillofacial reconstruction”的論文。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202010858