生物3D打印構建的仿生多層植入物有效促進皮膚傷口愈合

來源： EngineeringForLife

皮膚被認為是抵御外部物理、化學和微生物攻擊的主要屏障。創(chuàng)傷、感染、燒傷和糖尿病是全層皮膚缺損的常見原因，修復此類缺損是一項重大的臨床挑戰(zhàn)。自體或同種異體皮膚移植是應對這一挑戰(zhàn)的理想選擇，但仍存在供體不足和免疫排斥反應問題。

活細胞和生物材料的生物3D打印是解決這一挑戰(zhàn)的一項有前景的技術。然而，生物材料的制備耗時且來源有限是必須解決的瓶頸。針對此問題，來自解放軍總醫(yī)院第四醫(yī)學中心燒傷整形醫(yī)學部的陳敏亮醫(yī)師開發(fā)了一種簡單快速的方法，將脂肪組織直接加工成微碎片脂肪細胞外基質(zhì)（mFAECM）作為生物墨水的主要成分，以制造生物打印的仿生多層植入物。通過mFAECM復合生物墨水和細胞制造的仿生多層植入物可以通過促進傷口內(nèi)新組織的收縮、膠原蛋白分泌和重塑以及新血管形成來加速傷口愈合。

相關研究成果以“3D-Bioprinted Biomimetic Multilayer Implants Comprising Microfragmented Adipose Extracellular Matrix and Cells Improve Wound Healing in a Murine Model of Full-Thickness Skin Defects”為題于2023年6月14日發(fā)表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。

圖1 仿生多層植入物的3D打印、制造和植入示意圖

1. mFAECM的制備和表征

作者首先收集了均質(zhì)化的ECM，其具有均勻致密的絮狀外觀（圖2A）。在本研究中，使用三通連接器兩次均質(zhì)化ECM，通過改變?nèi)�通閥角度以減小孔徑來進一步破碎ECM。為了能夠立即使用該材料，該研究沒有使用需要數(shù)十個小時才能完成的無細胞方法，因此ECM中發(fā)現(xiàn)了一些細胞核（圖2B）。作為一種可立即使用的自體材料，少量細胞的存在不會影響實用性。對mFAECM和天然組織關鍵成分的分析表明天然組織的大部分膠原蛋白和sGAG含量保留在mFAECM中。

圖2 mFAECM 的制備和表征

2. 流變及其結構特性

當溫度低于22 ℃時，儲能模量和損耗模量的變化幅度突然增大。儲能模量在約19.8 °C時超過損耗模量，表明從液體轉(zhuǎn)變?yōu)槟�膠。與此同時，損耗角正切突然下降，也反映了從液體到固體的轉(zhuǎn)變（圖3A）。因此，作者選擇19−21 ℃作為打印溫度。在 0−30 °C范圍內(nèi)，生物墨水粘度隨著溫度升高而降低（圖3B）。作者還在17和20 °C下通過穩(wěn)定剪切掃描分析了粘度，發(fā)現(xiàn)在兩個溫度下粘度隨著剪切速率的增加而降低，顯示出剪切稀化特性（圖3C）。SEM結果顯示復合生物墨水的多孔微觀結構，孔徑范圍為50至200μm，足以允許內(nèi)皮細胞遷移和血管生成（圖3D）。

圖3 mFAECM-GelMA-HAMA 復合生物墨水的流變學和微觀結構特性

3. 仿生多層植入物的制造

接著，為了創(chuàng)建可打印的mFAECM，作者將其與甲基丙烯酰明膠(GelMA)和甲基丙烯酰透明質(zhì)酸(HAMA)結合形成三種生物墨水。為了評估m(xù)FAECM復合生物墨水的可打印性，應用3D打印技術來制造圓形、網(wǎng)狀四層結構，該構造表現(xiàn)出高保真度，并且與設計模式高度一致（圖4A-B）。使用連接到打印機的高清相機拍攝的圖像顯示，生物墨水軌跡保持連續(xù)，并且每條線獨立分布，沒有合并或折疊（圖4C）。SEM圖像顯示細胞附著在孔上（圖4D），例如結構下層的孔�？傊�，mFAECM復合生物墨水表現(xiàn)出良好的可打印性和保真度，可以支持細胞附著。

圖4 仿生多層植入物的制造和微觀結構

4. 體外生物相容性
為了評估m(xù)FAECM復合生物墨水和光引發(fā)劑的生物相容性，將 HaCaT、成纖維細胞和HUVEC分別封裝在復合生物墨水中并在單層印刷結構中培養(yǎng)。所有細胞類型從第1天到第7天均增殖（圖 5A），并且活力保持 > 90%（圖5B）�？侱NA含量隨著時間的推移而增加，第1、3和7天之間存在顯著差異（圖5C）。這些結果表明mFAECM復合生物墨水具有良好的生物相容性，并且打印溫度和壓力不會對細胞活力產(chǎn)生不利影響。

圖5 細胞相容性評價

5. 仿生多層植入物促進小鼠模型中的皮膚傷口愈合

為了評估由mFAECM和細胞組成的生物打印仿生多層植入物對體內(nèi)傷口愈合的效果，作者在裸鼠中制備了全層皮膚缺損模型（圖6A）。植入后的第14天，充滿細胞的組已實現(xiàn)傷口完全閉合，而無細胞組仍有一小片未愈合的傷口，空白組未愈合傷口較大（圖6A-D）。形態(tài)學分析表明，生物打印仿生多層植入物的傷口愈合效果最好。

H&E染色用于評估愈合傷口區(qū)域的整體組成和解剖結構。第14天的染色結果表明充滿細胞和無細胞組的表皮結構更加完整。與脫細胞組相比，細胞負載組的真皮結構分布更加均勻，血管和纖維組織清晰可見（圖6E）。

圖6 動物皮膚傷口模型及HE染色分析

綜上，本文描述了一種快速而簡單的方法來直接處理脂肪組織以獲得mFAECM，它將用作生物墨水的主要成分來制造生物3D打印的充滿細胞的仿生多層植入物。結果表明，mFAECM 復合生物墨水具有良好的生物相容性、可打印性和保真度，并且可以支持細胞粘附。植入物中封裝的細胞在植入后可以正常存活并參與傷口修復。植入物的基本結構在整個傷口愈合過程中得到維持，并在后期逐漸代謝。這項研究為改善生物3D打印皮膚替代品的及時制造提供了一條有效的途徑，這對于大規(guī)模全層皮膚缺損至關重要。

文章來源：https://doi.org/10.1021/acsami.2c21629