吳成鐵教授團隊：3D打印多細胞微圖案化支架用于毛發(fā)和血管再生

來源：EngineeringForLife

皮膚中毛囊功能異常會導致脫發(fā)從而影響個人的生活質量。為了實現(xiàn)毛囊功能的恢復，需要開發(fā)新的方法應用于復雜的皮膚結構。近日，來自中國科學院上海硅酸鹽研究所吳成鐵教授團隊進行了3D打印多細胞微圖案化支架用于毛發(fā)和血管再生的相關研究。研究成果以“3D multicellular micropatterning biomaterials for hair regeneration and vascularization”為題于6月28日發(fā)表在《Materials Horizons》上。

本研究通過生物打印技術，將與毛囊相關的細胞有序分布在網(wǎng)絡間隔中，從而形成一個三維多細胞微圖案。穩(wěn)定的仿生微圖案結構結合硅酸鎂（MS）納米材料，該3D多細胞微圖案在體外明顯促進毛囊和血管再生。在免疫缺陷小鼠和雄性激素性脫發(fā)（AGA）小鼠模型的皮膚組織再生過程中，含有MS的3D多細胞微圖案有助于實現(xiàn)高效毛發(fā)再生。因此，本研究提出了一種新型的3D微圖案多細胞系統(tǒng)，該仿生微結構調節(jié)細胞與細胞之間的相互作用，可用于皮膚重建期間的毛發(fā)再生。

本文從以下5方面進行系統(tǒng)表征：

1. 硅酸鎂（MS）納米球的制備和表征

2. 3D生物打印多細胞微圖案支架制造和特征。

3. 3D生物打印多細胞微圖案支架體外生物活性

4. 裸鼠體內皮膚組織再生和毛囊重建

5. 體內毛囊激活促進雄性激素性脫發(fā)（AGA）小鼠的毛發(fā)再生

圖1 硅酸鎂（MS）空心納米球表征

通過模板合成具有空心結構的硅酸鎂（MS）納米球，SEM可以發(fā)現(xiàn)MS納米球直徑約為400nm。X射線衍射（XRD）也可以發(fā)現(xiàn)其結晶度較低，此外，通過透射電子顯微鏡（TEM）觀察MS納米球的內部結構發(fā)現(xiàn)其具有一致的外殼厚度，由納米片形態(tài)覆蓋的粗糙的外表面。能量色散光譜（EDS）結果表明MS納米球內部鎂、硅和氧元素均勻分布。

圖2 HUVECs和HHDPCs在3D生物打印多細胞微圖案支架中空間分布和生存能力

通過共聚焦激光掃描顯微鏡（CLSM）可以觀察到多細胞支架的微圖案結構。紅色熒光的HUVECs排列形成一個血管框架，綠色熒光的HHDPCs呈現(xiàn)出類似毛囊的分散分布。由HUVECs和HHDPCs排列而成的微圖案結構，包含了皮膚組織結構的血管網(wǎng)絡和毛囊，在體外培養(yǎng)過程中保持穩(wěn)定。細胞活死實驗用來檢測多細胞微圖案支架培養(yǎng)21天后的細胞活力。嵌入Co-GM、Co-2MS-GM和Co-4MS-GM支架的HUVECs以及HHDPCs在長期培養(yǎng)過程中具有高生存能力。相比之下，Co-6MS-GM微圖案多細胞支架中的死細胞數(shù)量明顯增加，定量統(tǒng)計結果也表明，Co-GM和Co-2MS-GM支架中的細胞存活率在21天內從85%上升到95%以上。同時，Co-4MS-GM支架的細胞存活率在培養(yǎng)初期約為70%，然后在第21天增加到85%。但是Co-6MS-GM支架的細胞密度一直很低（低于30%），證明MS含量越高對細胞活力越有不利影響。

圖3 雄性激素性脫發(fā)（AGA）C57BL/6小鼠體內皮膚修復和毛發(fā)再生

雄性激素性脫發(fā)（AGA）是一種以脫發(fā)和毛囊變性為特征的慢性疾病。為了驗證MS和HUVEC-HHDPC微圖案化在組織再生過程中具有誘導毛發(fā)再生的潛力，研究人員在C57BL/6小鼠身上建立AGA模型。結果顯示40天后，空白組和GM組也能觀察到很少的新生毛發(fā)，Co-2MS-GM組傷口恢復率優(yōu)于其他組。此外，用Co-2MS-GM治療的小鼠在第15天由于黑色素生成而出現(xiàn)色素沉著，在第40天重新長出大量的毛發(fā)。接著對傷口部位進行HE染色，結果也顯示Co-2MS-GM組有大量毛囊生成。對新形成的毛發(fā)進行SEM和直徑統(tǒng)計分析顯示Co-2MS-GM組再生的毛發(fā)具有完整的鱗片，比其他組的毛發(fā)更粗。Ki67免疫組化圖像也表明高度活躍的毛囊密集分布在Co-2MS-GM組的再生皮膚組織中，表明Co-2MS-GM支架可以增強生長期相關細胞的增殖。總之Co-2MS-GM支架對促進毛囊重建和毛發(fā)生長具有較強效果，3D生物打印多細胞微圖案支架在治療AGA方面擁有巨大潛力。

總結與展望
本文開發(fā)了一種3D生物打印多細胞微圖案化支架，在皮膚再生過程中可以誘導毛囊重建和血管再生。兩種類型的皮膚細胞（血管內皮細胞和真皮乳頭細胞）以微圖案的方式排列，模擬天然皮膚組織中的血管網(wǎng)絡和毛囊分布。這種模式化的排列方式可以模擬細胞的三維環(huán)境，增強HUVEC-HHDPC的相互作用。此外，MS納米球嵌入微圖案化基質中，作為一種有效刺激物來增強血管和毛囊的再生。生物仿生結構和細胞調節(jié)功能的結合使三維多細胞微圖案支架具有顯著的促血管再生和毛囊重建的能力�？傊�本研究提出了一種新的細胞微圖案化的生物仿生重建策略，用于毛發(fā)再生和皮膚功能恢復。

文章來源：
https://doi.org/10.1039/D3MH00528C