生物3D打印皮膚的研究進(jìn)展及多樣化臨床應(yīng)用路徑

來(lái)源： 中國(guó)老年醫(yī)學(xué)學(xué)會(huì)燒創(chuàng)傷分會(huì)

近年來(lái)，生物3D打印技術(shù)在皮膚替代物研究中的快速發(fā)展引起了廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)組織工程皮膚相比，生物3D打印技術(shù)能夠更快速、全面地模擬皮膚的結(jié)構(gòu)和功能，為多種實(shí)驗(yàn)檢測(cè)和臨床用途提供支持，由此也推動(dòng)了皮膚替代物的快速迭代。生物3D打印皮膚的應(yīng)用路徑、場(chǎng)景和方向呈現(xiàn)多樣化。除了傳統(tǒng)的體外培養(yǎng)加創(chuàng)面移植的臨床路徑，還可以采用原位打印光聚合的形式進(jìn)行快速床旁構(gòu)建，用于創(chuàng)面急救與治療。此外，結(jié)合現(xiàn)有臨床治療方法，生物3D打印皮膚可以為患者提供更精確和定制化的解決方案。未來(lái)的研究將聚焦于生物墨水的改進(jìn)、打印技術(shù)的優(yōu)化以及臨床應(yīng)用的推廣，以實(shí)現(xiàn)生物3D打印皮膚技術(shù)在創(chuàng)面治療中的廣泛應(yīng)用。


實(shí)現(xiàn)皮膚的完美再生一直是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)追求的目標(biāo)。然而，傳統(tǒng)的自體皮移植由于供體來(lái)源的限制、供體部位的缺陷、免疫排斥和感染等因素的存在，其應(yīng)用范圍受到一定程度的限制[1]。此外，現(xiàn)有的創(chuàng)面敷料只適用于淺表創(chuàng)面的促愈治療，無(wú)法處理大面積和深部創(chuàng)面。因此，從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，基于組織工程的皮膚替代物構(gòu)建引起了廣泛關(guān)注并迅速發(fā)展。然而，由于技術(shù)的局限性，目前的組織工程皮膚在結(jié)構(gòu)和功能上相對(duì)簡(jiǎn)單，難以滿足臨床實(shí)際需求[2]。

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著生物3D打印技術(shù)的興起，為皮膚替代物的研究帶來(lái)了新的機(jī)遇。生物3D打印技術(shù)是以計(jì)算機(jī)三維模型為模板，裝配特制“生物墨水”，最終制造出人造器官和生物醫(yī)學(xué)產(chǎn)品的新科技手段。從2007年的概念興起到現(xiàn)在，這項(xiàng)技術(shù)經(jīng)歷了飛速發(fā)展，目前已成為了最熱門、最具有應(yīng)用前景的組織工程技術(shù)，促使再生醫(yī)學(xué)研究與轉(zhuǎn)化提升到了一個(gè)新高度[3]。

相較于傳統(tǒng)的組織工程技術(shù)，生物3D打印技術(shù)具有按需構(gòu)建特殊形狀和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的皮膚替代物的能力，并且具有更高的精度[4]。近年來(lái)，生物3D打印皮膚相關(guān)的生物墨水基礎(chǔ)生物材料的開(kāi)發(fā)、以及結(jié)構(gòu)功能的整合研究等均取得了迅速進(jìn)展，逐步實(shí)現(xiàn)了皮膚結(jié)構(gòu)和功能的多樣性構(gòu)建。同時(shí)，基于不同的生物3D打印皮膚構(gòu)建策略，衍生出了多種生物3D打印皮膚替代物的臨床使用場(chǎng)景和路徑，以滿足不同的創(chuàng)面治療需求。這意味著生物3D打印皮膚替代物可以更好地適應(yīng)不同類型的創(chuàng)面，為患者帶來(lái)更加個(gè)性化、精準(zhǔn)的治療方案。本文旨在對(duì)生物3D打印皮膚的最新研究進(jìn)展進(jìn)行簡(jiǎn)要概述，并探討其在臨床應(yīng)用中的多重潛在路徑，以期為未來(lái)的研究和臨床應(yīng)用提供明確定位和發(fā)展方向。

1.  生物3D打印皮膚的研究進(jìn)展
由于皮膚具有簡(jiǎn)單層狀平面的生理結(jié)構(gòu)，因此在生物3D打印研究中具有天然優(yōu)勢(shì)[5]。經(jīng)過(guò)十多年的研發(fā)，國(guó)內(nèi)外多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)發(fā)表了生物3D打印皮膚的研究進(jìn)展。生物3D打印皮膚已經(jīng)在許多方面超越了傳統(tǒng)組織工程皮膚，其結(jié)構(gòu)和功能模擬更加快速且全面，應(yīng)用路徑、應(yīng)用場(chǎng)景和應(yīng)用方向呈現(xiàn)多樣化[6]。

在打印結(jié)構(gòu)方面，生物3D打印皮膚不僅可以包含傳統(tǒng)組織工程皮膚的層狀（表皮層、真皮層和皮下組織層）結(jié)構(gòu)，而且可以將具有特殊功能的細(xì)胞（如黑素細(xì)胞、朗漢細(xì)胞等）和結(jié)構(gòu)模塊精準(zhǔn)嵌入皮膚中，從而實(shí)現(xiàn)皮膚的全結(jié)構(gòu)再造。Ng等[7]報(bào)道了含有表皮細(xì)胞、黑素細(xì)胞和成纖維細(xì)胞的仿生3D打印皮膚模型，該皮膚的色素沉著較普通組織工程皮膚更能模擬人體正常皮膚的色素水平（如圖1A）。Atala等[8]報(bào)道了含有6種皮膚相關(guān)細(xì)胞和三層結(jié)構(gòu)的生物3D打印皮膚，在體外培養(yǎng)56天達(dá)到成熟后移植入裸鼠背部創(chuàng)面，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)面的快速愈合（如圖1B）。

圖1.生物3D打印皮膚的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（A）含有黑素細(xì)胞、表皮細(xì)胞和真皮成纖維細(xì)胞的生物3D打印雙層皮膚[7]；（B）含有六種皮膚相關(guān)細(xì)胞的生物3D打印三層結(jié)構(gòu)皮膚的設(shè)計(jì)和體外培養(yǎng)52天后的形態(tài)[8]。

在功能重建方面，生物3D打印皮膚不僅可以通過(guò)裝載入打印組織的特殊功能細(xì)胞和附屬器實(shí)現(xiàn)特定功能，而且還可以根據(jù)植入后血管神經(jīng)長(zhǎng)入的需求，在特定部位加入血管、神經(jīng)的種子細(xì)胞或活性誘導(dǎo)因子，可有效增強(qiáng)打印皮膚的成活率。Abaci等[9]報(bào)道了含有毛囊仿生結(jié)構(gòu)的生物3D打印皮膚，且在裸鼠背部創(chuàng)面移植后長(zhǎng)出毛發(fā)。Huang等[10]報(bào)道了生物3D打印皮膚中誘導(dǎo)間充質(zhì)干細(xì)胞向汗腺分化，并將該打印皮膚用于小鼠足掌燒傷創(chuàng)面治療并促進(jìn)該部位汗腺功能重建。

另外，皮膚附屬器和皮膚疾病的體外研究模型構(gòu)建也取得了很多進(jìn)展。Yao B.等[12]還將人源性瘢痕細(xì)胞和瘢痕細(xì)胞外基質(zhì)混入生物墨水，打印出的組織體外培養(yǎng)后移植入裸鼠背部，形成了表征穩(wěn)定的人源性瘢痕類器官，可用于瘢痕形成機(jī)制研究和藥物篩選（如圖2A）；Zhang Y.等[11]利用懸滴培養(yǎng)法構(gòu)建了毛囊細(xì)胞球，將該細(xì)胞球種植于前期制備成熟的含有誘導(dǎo)汗腺組織的生物3D打印皮膚內(nèi)，構(gòu)建出同時(shí)含有汗腺和毛囊的生物3D打印皮膚，可以用于皮膚和汗腺相互作用機(jī)制的基礎(chǔ)研究（如圖2B）。

圖2. 生物3D打印皮膚瘢痕和皮膚附屬器模型（A）生物3D打印人源性皮膚瘢痕模型用于瘢痕治療藥物篩選；（B）生物3D打印含汗腺和毛囊的皮膚模型用于汗腺和毛囊相互作用研究。

2.  生物3D打印皮膚的臨床應(yīng)用路徑
隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和臨床實(shí)踐的積累，生物3D打印皮膚在臨床應(yīng)用中的潛力逐漸展現(xiàn)。相比傳統(tǒng)組織工程皮膚，生物3D打印皮膚具有更多可選擇的臨床應(yīng)用路徑。

首先，絕大部分生物3D打印皮膚可以使用與傳統(tǒng)組織工程皮膚相同的臨床路徑，即將生物3D打印皮膚在體外培養(yǎng)至成熟狀態(tài)，然后再移植到患者的創(chuàng)面上[8,13]。這種方法可以確保打印皮膚具備足夠的結(jié)構(gòu)完整性，同時(shí)也提供了更多的時(shí)間進(jìn)行細(xì)胞和組織的誘導(dǎo)培養(yǎng)和功能成熟。這種傳統(tǒng)的應(yīng)用路徑在一些復(fù)雜創(chuàng)面重建術(shù)中已經(jīng)得到應(yīng)用，但是由于體外誘導(dǎo)培養(yǎng)需要較高的實(shí)驗(yàn)條件，培養(yǎng)時(shí)間一般較長(zhǎng)，而且存在打印結(jié)構(gòu)降解和污染的風(fēng)險(xiǎn)，所以流程復(fù)雜性可能會(huì)影響該臨床路徑的廣泛應(yīng)用。

近年來(lái)，隨著光聚合材料的快速推廣，臨床即用型生物3D打印技術(shù)也快速在皮膚再生領(lǐng)域得到了應(yīng)用[14]。Albanna等將三維掃描和在創(chuàng)面原位打印并光聚合構(gòu)建雙層皮膚的方法在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型中進(jìn)行了全流程模擬，并取得了良好的創(chuàng)面治療效果[15]（如圖3A）。這個(gè)臨床路徑應(yīng)用了目前最先進(jìn)的三維掃描儀、光聚合生物材料（GelMA、HAMA等改性高分子材料和LAP等光引發(fā)劑）以及手持式生物3D打印機(jī)[16]（如圖3B），脫離了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，達(dá)到了床旁快速的皮膚3D打印和即時(shí)使用的效果，避免了傳統(tǒng)路徑中體外培養(yǎng)過(guò)程中的變形和污染風(fēng)險(xiǎn)。

圖3.生物3D打印皮膚的床旁打印和使用路徑（A）三維掃描和在創(chuàng)面原位打印構(gòu)建雙層皮膚的方法用于創(chuàng)面急救與治療；（B）手持式生物3D打印構(gòu)建含有表皮細(xì)胞和真皮成纖維細(xì)胞的皮膚模型。

除此之外，生物3D打印還可以與現(xiàn)有治療技術(shù)結(jié)合，為患者提供更為精確和定制化的解決方案。自體采集的富血小板血漿（PRP）含有創(chuàng)面愈合所需的多種生長(zhǎng)因子，因此常用于創(chuàng)面治療，傳統(tǒng)的用法是將其與氯化鈣或者凝血酶混合，在創(chuàng)面形成凝膠并激活血小板釋放生長(zhǎng)因子，但是這種應(yīng)用方法的血小板用量較大，并且由于血小板沒(méi)有保護(hù)在創(chuàng)面釋放后生物活性衰減迅速。針對(duì)血小板在創(chuàng)面應(yīng)用中存在的這些問(wèn)題，宋薇等將PRP與生物3D打印技術(shù)結(jié)合，用于小鼠創(chuàng)面模型的治療，使得創(chuàng)面血管化顯著增強(qiáng)而且創(chuàng)面愈合加速的效果[17]。Zhao M等還將創(chuàng)面三維掃描和打印路徑設(shè)計(jì)等工程技術(shù)與含PRP的生物3D打印結(jié)合用于創(chuàng)面治療[18]。除了可以結(jié)合PRP以外，生物3D打印活性墨水可以和大部分水溶性生長(zhǎng)因子（重組人表皮生長(zhǎng)因子、細(xì)胞因子模擬肽等）或細(xì)胞成分（外泌體、細(xì)胞囊泡等）進(jìn)行結(jié)合，用于活性成分保護(hù)和緩釋，有助于增強(qiáng)生物學(xué)效應(yīng)。同時(shí)，生物3D打印墨水材料本身均具有良好的生物相容性和保濕性，可以減輕創(chuàng)面炎癥反應(yīng)和瘢痕收縮，在創(chuàng)面治療和促進(jìn)組織再生的過(guò)程中發(fā)揮重要作用。

圖4.生物3D打印與現(xiàn)有創(chuàng)面治療技術(shù)結(jié)合的臨床路徑（A）生物3D打印結(jié)合富血小板血漿血漿（PRP）用于創(chuàng)面治療；（B）生物3D打印結(jié)合PRP、三維掃描和路徑設(shè)計(jì)等工程技術(shù)用于創(chuàng)面治療。

總之，在臨床應(yīng)用路徑選擇上，無(wú)論是體外培養(yǎng)后移植還是原位打印即時(shí)應(yīng)用，或是與現(xiàn)有技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，都可以根據(jù)具體情況選擇最適合的生物3D打印皮膚的臨床路徑，以實(shí)現(xiàn)更好的治療效果和患者的康復(fù)。

3.  生物3D打印皮膚的未來(lái)展望
2023年7月首屆西湖未來(lái)論壇期間，“生物墨水”被美國(guó)化學(xué)文摘社（CAS）與西湖大學(xué)聯(lián)合評(píng)選為“最值得關(guān)注的十大生物健康材料”之一，可見(jiàn)其將在未來(lái)的生物醫(yī)藥領(lǐng)域發(fā)揮巨大潛力。近年來(lái)，對(duì)生物墨水的性能研究逐漸成為生物3D打印領(lǐng)域的熱門分支，其研究進(jìn)展和成果產(chǎn)出將顯著影響生物3D打印器官行業(yè)的發(fā)展。然而，目前生物墨水的機(jī)械性能、細(xì)胞兼容性以及促進(jìn)組織功能性再生的功能仍未達(dá)到理想水平，這在很大程度上限制了生物3D打印器官的研究進(jìn)展[19]。因此，在結(jié)構(gòu)和功能優(yōu)化的基礎(chǔ)上，針對(duì)多種臨床路徑研發(fā)特定的皮膚打印相關(guān)生物墨水，對(duì)未來(lái)生物3D打印皮膚的研究具有十分關(guān)鍵的意義。

此外，由于目前還沒(méi)有出現(xiàn)相對(duì)成熟的生物3D打印皮膚產(chǎn)品評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，因此其安全性和有效性評(píng)價(jià)仍然按照組織工程皮膚的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行。但是，由于生物3D打印皮膚的結(jié)構(gòu)功能多樣性以及臨床路徑多樣性，其特點(diǎn)與傳統(tǒng)組織工程皮膚完全不同，如何在新的臨床路徑基礎(chǔ)上探討安全性和有效性評(píng)價(jià)是接下來(lái)的重要議題。例如，在原位光聚合打印的生物3D打印皮膚應(yīng)用時(shí)，我們建議以生物3D打印活性墨水為單位進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)，這樣的評(píng)價(jià)方法可能更有利于生物3D打印活性墨水的研發(fā)和快速轉(zhuǎn)化落地，從而推動(dòng)生物3D打印技術(shù)的快速臨床應(yīng)用。

綜上所述，生物墨水作為生物3D打印領(lǐng)域的關(guān)鍵材料，其在機(jī)械性能、細(xì)胞兼容性和促進(jìn)組織功能性再生方面仍有較大發(fā)展空間。針對(duì)多種臨床路徑研發(fā)特定的皮膚打印相關(guān)生物墨水具有十分重要的意義，并對(duì)未來(lái)生物3D打印皮膚的研究具有關(guān)鍵意義。此外，針對(duì)生物3D打印皮膚的安全性和有效性評(píng)價(jià)也需要根據(jù)其特殊性質(zhì)進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)其在臨床應(yīng)用中的需求。隨著對(duì)生物墨水和生物3D打印皮膚的深入研究，相信這一領(lǐng)域?qū)⒂瓉?lái)更多突破和創(chuàng)新，推動(dòng)生物3D打印技術(shù)向著更廣泛的臨床應(yīng)用邁進(jìn)。

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作者簡(jiǎn)介

黃沙教授，中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院醫(yī)學(xué)創(chuàng)新研究部創(chuàng)傷修復(fù)與組織再生研究中心，損傷器官重構(gòu)與再造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任，“卓青”人才、科技領(lǐng)軍人才、基礎(chǔ)加強(qiáng)重大項(xiàng)目首席科學(xué)家。中國(guó)生物材料學(xué)會(huì)臨床試驗(yàn)研究分會(huì)副主任委員，中國(guó)研究型醫(yī)院學(xué)會(huì)生物材料臨床應(yīng)用分會(huì)副主任委員，中國(guó)老年醫(yī)學(xué)會(huì)燒創(chuàng)傷學(xué)分會(huì)常務(wù)委員。主編出版國(guó)內(nèi)首本生物3D打印學(xué)術(shù)專著《生物3D打印與再生醫(yī)學(xué)》，獲政府出版獎(jiǎng)。獲中國(guó)生物材料學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)（一等）、王正國(guó)創(chuàng)傷醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)、Bioactive Materials Innovation Award、科技創(chuàng)新先鋒個(gè)人等榮譽(yù)稱號(hào)，完成生物墨水成果轉(zhuǎn)化。主持國(guó)家自然科學(xué)基金及國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等16項(xiàng)。