研究人員 3D 打印超逼真仿生人體皮膚，為治愈受損皮膚開辟新方法

2024年3月20日，南極熊獲悉，俄勒岡大學(xué)的科學(xué)家與歐萊雅合作，在生產(chǎn)極其逼真的合成人體皮膚方面取得了重大進(jìn)展。研究人員采用 3D 打印技術(shù)在短短 18 天的極短時間內(nèi)制造多層類皮膚組織，并正在測試用它來保護和治愈人體的產(chǎn)品。

在過去的 50 年里，體外皮膚和毛發(fā)模型已被開發(fā)并用于各種臨床和研究應(yīng)用，包括用于傷口或燒傷愈合的皮膚移植以及皮膚生理學(xué)和病理生理學(xué)的研究。其中許多體外皮膚模型已被認(rèn)為是篩選化妝品和藥品功效和毒性的有效方法，但仍然存在局限性。

為了滿足開發(fā)動態(tài)真皮的需求并認(rèn)識到現(xiàn)有多孔系統(tǒng)固有的局限性，來自俄勒岡大學(xué)的研究人員將溶液靜電紡絲 (SES) 和熔融電熔直寫 (MEW) 結(jié)合起來，創(chuàng)建雙層 PCL 支架/膜結(jié)構(gòu)。相關(guān)研究成果以題為“First AdvancedBilayer Scaffolds for Tailored Skin Tissue Engineering Produced viaElectrospinning and Melt Electrowriting”的論文被發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》期刊上。

相關(guān)論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202314757

雙層支架/膜是采用兩步法制造的。首先，將溶液電紡 PCL 纖維沉積到玻璃基板上，然后使用 MEW 將微纖維 3D 打印到該電紡基板上。用乙醇從玻璃基板上釋放所得支架/膜后，雙層材料表現(xiàn)出良好融合的層。支架/膜包括：

• 具有低孔隙率的上層，用于創(chuàng)建真皮-表皮交界處 (DEJ)（厚度 10–14 µm）。在這一層中，采用 SES 隨機沉積納米纖維（圖 D）。該層旨在防止角質(zhì)形成細(xì)胞滲透真皮層，從而無論真皮 ECM 體積如何，都可以播種表皮（圖 B）。然而，SES 膜仍然允許 ECM 化合物和營養(yǎng)物質(zhì)通過。
• 多孔第二層，旨在創(chuàng)建使用 MEW 生產(chǎn)的真皮部分（厚度 200 至 300 µm）。纖維結(jié)構(gòu)（直的或波狀的）、纖維尺寸和孔隙率都經(jīng)過仔細(xì)控制（圖E、F）。
  

△用于體外皮膚模型的雙層支架

在雙層 PCL 支架/膜結(jié)構(gòu)中，SES膜位于真皮和表皮之間的界面，而MEW支架為真皮提供了最佳的開孔環(huán)境。溶液靜電紡絲 (SES)是一種電流體動力學(xué)過程，可從帶電聚合物溶液中生成超細(xì)纖維（通常具有亞微米直徑）。由此產(chǎn)生的膜孔隙度可以實現(xiàn)蛋白質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)的交換，同時限制細(xì)胞滲透。這些膜表現(xiàn)出高孔隙率和小孔徑，產(chǎn)生大表面積和能夠模仿某些真皮-表皮連接特征的結(jié)構(gòu)。研究表明，SES 膜可增強細(xì)胞附著、生長和分化，使其成為創(chuàng)新支架/膜結(jié)構(gòu)中很有前景的組成部分。

△直纖維和波狀纖維模型都適合體外皮膚重建，但對真皮 ECM 組織的影響不同

研究人員構(gòu)造的另一個組件是通過熔融電熔直寫 (MEW)制造的，這是一種高分辨率 3D 打印技術(shù)，能夠精確沉積直徑范圍從 50 微米到小于 1 微米的聚合物纖維。值得注意的是，這些直徑與真皮 ECM 纖維的直徑相似，尤其是 I 型膠原纖維，其在真皮乳頭狀和網(wǎng)狀真皮中的直徑分別為 1 至 10 µm。使用PCL，這些支架具有良好的生物相容性和長期生物降解性，具有優(yōu)異的、可定制的機械性能。MEW 技術(shù)能夠?qū)χЪ芸紫堵�、孔徑分布以及纖維直徑和方向進(jìn)行細(xì)致控制，從而產(chǎn)生具有預(yù)定義設(shè)計的高孔隙支架，可根據(jù)特定應(yīng)用進(jìn)行定制。此外，MEW 產(chǎn)生的纖維已被證明可以通過地形線索誘導(dǎo)細(xì)胞排列。這些特性使MEW支架成為定制模擬真皮環(huán)境支架的第二個重要組成部分。

△俄勒岡大學(xué)研究人員 Paul Dalton（左）和 Ievgenii Liashenko 在實驗室工作。（圖片來源：Chris Larsen / 俄勒岡大學(xué)）

在研究人員 Paul Dalton 和Ievgenii Liashenko 的帶領(lǐng)下，該團隊成功復(fù)制了全層皮膚組織，融合了由膜分隔的各種細(xì)胞類型，這是前所未有的里程碑。他們的創(chuàng)新方法可以創(chuàng)建兩層人造皮膚結(jié)構(gòu)，模仿人類皮膚的復(fù)雜性。

歐萊雅正在積極利用這種人造皮膚進(jìn)行產(chǎn)品測試，最初的重點是化妝品和護膚配方。然而，潛在的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了化妝品范圍。研究小組設(shè)想將該技術(shù)用于多種醫(yī)療目的，包括治療糖尿病足潰瘍和為燒傷患者提供皮膚移植。

這項研究標(biāo)志著美容和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重大進(jìn)步，為測試產(chǎn)品提供了可行的替代方案，并有可能徹底改變傷口護理和重建手術(shù)。

隨著俄勒岡大學(xué)和歐萊雅之間的合作不斷探索其他應(yīng)用，利用合成皮膚技術(shù)來增強人類健康和化妝品創(chuàng)新的未來前景廣闊。