3D生物打印技术在皮肤修复中的应用.pdf
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1、 :通信作者:黄文华,教授,博士生导师,:基金项目:南方医科大学 年大学生创新训练计划项目()综述 生物打印技术在皮肤修复中的应用马锦媛,吴耀彬,黄文华 南方医科大学第二临床医学院,广东广州 ;南方医科大学基础医学院人体解剖学国家重点学科 广东省医学生物力学重点实验室 广东省医学 打印应用转化工程技术研究中心,广东广州 摘要 皮肤是人体最大的器官,其结构的完整性对维持人体的正常生理机能有重要作用。大面积皮肤创伤的修复和皮肤慢性溃疡的愈合问题是临床待解决的难题。尽管过去组织工程皮肤的研究已取得很多成果,但如何一体化构建具有毛囊、汗腺、皮脂腺等皮肤附属器和血管网络的组织工程皮肤等仍有许多难题有待解
2、决。近年来,生物打印技术迅速发展,为解决上述难题提供了新思路。本文对新兴的 生物打印技术在皮肤创面修复中的应用、前景和目前存在的问题进行综述。关键词 生物打印;皮肤修复;生物墨水 ,;,:,:,;皮肤位于人体表面,是人体的第一道防线,其完整性对于保持机体内环境的稳定、免受外界环境中各种病原体的侵犯、维持人体的正常生理机能起到重要作用。作为人体最大的器官,其由表皮、真皮、皮下脂肪组织三层结构和其它一些成分如细胞外基质(,)、毛细血管、神经、毛囊、顶泌汗腺、外泌汗腺、皮脂腺等组成。皮肤发生创伤时,需要及时清创缝合,恢复创伤皮肤的结构、功能和形态。尽管目前临床上可以使用敷料和组织工程产品覆盖创面,但
3、皮脂腺、毛囊和感觉神经等皮肤附属器几乎无法再生,如果创伤面积大时自体供皮也不能皮肤性病诊疗学杂志 年 月第 卷第 期满足皮肤移植需要,因此通过新兴的 生物打印技术辅助修复创伤的皮肤,以达到快速修复创口并减少瘢痕的形成已经成为一种趋势。生物打印技术 生物打印是一种以计算机三维模型为图纸,将特制生物墨水,装配种子细胞,进行层层打印构建具有生物活性的组织或者器官的制造技术,主要有三类:喷墨式生物打印、挤压式生物打印和激光生物打印。这项基于离散堆积原理的分层制造、逐层堆砌的打印技术,能够打印出可以模仿人体复杂解剖结构和生理功能的组织,在组织工程中应用广泛。通过打印不同组织、器官的活细胞并添加各种生物活
4、性材料的生物墨水,能够彻底改变 结构的生物、化学、生理和机械特性,最终达到增强组织和器官最优功能化的目的 。关于 材料的优势,研究发现使用负载外泌体的 明胶细胞外基质水凝胶 周后的实验组皮肤创面面积()明显低于空白组(),表明其有效促进创面愈合 。余海洋等 利用 挤压式打印成功构建了不同规格的海藻酸钠 明胶皮肤支架,并初步证明了 的海藻酸钠 明胶皮肤支架具有较好的生物相容性和胶原蛋白分泌效应,并能有效抑制炎症反应的发生。喷墨式生物 打印该技术由喷墨打印技术发展而来,用生物墨盒(水凝胶和细胞的混合物)代替传统墨盒。喷墨液滴压缩有 种方法:热喷墨、压电喷墨、声喷墨和静电喷墨,其中热法和压电法是应用
5、最为广泛的结构制备方法。打印过程包括两个阶段:将生物墨滴分配到基材上的特定位置;生物墨滴与基材接触时的相互作用(交联和凝胶)。打印分辨率与液滴大小相对应,可以通过调整喷嘴直径、墨水粘度、电压冲击频率以及热喷墨的温度梯度进行优化 。喷墨生物打印的优点是成本低、打印速度快、分辨率高且能够改变浓度梯度 。这项技术的缺点是由于喷墨的打印头不能挤出高黏度材料,所以不适用于高密度细胞的打印,并且交联和凝胶过程导致细胞活性和功能受损。值得注意的是,这种打印技术已经被改进和开发为手持便携式生物打印设备,用于原位打印应用,以解决传统皮肤移植中不规则伤口的修复问题 。挤压式生物 打印挤压式生物打印是所有生物打印方
6、式中应用最广泛的一种,利用气动压力或机械力,将连续的生物材料流(而不是液滴)喷射到基板上 。气动系统通过使用加压气体将生物墨水从喷嘴挤出,从而实现更好的材料流动控制,而机械系统通过活塞的压缩力提供更好的挤出速度控制。挤压式打印虽然能够负载高细胞密度进行打印,但打印过程中的剪切力往往对细胞具有损伤作用,因此该打印方式的细 胞 生 存 能 力()低 于 喷 墨 生 物 打 印()。降低挤出压力和增加喷嘴尺寸可一定程度提高细胞活力,但会导致打印速度降低和分辨率降低。因此,需要微调喷嘴直径、打印压力和速度,以确保使用该方法打印的组织结构的功能。另一方面,也需要开发出具有剪切变稀的打印材料从而降低喷嘴处
7、细胞所受到的剪切力。这项打印技术支持多种兼容材料,如水凝胶、生物相容性共聚物和高种植密度的细胞球体,通常用于体外生物工程方法来生成 人体皮肤结构 。激光生物打印激光生物打印的工作原理是将脉冲激光聚焦在能量吸收带层上,产生高压气泡,将生物墨水喷射到基材上,它是一种无喷嘴技术,与其他生物打印技术相比不存在细胞或材料堵塞喷嘴的问题,因此可用于不同粘度的各种生物墨水,以实现高分辨率打印。但与其他喷墨机制相比,高温和激光会损伤细胞,因此激光生物打印的细胞存活率普遍低于喷墨生物打印。此外,激光生物打印的高分辨率打印会导致打印速度相对缓慢,每小时仅能打印 皮肤组织,并会因脱水而影响水凝胶的保真度和构造功能
8、。因此,这种打印技术更多地应用于无细胞生物制造,如在伤口敷料中加入精确数量的生物分子 。生物打印技术在皮肤修复中的应用现状与传统组织工程及其他几种先打印支架成型后再接种细胞构建组织的打印方式相比,生物打印将不同类型的细胞精确打印在相应的空间位置,根据不同组织或器官特性添加相适应的生物材料后形成类似组织或器官的强度和弹性并产生一定的生物学功能。体外 生物打印皮肤的应用生物打印的一个主要优点是能够将生物相容性基质中的不同生物墨水或细胞混合物整合到打印构件的特定的位置。可以利用这一特性来设计与天然皮肤更相似的皮肤替代品,以提高创面修复的成功率。等 使用挤压式 打印机设计和制造了由人真皮成纤维细胞、角
9、质形成细胞和微血管内皮细胞组成的双层皮肤结构,之后被移植到小鼠的全层切除伤口上,以检测他们对伤口愈合的影响。与无细胞基质对照相比,生物打印的含有角质形成细胞、成纤维细胞和内皮细胞的模拟皮肤移植物加速了伤口的愈合,伤口收缩增加了 。在另一项研究中,含有脐带血来源的人内皮细胞、胎盘周细胞、包皮真皮成纤维细胞和角质形成细胞的 打印构建体在胶原生物墨水中具有与正常人体皮肤相似的生物学和形态学功能 。更重要的是,在实验模型中,当移植到创面上时,胎盘周细胞和含人真皮微血管内皮细胞的移植物在植入 周和 周后均观察到宿主的微血管迅速进入移植物 。这些研究表明,改良的 生物打印皮肤替代物可以加快移植物 ,内血管
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