論生物打印在皮膚組織工程中的應(yīng)用

生物3D打印有以下主要研究領(lǐng)域：皮膚、骨組織、血管、器官（比如心臟，腎臟，胎盤，卵巢等等）、藥物和營養(yǎng)物控釋。今天我們先講一講生物打印技術(shù)在皮膚領(lǐng)域的應(yīng)用。
預(yù)告
主題：“三的部落丨Stratasys  3D打印醫(yī)療應(yīng)用論壇”
時(shí)間：2017年8月20日上午8:30-12:30
地點(diǎn)：上海世博展覽館B2層3號(hào)會(huì)議室
屆時(shí)將有上海九院的戴尅戎院士、東方醫(yī)院的譚軍院長等眾多業(yè)內(nèi)大咖來到現(xiàn)場，為大家?guī)?D打印在醫(yī)療臨床中的最新應(yīng)用報(bào)告，看看這強(qiáng)大的陣容吧！

生物打印皮膚的潛力所在

對大面積燒傷的人來說進(jìn)行植皮手術(shù)所需大面積的皮膚是很困難的，因此醫(yī)學(xué)研究中一直在尋找簡單的方法制造出植皮所需的皮膚。研究者們正在探索如何使用生物3D打印皮膚來豐富和改善以往的細(xì)胞培養(yǎng)方式，在較短的時(shí)間內(nèi)，使用較少的儀器成本和活體組織用量來培養(yǎng)所需要的人體皮膚組織。

該研究方向在動(dòng)物測試以及人體植皮方面將會(huì)有很大的應(yīng)用潛力，如何打印人體最大的器官 – 皮膚。

皮膚，作為人體中最大的器官，擁有著一系列復(fù)雜的組織功能。一般情況而言，我們將皮膚定義為三層：
1、保護(hù)和保濕的皮膚表皮層
2、包含毛囊和汗腺的真皮層
3、儲(chǔ)存能量、緩沖外力的皮下組織

皮膚組織結(jié)構(gòu)

皮層的特異性和功能性決定了他們是皮膚組織工程學(xué)當(dāng)中的主要難題和挑戰(zhàn)。因此，人造皮膚也一定要按照合理的制作流程來制造，從而去迎合皮膚組織的自然特性。

一般來說，研究者使用半透膜嵌入到細(xì)胞培養(yǎng)池當(dāng)中，用來支撐細(xì)胞。目前市面上常見的半透膜嵌入物都是有包含很多微孔的板，通過半透膜暫時(shí)將其密封。在細(xì)胞的培養(yǎng)過程當(dāng)中，半透膜可以使隔離腔底部的細(xì)胞長入到上部的目標(biāo)材料當(dāng)中去。
通透式隔離腔簡圖，圖中黃色的部分是置入的細(xì)胞

通過使用3D打印技術(shù)，通過使用PCL（聚已內(nèi)酯，一種經(jīng)過FDA認(rèn)證，生物可降解的聚酯材料）來打印出生物打印過程中的所需要的支撐結(jié)構(gòu)。

擠出-噴墨混合打印技術(shù)
研究者們采用了一種混合3D打印方式，所謂的混合也就是使用多個(gè)打印頭，將擠出式3D打印擠出頭和噴墨式3D打印噴頭同時(shí)使用。該制作流程一共需要4個(gè)打印頭。

A打印頭是一個(gè)擠出式的打印頭，用來打印作為支撐材料的水凝膠材料。（該材料在細(xì)胞孵化期之前會(huì)被去除）
B打印頭是用來打印聚已內(nèi)酯的，之前介紹過，聚已內(nèi)酯在打印過程中是用來做網(wǎng)狀支撐結(jié)構(gòu)的。（也就是整個(gè)打印結(jié)構(gòu)的骨架）
C打印頭用來打印包含膠原蛋白（皮膚當(dāng)中的主要結(jié)構(gòu)蛋白）的生物墨水材料的。
D打印頭是一個(gè)噴墨式3D打印噴頭，用來打印角質(zhì)細(xì)胞。（人體表皮組織當(dāng)中最重要的細(xì)胞類型，它是一道用于保護(hù)真皮組織的屏障）

這四個(gè)打印頭依次按照如下的打印流程進(jìn)行打印，得到我們所需要的皮膚組織：

1、B打印頭打印聚已內(nèi)酯底層框架
2、A打印頭打印水凝膠支撐
3、如此一層一層向上往復(fù)
4、B打印頭擠出聚已內(nèi)酯隔膜
5、C打印頭打印出真皮層（包含角質(zhì)蛋白）的生物墨水，同時(shí)B打印頭打印邊緣的聚已內(nèi)酯外墻結(jié)構(gòu)，從而圍住內(nèi)部的可流動(dòng)結(jié)構(gòu)
6、D打印頭打印最上層的表皮結(jié)構(gòu)（角質(zhì)細(xì)胞）
7、打印過程結(jié)束，去除底部的水凝膠支撐材料，加入增殖培養(yǎng)基，使結(jié)構(gòu)完全浸入其中，于37℃環(huán)境下培養(yǎng)3天
8、之后加入分化培養(yǎng)基，通過氣-液交界面培養(yǎng)的方式進(jìn)行培養(yǎng)，最終使皮膚組織成熟

皮膚生物打印流程和傳統(tǒng)技術(shù)的比較

研究人員在進(jìn)行3D打印皮膚組織的同時(shí)，還進(jìn)行了另外兩組通過傳統(tǒng)手法（1、手工制作聚已內(nèi)酯錨點(diǎn)，而不是采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；2、只使用膠原蛋白凝膠作為支撐）的實(shí)驗(yàn)作為對比。

上圖左為通過3D打印手法得到的細(xì)胞致密度，右為通過傳統(tǒng)手工手法得到的細(xì)胞致密度

通過對比，可以發(fā)現(xiàn)通過3D打印手法得到的細(xì)胞結(jié)構(gòu)相較于傳統(tǒng)手法更加緊密，也就意味著其相較于傳統(tǒng)手法，能夠獲得更精確的組織形體，同時(shí)又能夠在培養(yǎng)過程中較好地保持形體。

上圖左為3D打印手法，右為傳統(tǒng)手工手法

作為一種全新的培養(yǎng)方式，采用3D打印技術(shù)，相比較傳統(tǒng)手法能夠獲得更輕巧、精確的組織結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)者可擁有更靈活的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，同時(shí)也減少了培養(yǎng)基的使用量，節(jié)省成本。

據(jù)悉，全球正在研究通過生物打印手法來培養(yǎng)皮膚的機(jī)構(gòu)和企業(yè)正逐漸增多，競爭趨于激烈。研究人員還希望能夠在任何地方輕松的制造皮膚。比如醫(yī)務(wù)人員可以提著一個(gè)便攜式皮膚打印機(jī)到戰(zhàn)場上受傷的士兵身邊，掃描傷口，確認(rèn)所需皮膚層數(shù)，從傷者身上提取細(xì)胞然后打印出一塊不會(huì)產(chǎn)生排斥反應(yīng)的皮膚，這樣士兵就能得到及時(shí)的治療。

相關(guān)報(bào)道指出，已有機(jī)構(gòu)正在研究如何直接在創(chuàng)面上打印皮膚組織，從而實(shí)現(xiàn)快速療傷。

來源：3的部落