康奈爾大學開發(fā)新型生物復合材料，為3D打印人體仿生皮膚奠定基礎(chǔ)

2022年7月12日，南極熊獲悉，來自康奈爾大學的研究人員創(chuàng)造出了一種新型生物材料，可用于制造擁有類似人體組織結(jié)構(gòu)的仿生皮膚。

研究團隊開發(fā)的生物混合復合材料具有獨特的成分，由膠原蛋白與 "兩性離子 "水凝膠混合而成，材質(zhì)柔軟且具有生物相容性，有足夠的靈活性，能夠承受持續(xù)的變形。雖然科學家們的研發(fā)項目仍在進行中，但他們表示這種生物墨水有一天可以作為3D打印患者細胞支架的基礎(chǔ)，從而有效地就愈合傷口。

這項研究的共同主要作者之一Nikolaos Bouklas說："我們最終的目的是想創(chuàng)造一種可以用于再生醫(yī)學的材料，例如一塊可以承受部分原始負荷的支架，直到組織完全再生。用這種材料，你可以用細胞3D打印一個多孔的支架，最終可以在支架周圍形成實際的組織。"

△生物混合復合材料的顯微圖像，細胞（紅色）被播種在膠原蛋白的纖維狀結(jié)構(gòu)（黃色）上。圖片來自康奈爾大學。

天然材料與合成材料的結(jié)合

鑒于人體不斷運動的性質(zhì)，我們的組織既要足夠柔軟，可以根據(jù)指令彎曲，同時也要足夠堅固，以承受持續(xù)的負荷?？的螤柎髮W的研究小組表示，當這些細胞變得破舊或損壞時，水凝膠和合成材料可以作為替代品，但兩者都不具備適當?shù)纳锖蜋C械性能，無法同時做到這一點。

科學家們認為合成塑料往往缺乏支持和維持活細胞的能力，難以生成可以發(fā)揮作用的微觀結(jié)構(gòu)組織。同時，當涉及到膠原蛋白、纖維蛋白或透明質(zhì)酸等天然聚合物時，研究人員認為盡管它們能夠復制活體組織的生物相容性，但它們往往更脆弱。

為了制造一種具有靈活性和細胞友好性的生物墨水，以便能夠生產(chǎn)出接近真實的人造皮膚，研究團隊將目光轉(zhuǎn)向了"兩性離子水凝膠"。具體來說，科學家們發(fā)現(xiàn)將膠原蛋白與這種含有正負電荷分子基團的材料混合在一起，可以使其在支持細胞生長的同時承受多種沖擊。

該研究的另一位共同主要作者之一Lawrence Bonassar解釋說："這些電荷基團與膠原蛋白中的負電荷和正電荷基團相互作用，這種相互作用使材料能夠消散能量并實現(xiàn)高水平的韌性。"

△康奈爾大學教授Lawrence Bonassar。照片來自康奈爾大學。

為更真實的人造皮膚打下基礎(chǔ)？

有趣的是，在他們的論文中，研究人員說他們的生物混合復合材料的配方只需要 "簡單的混合"，因為他們的膠原蛋白自我組裝成纖維狀網(wǎng)絡(luò)，這反過來又與周圍的水凝膠發(fā)生了離子連接。據(jù)Bouklas說，這生成了在天然軟骨中看到的相同的膠原蛋白相互連接的網(wǎng)絡(luò)，否則這將是非常難以生產(chǎn)的。

研究團隊對這種材料進行了測試，結(jié)果顯示，與未經(jīng)處理的聚合物基質(zhì)相比，膠原蛋白的添加使其彈性模量增加了40%。他們還發(fā)現(xiàn)將膠原蛋白與水凝膠結(jié)合在一起能使材料在開裂前吸收11倍的能量，同時使其具有類似于關(guān)節(jié)軟骨等組織的特性。

在生物相容性方面，科學家們發(fā)現(xiàn)他們的膠原蛋白聚合物支持細胞生長的能力提高了100多倍，而且它顯示了90%以上的細胞存活率。研究人員說，他們打算繼續(xù)研究這種材料背后的生物合成過程，他們現(xiàn)在已經(jīng)開始測試其在組織的3D打印方面的可行性。

△HK inno.N與T&RBiofab合作，使用其3D生物打印技術(shù)制造人體皮膚。圖片來自T&RBiofab。

3D生物打印組織的潛力

盡管3D打印人體組織通常仍處于實驗室測試階段，但僅在過去幾年里，其背后的技術(shù)就有了飛躍性的發(fā)展。2022年1月，伯明翰大學和哈德斯菲爾德大學的研究人員透露，他們已經(jīng)開發(fā)出一種用生物打印的皮膚來治療深層傷口的方法。

同樣，去年年底，NOVOPLASM聯(lián)盟宣布創(chuàng)建了 "世界上第一個"3D打印免疫皮膚模型。該模型是利用冷等離子體技術(shù)開發(fā)的，將來可用于治療感染性燒傷和刺激性皮膚移植等疾病。

除了傷口愈合的應(yīng)用，3D打印還被用來為護膚品研發(fā)創(chuàng)造組織。例如，HK inno.N和T&R Biofab已經(jīng)合作，旨在開發(fā)用于藥物測試的3D生物打印組織，這可以作為對動物測試的替代。

研究人員的發(fā)現(xiàn)詳見他們的論文，題為 " Simple synthesisof soft, tough, and cytocompatible biohybrid composites/柔軟、堅韌和細胞相容的生物雜交復合材料的簡單合成"，該論文由Cameron Darkes-Burkey, Xiao Liu,Leigh Slyker, Jason Mulderrig, Wenyang Pan, Emmanuel P. Giannelis, Robert F.Shepherd, Lawrence J. Bonassar 和 Nikolaos Bouklas共同撰寫。

相關(guān)論文鏈接：https://www.pnas.org/doi/abs/10.1073/pnas.2116675119