3D生物打印皮肤支架用于全层皮肤组织再生

学术背景

皮肤是人体最大的器官，承担着抵御外界环境伤害和防止微生物入侵的重要功能。然而，当皮肤受到大面积损伤时，其自我修复能力有限，往往会导致瘢痕形成、炎症反应等问题，影响皮肤的正常形态和功能。传统的皮肤替代品，如薄膜、水凝胶、纳米纤维膜等，虽然能够加速伤口愈合，但无法完全模拟健康皮肤的微环境，导致修复后的皮肤在形态和功能上与正常皮肤存在差异。近年来，三维（3D）生物打印技术因其能够精确控制生物材料和细胞的沉积，构建复杂的3D结构，成为皮肤组织工程领域的研究热点。

本研究旨在开发一种新型的生物墨水（bioink），利用数字光处理（Digital Light Processing, DLP）技术打印出具有抗菌、抗炎和促进细胞增殖功能的皮肤支架，以加速全层皮肤缺损的愈合过程。

论文来源

本论文由Lu Han、Zixian Liu、Meng Li、Zhizhong Shen、Jianming Wang和Shengbo Sang共同撰写，作者来自Taiyuan University of Technology、Shanxi-Zheda Institute of Advanced Materials and Chemical Engineering以及General Hospital of Tisco等机构。论文于2024年12月27日在线发表在Bio-design and Manufacturing期刊上，DOI为10.1631/bdm.2400058。

研究流程与结果

1. 生物墨水的制备与表征

本研究开发了一种由甲基丙烯酰化明胶（GelMA）和壳寡糖（Chitosan Oligosaccharide, COS）组成的复合生物墨水。GelMA是一种光交联水凝胶，具有良好的生物相容性和可调节的物理化学特性，而COS则具有抗菌、抗炎和促进细胞增殖的功能。研究人员首先合成了GelMA，并将其与不同浓度的COS混合，制备了四种不同比例的生物墨水（G10C0、G10C1、G10C3、G10C6）。

通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析，研究人员确认了GelMA/COS水凝胶的化学结构，并发现随着COS浓度的增加，水凝胶的交联密度降低，导致其吸水能力和降解速率增加。此外，压缩测试表明，COS的引入提高了水凝胶的弹性，但降低了其压缩模量。扫描电子显微镜（SEM）观察显示，水凝胶内部具有多孔且相互连接的微观结构，随着COS浓度的增加，孔径逐渐减小，孔隙率增加。

2. 抗菌性能测试

为了评估GelMA/COS水凝胶的抗菌性能，研究人员进行了表面抗菌实验，使用金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus, S. aureus）和大肠杆菌（Escherichia coli, E. coli）作为典型的革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌。实验结果表明，随着COS浓度的增加，水凝胶对两种细菌的抑制率逐渐增强，最高抑制率分别达到94%和95%。这表明COS能够通过与细菌细胞膜上的负电荷基团结合，破坏细胞膜结构，从而发挥抗菌作用。

3. 细胞相容性研究

研究人员将人真皮成纤维细胞（Human Dermal Fibroblasts, HDFs）接种到GelMA/COS水凝胶中，评估了细胞的增殖、存活和形态。CCK-8实验显示，随着COS浓度的增加，HDFs的增殖能力显著增强。活/死染色实验表明，所有水凝胶中的细胞存活率均较高，且细胞形态良好。免疫荧光染色和实时定量PCR（qPCR）分析进一步表明，COS的加入能够抑制纤维化相关基因（如胶原I、胶原III和纤维连接蛋白I）的表达，从而减少瘢痕形成。

4. DLP打印皮肤支架

研究人员使用DLP打印机将G10C1生物墨水打印成网格状结构，构建了细胞负载的皮肤支架。SEM观察显示，支架内部具有均匀分布的孔隙结构，能够促进细胞迁移和营养物质交换。活/死染色和免疫荧光染色结果表明，打印后的细胞存活率高，且HDFs能够沿着支架孔隙生长并分泌细胞外基质（ECM）蛋白。

5. 体内实验

为了评估皮肤支架的伤口愈合效果，研究人员在裸鼠背部创建了全层皮肤缺损模型，并将细胞负载的支架植入伤口。实验结果表明，细胞负载的支架能够显著加速伤口闭合，减少炎症反应，并促进血管生成。组织学分析显示，支架组伤口处的胶原沉积更为有序，瘢痕形成较少。免疫组化染色进一步证实，支架组伤口处的炎症因子（如TNF-α）表达较低，而血管生成标志物（如CD31和α-SMA）表达较高。

结论与意义

本研究成功开发了一种基于GelMA/COS的复合生物墨水，并利用DLP技术快速构建了细胞负载的皮肤支架。该支架具有良好的吸水性能、降解性能、机械性能和细胞相容性，同时具有显著的抗菌活性。体内实验表明，该支架能够加速伤口闭合，减少炎症反应，促进血管生成，改善伤口愈合。

本研究的科学价值在于提供了一种新型的生物墨水配方和3D打印技术，能够精确模拟天然皮肤的结构和功能，为全层皮肤缺损的治疗提供了新的思路。其应用价值在于该支架易于制造，具有良好的生物相容性和抗菌性能，有望在临床中用于皮肤组织再生。

研究亮点

1. 新型生物墨水：GelMA/COS复合生物墨水具有良好的生物相容性、抗菌性能和可调节的物理化学特性。
2. DLP打印技术：利用DLP技术实现了高分辨率、高细胞存活率的3D打印，构建了具有复杂结构的皮肤支架。
3. 体内实验验证：通过裸鼠模型验证了支架在加速伤口愈合、减少炎症和促进血管生成方面的显著效果。

其他有价值的信息

本研究的局限性在于，尽管在裸鼠模型中取得了良好的效果，但由于小鼠和人类的伤口愈合过程存在显著差异，未来需要在更大的动物模型（如猪模型）中进一步验证其适用性和再生效果。