皮肤生物打印的突破，有助于人类头部和面部重建

一个国际研究小组表示，生物工程的进步可能会让重建手术的结果更加自然。研究人员发现，脂肪组织可以在3D打印多层活体皮肤甚至毛囊中发挥关键作用。利用通过临床过程从人体组织中获得的脂肪细胞和支撑结构，该团队成功实现了大鼠的精确损伤修复。这一突破有可能对人类的面部重建手术和毛发生长疗法产生重大影响。

一种使用脂肪组织的新型3D生物打印方法可以打印分层的活体皮肤和毛囊，有望改善重建手术和毛发生长治疗的效果。这项专利技术在老鼠身上进行了成功的测试，可以彻底改变治疗皮肤损伤和增强美容手术的方法。

该团队的研究结果发表在《生物活性材料》上。美国专利商标局于二月份授予该团队一项在本研究中开发和使用的生物打印技术的专利。

宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学、生物医学工程和神经外科教授易卜拉欣·T·奥兹博拉特(IbrahimT.Ozbolat)表示：“用于纠正因受伤或疾病而造成的面部或头部创伤的重建手术通常并不完美，会导致疤痕或永久性脱发。通过这项工作，我们证明了生物打印的全层皮肤具有在老鼠身上生长毛发的潜力。这距离实现更自然、更美观的人类头部和面部重建又近了一步。”他领导了开展这项工作的国际合作。

虽然科学家之前已经对薄层皮肤进行了3D生物打印，但Ozbolat和他的团队是第一个在术中打印多个皮肤层（包括最底层或皮下组织）的完整生命系统的。研究人员表示，术中指的是在手术期间打印组织的能力，这意味着该方法可用于更立即、无缝地修复受损皮肤。顶层——作为可见皮肤的表皮在中间层的支撑下自行形成，因此不需要打印。皮下组织由结缔组织和脂肪组成，为头骨提供结构和支撑。

宾夕法尼亚州立大学博士后研究员MijiYeo检查3D打印机上的生物墨盒，该打印机专为术中打印皮肤层而开发。图片来源：米歇尔·比克斯比/宾夕法尼亚州立大学

“皮下组织直接参与干细胞变成脂肪的过程，”奥兹博拉特说。“这个过程对于包括伤口愈合在内的几个重要过程至关重要。它还在毛囊循环中发挥作用，特别是促进头发生长。”

皮肤生物打印的突破

研究人员首先从宾夕法尼亚州立大学健康米尔顿·赫尔希医疗中心接受手术的患者身上获取人体脂肪或脂肪组织。合作者迪诺·J·拉夫尼克(DinoJ.Ravnic)是宾夕法尼亚州立大学医学院整形外科系的外科副教授，他带领他的实验室获得了用于提取细胞外基质的脂肪——细胞外基质是分子和蛋白质的网络，为细胞提供结构和稳定性。组织——制造生物墨水的一种成分。

Ravnic的团队还从脂肪组织中获得了干细胞，如果提供正确的环境，干细胞有可能成熟为几种不同的细胞类型，从而制造另一种生物墨水成分。每个组件都被加载到生物打印机的三个隔室之一中。第三个隔室充满了凝血溶液，有助于其他成分正确地结合到受伤部位。

“这三个隔室使我们能够在精确控制下共同打印基质-纤维蛋白原混合物和干细胞，”Ozbolat说。“我们直接打印到损伤部位，目标是形成皮下组织，这有助于伤口愈合、毛囊生成、温度调节等。”

他们获得了皮下组织和真皮层，表皮在两周内自行形成。

“我们在大鼠身上进行了三组研究，以更好地了解脂肪基质的作用，我们发现基质和干细胞的共同传递对于皮下组织的形成至关重要，”Ozbolat说。“它不能仅对细胞或基质有效地起作用——它必须同时起作用。”

他们还发现皮下组织含有向下生长，这是早期毛囊形成的初始阶段。研究人员表示，虽然脂肪细胞不直接参与毛囊的细胞结构，但它们参与毛囊的调节和维护。

“在我们的实验中，脂肪细胞可能改变了细胞外基质，以更有利于向下生长的形成，”奥兹博拉特说。“我们正在努力推进这一目标，以控制密度、方向性和生长的方式使毛囊成熟。”

奥兹博拉特表示，在创伤的受伤或患病部位精确生长毛发的能力可能会限制自然重建手术的表现。他说这项工作提供了一条“充满希望的前进道路”，特别是与他实验室的其他项目相结合，包括打印骨骼和研究如何匹配各种肤色的色素沉着。

“我们相信这可以应用于皮肤科、毛发移植以及整形和重建手术——它可能会带来更加美观的结果，”奥兹博拉特说。“凭借全自动生物打印能力和临床级兼容材料，这项技术可能会对精确重建皮肤的临床转化产生重大影响。”