论生物打印在皮肤组织工程中的应用

生物3D打印有以下主要研究领域：皮肤、骨组织、血管、器官（比如心脏，肾脏，胎盘，卵巢等等）、药物和营养物控释。今天我们先讲一讲生物打印技术在皮肤领域的应用。
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主题：“三的部落丨Stratasys  3D打印医疗应用论坛”
时间：2017年8月20日上午8:30-12:30
地点：上海世博展览馆B2层3号会议室
届时将有上海九院的戴尅戎院士、东方医院的谭军院长等众多业内大咖来到现场，为大家带来3D打印在医疗临床中的最新应用报告，看看这强大的阵容吧！

生物打印皮肤的潜力所在

对大面积烧伤的人来说进行植皮手术所需大面积的皮肤是很困难的，因此医学研究中一直在寻找简单的方法制造出植皮所需的皮肤。研究者们正在探索如何使用生物3D打印皮肤来丰富和改善以往的细胞培养方式，在较短的时间内，使用较少的仪器成本和活体组织用量来培养所需要的人体皮肤组织。

该研究方向在动物测试以及人体植皮方面将会有很大的应用潜力，如何打印人体最大的器官 – 皮肤。

皮肤，作为人体中最大的器官，拥有着一系列复杂的组织功能。一般情况而言，我们将皮肤定义为三层：
1、保护和保湿的皮肤表皮层
2、包含毛囊和汗腺的真皮层
3、储存能量、缓冲外力的皮下组织

皮肤组织结构

皮层的特异性和功能性决定了他们是皮肤组织工程学当中的主要难题和挑战。因此，人造皮肤也一定要按照合理的制作流程来制造，从而去迎合皮肤组织的自然特性。

一般来说，研究者使用半透膜嵌入到细胞培养池当中，用来支撑细胞。目前市面上常见的半透膜嵌入物都是有包含很多微孔的板，通过半透膜暂时将其密封。在细胞的培养过程当中，半透膜可以使隔离腔底部的细胞长入到上部的目标材料当中去。
通透式隔离腔简图，图中黄色的部分是置入的细胞

通过使用3D打印技术，通过使用PCL（聚已内酯，一种经过FDA认证，生物可降解的聚酯材料）来打印出生物打印过程中的所需要的支撑结构。

挤出-喷墨混合打印技术
研究者们采用了一种混合3D打印方式，所谓的混合也就是使用多个打印头，将挤出式3D打印挤出头和喷墨式3D打印喷头同时使用。该制作流程一共需要4个打印头。

A打印头是一个挤出式的打印头，用来打印作为支撑材料的水凝胶材料。（该材料在细胞孵化期之前会被去除）
B打印头是用来打印聚已内酯的，之前介绍过，聚已内酯在打印过程中是用来做网状支撑结构的。（也就是整个打印结构的骨架）
C打印头用来打印包含胶原蛋白（皮肤当中的主要结构蛋白）的生物墨水材料的。
D打印头是一个喷墨式3D打印喷头，用来打印角质细胞。（人体表皮组织当中最重要的细胞类型，它是一道用于保护真皮组织的屏障）

这四个打印头依次按照如下的打印流程进行打印，得到我们所需要的皮肤组织：

1、B打印头打印聚已内酯底层框架
2、A打印头打印水凝胶支撑
3、如此一层一层向上往复
4、B打印头挤出聚已内酯隔膜
5、C打印头打印出真皮层（包含角质蛋白）的生物墨水，同时B打印头打印边缘的聚已内酯外墙结构，从而围住内部的可流动结构
6、D打印头打印最上层的表皮结构（角质细胞）
7、打印过程结束，去除底部的水凝胶支撑材料，加入增殖培养基，使结构完全浸入其中，于37℃环境下培养3天
8、之后加入分化培养基，通过气-液交界面培养的方式进行培养，最终使皮肤组织成熟

皮肤生物打印流程和传统技术的比较

研究人员在进行3D打印皮肤组织的同时，还进行了另外两组通过传统手法（1、手工制作聚已内酯锚点，而不是采用网状结构；2、只使用胶原蛋白凝胶作为支撑）的实验作为对比。

上图左为通过3D打印手法得到的细胞致密度，右为通过传统手工手法得到的细胞致密度

通过对比，可以发现通过3D打印手法得到的细胞结构相较于传统手法更加紧密，也就意味着其相较于传统手法，能够获得更精确的组织形体，同时又能够在培养过程中较好地保持形体。

上图左为3D打印手法，右为传统手工手法

作为一种全新的培养方式，采用3D打印技术，相比较传统手法能够获得更轻巧、精确的组织结构，设计者可拥有更灵活的设计结构，同时也减少了培养基的使用量，节省成本。

据悉，全球正在研究通过生物打印手法来培养皮肤的机构和企业正逐渐增多，竞争趋于激烈。研究人员还希望能够在任何地方轻松的制造皮肤。比如医务人员可以提着一个便携式皮肤打印机到战场上受伤的士兵身边，扫描伤口，确认所需皮肤层数，从伤者身上提取细胞然后打印出一块不会产生排斥反应的皮肤，这样士兵就能得到及时的治疗。

相关报道指出，已有机构正在研究如何直接在创面上打印皮肤组织，从而实现快速疗伤。

来源：3的部落