图案化纳米纤维膜+水凝胶制备生物3D打印人造皮肤替代品

时间：2024-09-10 09:50 来源： EFL生物3D打印与生物制造作者：admin 阅读：次

        生物3D打印在构建人造皮肤组织、复制天然皮肤的结构和功能方面具有优势。尽管许多研究表明打印皮肤替代品在伤口愈合中的效果有所改善，但使用水凝胶墨水制造具有复杂结构、模仿机械性能和适当细胞环境的生物3D打印结构仍然具有挑战性。
       受胶原纳米纤维承受压力和调节细胞行为的启发，中国科学院深圳先进技术研究院赵晓丽团队将图案化的纳米纤维膜引入印刷水凝胶支架中，以制造复合人造皮肤替代品（CASS）。模仿胶原蛋白的纳米纤维膜有效提高了CASS的拉伸强度和抗断裂性，使其可缝合以牢固地植入皮肤缺损处。同时，图案化的纳米纤维膜还提供了引导细胞行为的生物线索。因此，CASS通过促进上皮再形成和胶原沉积，有效加速小鼠和猪模型中大面积皮肤缺损的再生（方案1）。
       相关研究成果以“3D Bioprinting of Artificial Skin Substitute with Improved Mechanical Property and Regulated Cell Behavior through Integrating Patterned Nanofibrous Films”为题于2024年6月28日在线发表在《ACS Nano》上。

方案1 生物3D打印CASS及其在伤口愈合中的应用示意图

1. 混合水凝胶油墨的制备与表征

复合人造皮肤替代品（CASS）是通过在印刷水凝胶支架中引入图案化纳米纤维（PN）薄膜来使用仿生策略制备的。作者选择由明胶（Gel-MA）和透明质酸（HA-MA）组成的混合水凝胶作为印刷油墨，以模拟天然皮肤组织的化学成分。因此，首先研究了这种油墨的可印刷性和物理化学性质。通过流变测试、实际打印效果评估、降解速率评估、细胞实验和动态流变分析筛选出具有良好生物相容性和较高机械性能的G10H2凝胶（即Gel-MA浓度为10，HA-MA浓度为2）作为水凝胶油墨（图1）。

图1 杂化水凝胶油墨的表征

2. PN薄膜的制备和表征

PN薄膜旨在集成到CASS中，以改善其机械性能并提供胶原蛋白模拟生物线索。由于具有紧密堆积的纳米纤维结构的一般静电纺丝薄膜可能会阻碍细胞通过薄膜的迁移，因此构建了具有贯穿孔的图案化静电纺丝纳米纤维薄膜，这些薄膜通过静电纺丝收集在具有直径 2.0 mm贯穿孔的图案不锈钢板上（图 2A）。SEM、细胞实验说明P15G1.5-5薄膜（即聚乳酸-乙醇酸(PLGA)含量为15% w/v，Gel-MA含量为1.5% w/v，纺丝时间为5 min）允许人真皮成纤维细胞（HDF）穿透孔隙到达培养皿，因此选择该薄膜进行后续实验，并将其命名为PN薄膜。

图2 PN膜的表征

3. PN薄膜增强复合人造真皮（CAD）的机械性能

通过打印具有梯度孔隙的水凝胶支架并将PN薄膜插入其中来构建CAD，以便从外到内模拟分层的天然皮肤组织，包括基底层、真皮和网状真皮。本文按照水凝胶-膜-水凝胶-膜-水凝胶的顺序，使用三个梯度水凝胶室和两个PN膜制备了一个简化模型（图3A）。在光学照片中观察到水凝胶室的梯度孔隙率（图3B）。CAD与水凝胶真皮（HAD）在拉伸应力下的对比表明，CAD的抗拉伸性远强于HAD。机械性能测试表明PN膜的插入有效地改善了CAD在拉伸应力、抗断裂性和耐缝性方面的力学性能（图3C-F）。此外，CAD可以缝合在裸鼠的皮肤上，为全层伤口提供全面覆盖，并紧紧附着在伤口边缘，类似于临床皮肤移植物（图3G）。

图3 复合人工真皮(CAD)的力学性能

(责任编辑：admin)

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