康奈尔大学开发新型生物复合材料，为3D打印人体仿生皮肤奠定基础|3d打印|水凝胶|聚合物

康奈尔大学开发新型生物复合材料，为3D打印人体仿生皮肤奠定基础

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2022年7月12日南极熊获悉，来自康奈尔大学的研究人员创造出了一种新型生物材料，可用于制造拥有类似人体组织结构的仿生皮肤。

研究团队开发的生物混合复合材料具有独特的成分，由胶原蛋白与 "两性离子 "水凝胶混合而成，材质柔软且具有生物相容性，有足够的灵活性，能够承受持续的变形。虽然科学家们的研发项目仍在进行中，但他们表示这种生物墨水有一天可以作为3D打印患者细胞支架的基础，从而有效地就愈合伤口。

这项研究的共同主要作者之一Nikolaos Bouklas说："我们最终的目的是想创造一种可以用于再生医学的材料，例如一块可以承受部分原始负荷的支架，直到组织完全再生。用这种材料，你可以用细胞3D打印一个多孔的支架，最终可以在支架周围形成实际的组织。"

△生物混合复合材料的显微图像，细胞（红色）被播种在胶原蛋白的纤维状结构（黄色）上。图片来自康奈尔大学。

天然材料与合成材料的结合

鉴于人体不断运动的性质，我们的组织既要足够柔软，可以根据指令弯曲，同时也要足够坚固，以承受持续的负荷。康奈尔大学的研究小组表示，当这些细胞变得破旧或损坏时，水凝胶和合成材料可以作为替代品，但两者都不具备适当的生物和机械性能，无法同时做到这一点。

科学家们认为合成塑料往往缺乏支持和维持活细胞的能力，难以生成可以发挥作用的微观结构组织。同时，当涉及到胶原蛋白、纤维蛋白或透明质酸等天然聚合物时，研究人员认为尽管它们能够复制活体组织的生物相容性，但它们往往更脆弱。

为了制造一种具有灵活性和细胞友好性的生物墨水，以便能够生产出接近真实的人造皮肤，研究团队将目光转向了"两性离子水凝胶"。具体来说，科学家们发现将胶原蛋白与这种含有正负电荷分子基团的材料混合在一起，可以使其在支持细胞生长的同时承受多种冲击。

该研究的另一位共同主要作者之一Lawrence Bonassar解释说："这些电荷基团与胶原蛋白中的负电荷和正电荷基团相互作用，这种相互作用使材料能够消散能量并实现高水平的韧性。"

△康奈尔大学教授Lawrence Bonassar。照片来自康奈尔大学。

为更真实的人造皮肤打下基础？

有趣的是，在他们的论文中，研究人员说他们的生物混合复合材料的配方只需要 "简单的混合"，因为他们的胶原蛋白自我组装成纤维状网络，这反过来又与周围的水凝胶发生了离子连接。据Bouklas说，这生成了在天然软骨中看到的相同的胶原蛋白相互连接的网络，否则这将是非常难以生产的。

研究团队对这种材料进行了测试，结果显示，与未经处理的聚合物基质相比，胶原蛋白的添加使其弹性模量增加了40%。他们还发现将胶原蛋白与水凝胶结合在一起能使材料在开裂前吸收11倍的能量，同时使其具有类似于关节软骨等组织的特性。

在生物相容性方面，科学家们发现他们的胶原蛋白聚合物支持细胞生长的能力提高了100多倍，而且它显示了90%以上的细胞存活率。研究人员说，他们打算继续研究这种材料背后的生物合成过程，他们现在已经开始测试其在组织的3D打印方面的可行性。

△HK inno.N与T&RBiofab合作，使用其3D生物打印技术制造人体皮肤。图片来自T&RBiofab。

3D生物打印组织的潜力

尽管3D打印人体组织通常仍处于实验室测试阶段，但仅在过去几年里，其背后的技术就有了飞跃性的发展。2022年1月，伯明翰大学和哈德斯菲尔德大学的研究人员透露，他们已经开发出一种用生物打印的皮肤来治疗深层伤口的方法。

同样，去年年底，NOVOPLASM联盟宣布创建了 "世界上第一个"3D打印免疫皮肤模型。该模型是利用冷等离子体技术开发的，将来可用于治疗感染性烧伤和刺激性皮肤移植等疾病。

除了伤口愈合的应用，3D打印还被用来为护肤品研发创造组织。例如，HK inno.N和T&R Biofab已经合作，旨在开发用于药物测试的3D生物打印组织，这可以作为对动物测试的替代。

研究人员的发现详见他们的论文，题为 " Simple synthesisof soft, tough, and cytocompatible biohybrid composites/柔软、坚韧和细胞相容的生物杂交复合材料的简单合成"，该论文由Cameron Darkes-Burkey, Xiao Liu,Leigh Slyker, Jason Mulderrig, Wenyang Pan, Emmanuel P. Giannelis, Robert F.Shepherd, Lawrence J. Bonassar 和 Nikolaos Bouklas共同撰写。