3D打印超逼真仿生人体皮肤，为治愈受损皮肤开辟新方法

2024年3月20日，南极熊获悉，俄勒冈大学的科学家与欧莱雅合作，在生产极其逼真的合成人体皮肤方面取得了重大进展。研究人员采用 3D 打印技术在短短 18 天的极短时间内制造多层类皮肤组织，并正在测试用它来保护和治愈人体的产品。

在过去的 50 年里，体外皮肤和毛发模型已被开发并用于各种临床和研究应用，包括用于伤口或烧伤愈合的皮肤移植以及皮肤生理学和病理生理学的研究。其中许多体外皮肤模型已被认为是筛选化妆品和药品功效和毒性的有效方法，但仍然存在局限性。

为了满足开发动态真皮的需求并认识到现有多孔系统固有的局限性，来自俄勒冈大学的研究人员将溶液静电纺丝 (SES) 和熔融电熔直写 (MEW) 结合起来，创建双层 PCL 支架/膜结构。相关研究成果以题为“First AdvancedBilayer Scaffolds for Tailored Skin Tissue Engineering Produced viaElectrospinning and Melt Electrowriting”的论文被发表在《先进功能材料》期刊上。

相关论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202314757

双层支架/膜是采用两步法制造的。首先，将溶液电纺 PCL 纤维沉积到玻璃基板上，然后使用 MEW 将微纤维 3D 打印到该电纺基板上。用乙醇从玻璃基板上释放所得支架/膜后，双层材料表现出良好融合的层。支架/膜包括：

• 具有低孔隙率的上层，用于创建真皮-表皮交界处 (DEJ)（厚度 10–14 µm）。在这一层中，采用 SES 随机沉积纳米纤维（图 D）。该层旨在防止角质形成细胞渗透真皮层，从而无论真皮 ECM 体积如何，都可以播种表皮（图 B）。然而，SES 膜仍然允许 ECM 化合物和营养物质通过。

• 多孔第二层，旨在创建使用 MEW 生产的真皮部分（厚度 200 至 300 µm）。纤维结构（直的或波状的）、纤维尺寸和孔隙率都经过仔细控制（图E、F）。
  

△用于体外皮肤模型的双层支架

在双层 PCL 支架/膜结构中，SES膜位于真皮和表皮之间的界面，而MEW支架为真皮提供了最佳的开孔环境。溶液静电纺丝 (SES)是一种电流体动力学过程，可从带电聚合物溶液中生成超细纤维（通常具有亚微米直径）。由此产生的膜孔隙度可以实现蛋白质和营养物质的交换，同时限制细胞渗透。这些膜表现出高孔隙率和小孔径，产生大表面积和能够模仿某些真皮-表皮连接特征的结构。研究表明，SES 膜可增强细胞附着、生长和分化，使其成为创新支架/膜结构中很有前景的组成部分。

△直纤维和波状纤维模型都适合体外皮肤重建，但对真皮 ECM 组织的影响不同

研究人员构造的另一个组件是通过熔融电熔直写 (MEW)制造的，这是一种高分辨率 3D 打印技术，能够精确沉积直径范围从 50 微米到小于 1 微米的聚合物纤维。值得注意的是，这些直径与真皮 ECM 纤维的直径相似，尤其是 I 型胶原纤维，其在真皮乳头状和网状真皮中的直径分别为 1 至 10 µm。使用PCL，这些支架具有良好的生物相容性和长期生物降解性，具有优异的、可定制的机械性能。MEW 技术能够对支架孔隙率、孔径分布以及纤维直径和方向进行细致控制，从而产生具有预定义设计的高孔隙支架，可根据特定应用进行定制。此外，MEW 产生的纤维已被证明可以通过地形线索诱导细胞排列。这些特性使MEW支架成为定制模拟真皮环境支架的第二个重要组成部分。

△俄勒冈大学研究人员 Paul Dalton（左）和 Ievgenii Liashenko 在实验室工作。（图片来源：Chris Larsen / 俄勒冈大学）

在研究人员 Paul Dalton 和Ievgenii Liashenko 的带领下，该团队成功复制了全层皮肤组织，融合了由膜分隔的各种细胞类型，这是前所未有的里程碑。他们的创新方法可以创建两层人造皮肤结构，模仿人类皮肤的复杂性。

欧莱雅正在积极利用这种人造皮肤进行产品测试，最初的重点是化妆品和护肤配方。然而，潜在的应用远远超出了化妆品范围。研究小组设想将该技术用于多种医疗目的，包括治疗糖尿病足溃疡和为烧伤患者提供皮肤移植。

这项研究标志着美容和医学领域的重大进步，为测试产品提供了可行的替代方案，并有可能彻底改变伤口护理和重建手术。

随着俄勒冈大学和欧莱雅之间的合作不断探索其他应用，利用合成皮肤技术来增强人类健康和化妆品创新的未来前景广阔。