研究人員最近利用臨床上獲得的人體組織中的脂肪細胞和支撐結構來精確糾正大鼠的損傷，他們表示，脂肪組織是 3D 打印分層活體皮膚和潛在毛囊的關鍵。這一進步可能會對面部重建手術甚至人類的毛發生長治療產生影響。

該團隊的研究結果今天(3 月 1 日)發表在《生物活性材料》雜志上。美國專利商標局于二月份授予該團隊一項在本研究中開發和使用的生物打印技術的專利。

賓夕法尼亞州立大學工程科學與力學、生物醫學工程和神經外科教授易卜拉欣·T·奧茲博拉特 (Ibrahim T. Ozbolat) 表示：“用于糾正因受傷或疾病而造成的面部或頭部創傷的重建手術通常并不完美，會導致疤痕或永久性脫發。” ，他領導了開展這項工作的國際合作。“通過這項工作，我們證明了生物打印的全厚皮膚具有在老鼠身上生長毛發的潛力。這距離實現更自然、更美觀的人類頭部和面部重建又近了一步。”

雖然科學家之前已經對薄層皮膚進行了 3D 生物打印，但 Ozbolat 和他的團隊是第一個在術中打印多個皮膚層的完整生命系統的人，包括最底層或皮下組織。研究人員表示，術中指的是在手術期間打印組織的能力，這意味著該方法可用于更立即、無縫地修復受損皮膚。頂層——作為可見皮膚的表皮——在中間層的支撐下自行形成，因此不需要打印。皮下組織由結締組織和脂肪組成，為頭骨提供結構和支撐。

“皮下組織直接參與干細胞變成脂肪的過程，”奧茲博拉特說。“這個過程對于包括傷口愈合在內的幾個重要過程至關重要。它還在毛囊循環中發揮作用，特別是促進頭發生長。”

研究人員首先從賓夕法尼亞州立大學健康米爾頓·赫爾希醫療中心接受手術的患者身上獲取人體脂肪或脂肪組織。合作者迪諾·J·拉夫尼克 (Dino J. Ravnic) 是賓夕法尼亞州立大學醫學院整形外科系的外科副教授，他帶領他的實驗室獲得了用于提取細胞外基質的脂肪——細胞外基質是分子和蛋白質的網絡，為細胞提供結構和穩定性。組織——制造生物墨水的一種成分。

Ravnic 的團隊還從脂肪組織中獲得了干細胞，如果提供正確的環境，干細胞有可能成熟為幾種不同的細胞類型，從而制造另一種生物墨水成分。每個組件都被加載到生物打印機的三個隔室之一中。第三個隔室充滿了凝血溶液，有助于其他成分正確地結合到受傷部位。

“這三個隔室使我們能夠在精確控制下共同打印基質-纖維蛋白原混合物和干細胞，”Ozbolat 說。“我們直接打印到損傷部位，目標是形成皮下組織，這有助于傷口愈合、毛囊生成、溫度調節等。”

他們獲得了皮下組織和真皮層，表皮在兩周內自行形成。

“我們在大鼠身上進行了三組研究，以更好地了解脂肪基質的作用，我們發現基質和干細胞的共同傳遞對于皮下組織的形成至關重要，”Ozbolat 說。“它不能僅對細胞或基質有效地起作用——它必須同時起作用。”

他們還發現皮下組織含有向下生長，這是早期毛囊形成的初始階段。研究人員表示，雖然脂肪細胞不直接參與毛囊的細胞結構，但它們參與毛囊的調節和維護。

“在我們的實驗中，脂肪細胞可能改變了細胞外基質，以更有利于向下生長的形成，”奧茲博拉特說。“我們正在努力推進這一目標，以控制密度、方向性和生長的方式使毛囊成熟。”

奧茲博拉特表示，在創傷的受傷或患病部位精確生長毛發的能力可能會限制自然重建手術的表現。他說，這項工作提供了一條“充滿希望的前進道路”，特別是與他實驗室的其他項目相結合，包括打印骨骼和研究如何匹配各種膚色的色素沉著。

“我們相信這可以應用于皮膚科、毛發移植以及整形和重建手術——它可能會帶來更加美觀的結果，”奧茲博拉特說。

“憑借全自動生物打印能力和臨床級兼容材料，這項技術可能會對精確重建皮膚的臨床轉化產生重大影響。”

Ravnic 和 Ozbolat 還隸屬于哈克生命科學研究所和賓夕法尼亞州立大學癌癥研究所。Ozbolat 與賓夕法尼亞州立大學材料研究所和土耳其庫庫羅瓦大學腫瘤內科也有聯系，目前他正在該校休假。其他貢獻者包括賓夕法尼亞州立大學工程科學與力學系的博士后學者 Yogendra Pratap Singh 和研究生 Mecit Altan Alioglu;哈克生命科學研究所的研究員 Youngnam Kang 和 Miji Yeo 以及研究生 Irem Deniz Derman;楊武，中國哈爾濱工業大學;以及華盛頓州立大學獸醫學院的 Jasson Makkar 和 Ryan R. Driskell。Kang、Yeo、Singh、Alioglu 和 Derman 也隸屬于賓夕法尼亞州立大學工程科學與力學系。

國立衛生研究院和土耳其科學技術研究委員會支持了這項工作。