研究人員最近利用臨床上獲得的人體組織中的脂肪細(xì)胞和支撐結(jié)構(gòu)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(guān)鍵。這一進(jìn)步可能會對面部重建手術(shù)甚至人類的毛發(fā)生長治療產(chǎn)生影響。

該團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果今天(3 月 1 日)發(fā)表在《生物活性材料》雜志上。美國專利商標(biāo)局于二月份授予該團(tuán)隊(duì)一項(xiàng)在本研究中開發(fā)和使用的生物打印技術(shù)的專利。

賓夕法尼亞州立大學(xué)工程科學(xué)與力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程和神經(jīng)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(chuàng)傷的重建手術(shù)通常并不完美，會導(dǎo)致疤痕或永久性脫發(fā)。” ，他領(lǐng)導(dǎo)了開展這項(xiàng)工作的國際合作。“通過這項(xiàng)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(fā)的潛力。這距離實(shí)現(xiàn)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(xué)家之前已經(jīng)對薄層皮膚進(jìn)行了 3D 生物打印，但 Ozbolat 和他的團(tuán)隊(duì)是第一個(gè)在術(shù)中打印多個(gè)皮膚層的完整生命系統(tǒng)的人，包括最底層或皮下組織。研究人員表示，術(shù)中指的是在手術(shù)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(fù)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(jié)締組織和脂肪組成，為頭骨提供結(jié)構(gòu)和支撐。

“皮下組織直接參與干細(xì)胞變成脂肪的過程，”奧茲博拉特說。“這個(gè)過程對于包括傷口愈合在內(nèi)的幾個(gè)重要過程至關(guān)重要。它還在毛囊循環(huán)中發(fā)揮作用，特別是促進(jìn)頭發(fā)生長。”

研究人員首先從賓夕法尼亞州立大學(xué)健康米爾頓·赫爾希醫(yī)療中心接受手術(shù)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(xué)醫(yī)學(xué)院整形外科系的外科副教授，他帶領(lǐng)他的實(shí)驗(yàn)室獲得了用于提取細(xì)胞外基質(zhì)的脂肪——細(xì)胞外基質(zhì)是分子和蛋白質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)，為細(xì)胞提供結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性。組織——制造生物墨水的一種成分。

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

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

他們獲得了皮下組織和真皮層，表皮在兩周內(nèi)自行形成。

“我們在大鼠身上進(jìn)行了三組研究，以更好地了解脂肪基質(zhì)的作用，我們發(fā)現(xiàn)基質(zhì)和干細(xì)胞的共同傳遞對于皮下組織的形成至關(guān)重要，”Ozbolat 說。“它不能僅對細(xì)胞或基質(zhì)有效地起作用——它必須同時(shí)起作用。”

他們還發(fā)現(xiàn)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(xì)胞不直接參與毛囊的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，但它們參與毛囊的調(diào)節(jié)和維護(hù)。

“在我們的實(shí)驗(yàn)中，脂肪細(xì)胞可能改變了細(xì)胞外基質(zhì)，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(jìn)這一目標(biāo)，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(chuàng)傷的受傷或患病部位精確生長毛發(fā)的能力可能會限制自然重建手術(shù)的表現(xiàn)。他說，這項(xiàng)工作提供了一條“充滿希望的前進(jìn)道路”，特別是與他實(shí)驗(yàn)室的其他項(xiàng)目相結(jié)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(yīng)用于皮膚科、毛發(fā)移植以及整形和重建手術(shù)——它可能會帶來更加美觀的結(jié)果，”奧茲博拉特說。

“憑借全自動(dòng)生物打印能力和臨床級兼容材料，這項(xiàng)技術(shù)可能會對精確重建皮膚的臨床轉(zhuǎn)化產(chǎn)生重大影響。”

Ravnic 和 Ozbolat 還隸屬于哈克生命科學(xué)研究所和賓夕法尼亞州立大學(xué)癌癥研究所。Ozbolat 與賓夕法尼亞州立大學(xué)材料研究所和土耳其庫庫羅瓦大學(xué)腫瘤內(nèi)科也有聯(lián)系，目前他正在該校休假。其他貢獻(xiàn)者包括賓夕法尼亞州立大學(xué)工程科學(xué)與力學(xué)系的博士后學(xué)者 Yogendra Pratap Singh 和研究生 Mecit Altan Alioglu;哈克生命科學(xué)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(yè)大學(xué);以及華盛頓州立大學(xué)獸醫(yī)學(xué)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(xué)工程科學(xué)與力學(xué)系。

國立衛(wèi)生研究院和土耳其科學(xué)技術(shù)研究委員會支持了這項(xiàng)工作。