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3D打印发展到如此逆天的程度?打印血管,制造“活皮肤”

来源:果壳    关键词:3D打印,    发布时间:2019-12-10

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在医疗领域,3D打印技术的应用日益增多,3D打印义肢、人造骨等,还有3D打印的药丸,这些新型产品的诞生为患者早日恢复健康创造了更多可能性。近几年,越来越多研究人员将3D打印皮肤作为新的研究方向,也取得了不少进展。

皮肤移植是外科治疗中修复受损皮肤的主要方法之一,及时有效地封闭创面一直是临床治疗严重烧伤患者所面临的棘手难题,探索相应的皮肤移植技术则是烧伤医学的重要研究领域之一。从目前来看,皮肤移植临床治疗可以加速受损皮肤愈合,但却无法避免覆盖在受损皮肤表面的一层仍会面临脱落的情况,且大多数为“拆东墙补西墙”的治疗方式。移植皮肤无法很好的与宿主细胞结合,也是目前烧伤科、整形外科等面对的一大难题,那么如何能让受损肌肤创面与植入物更好地贴合呢?这项新研究或许可以解答。

来自仁斯利尔理工大学(Rensselaer Polytechnic Institute)的研究人员采用3D打印技术生物打印出了完整的有血管的活性皮肤。这一进展近期在线发表于《组织工程-A部分》(Tissue Engineering Part A),这项研究的成果是人类能创造出更自然的皮肤移植方式所迈出的重要一步,人体移植排斥反应(transplant rejection,影响移植物存活的主要因素之一)也有望得到改善。

负责这项研究的RPI化学与生物工程学副教授Pankaj Karande表示:“目前,在皮肤移植领域,现有的一些临床产品更像是花哨的‘创可贴’,虽然可以使受损部位愈合,最终还是会脱落,一些组织还是会面临坏死的。换言之,现有的一些植皮治疗方式虽然取得了不小成就,但都难逃‘是否真正与宿主细胞整合’这一现实的拷问。”

移植物与宿主细胞的整合面临一个重要障碍,便是要解决“在皮肤移植过程中没有正常运作的血管系统”的问题。Karande教授在此之前发表过一篇论文《3D打印技术在人体皮肤制作与设计》,他发现并制成了一种新型“生物墨水”(bio-inks),这些“墨水”是由人类内皮细胞、周细胞、动物胶原蛋白和皮肤移植物中发现的结构细胞的组合而成,这种混合物使研究人员能够在几周内形成血管结构并打印出类似皮肤的材料。此后,Karande教授与耶鲁大学(Yale University)医学院展开合作,进一步将人体的血管系统纳入研究中。

图 | Rensselaer Polytechnic Institute/Youtube

有血液和营养物质转移到移植物中,才能更好地维持活性。在实验中,研究人员将人体血管中发现的细胞(血管内部排列的内皮细胞,以及包裹在内皮细胞周围的周细胞)与其他成分(包括动物胶原蛋白)结合在一起,印制了类似皮肤的材料。几周内,他们用新的生物墨水打印出来的皮肤血管开始生长,当将这些皮肤块移植到小鼠的伤口上时,动物的血管开始与生物打印的皮肤中的血管相通,进而移植物在4周后充满血液;且从移植皮肤的外形上来看,与人体自然生长的皮肤并无太大差异。

不过目前研究团队取得的成果还不能完全称之为成熟的技术,但它切实可行。若想该技术能达到临床可用水平,研究人员还需再接再厉,当前版本的3D打印技术需要使用CRISPR技术进行基因编辑来修饰供体细胞,以使血管整合并被患者的身体接受。

Karande教授表示,短期内,这项技术最快可用于帮助患有压力性溃疡(pressure ulcers)或糖尿病患者的治疗。对于压力性溃疡患者来说,3D打印的活性皮肤无疑是最完美的解决方案,溃疡通常出现在身体的不同部位,并且可以用小块的皮肤来治疗;对于糖尿病患者来说,其伤口愈合的时间通常比普通健康人群长,所以这一技术也有助于加速其伤口愈合。

图 |Pixabay

而对于那些严重烧伤、烫伤的患者来说,用该技术来进行植皮可能还需要一段时日。这些损伤通常会导致神经和血管末梢的丧失,将3D打印的皮肤转移到这些受损组织更为复杂,所以对研究团队来说攻坚克难,势在必行。

RPI化学与生物工程学主任Deepak Vashishth教授表示:“Karande教授及团队所取得的重要进展凸显了3D打印技术在精准医疗领域存在的巨大潜力。因为从这项技术本身来说,一旦成熟,每一例活性皮肤移植手术的治疗方案都可以根据患者个体状况进行量身定制。”

人体包含的各种“管道”网络就像搬运工,在我们体内将各类营养物质带入器官并从器官中清除废物,这些管网呈缠结状,从3D打印技术的角度来说很难完美复制。Karande教授却让人们看到了3D打印的组织中创建出多个缠结复杂管网的可能性,无疑令人惊喜。不过从动物试验到临床应用,该技术还有很长一段路要走,我们期待并畅想这样的先进医学科技在未来可以造福更多患者。

编译来源:medicalxpress.com

参考资料(可上下滑动查看)

[1] Living skin can now be 3-D-printed with blood vessels included Retrieved Nov 6, 2019

from https://medicalxpress.com/news/2019-11-skin-d-printed-blood-vessels.html

[2] 3D bioprinting of a vascularized and perfusable skin graft using human keratinocytes, (...) Retrieved Nov 6, 2019 from https://www.liebertpub.com/doi/10.1089/ten.TEA.2019.0201

[3]彭代智;杨燕妮;林恒;伍素华;周新;刘敬;董征学;;皮肤混合移植的过去、现状和未来[A];第八届全国烧伤外科学年会论文汇编[C];2007年

[4] Scientists have successfully 3D printed living skin with blood vessels Retrieved Nov 6, 2019

from /3d-print-news/2019/1105/68171.html

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