生物3D打印仿生傷口敷料和成人干細胞療法的融合

來源：上普生物

近期，生物3D打印大牛昆士蘭科技大學Dietmar Hutmacher組BioMaterials期刊上發(fā)表了“Convergence of 3D Printed Biomimetic Wound Dressings and Adult Stem Cell Therapy”的文章。

仿生設計的醫(yī)學級聚己內(nèi)酯（mPCL）敷料經(jīng)過3D打印，具有毛孔結(jié)構和各向異性的機械特性，有利于傷口愈合并減少疤痕。 研究者利用熱熔靜電直寫3D打印的mPCL敷料，再接種人類牙齦組織多能間充質(zhì)干/基質(zhì)細胞，并使用臨床認可的方法進行冷凍保存。在大鼠模型的夾板全層切除傷口中，經(jīng)過六周的時間，比較了新鮮或冷凍的接種有細胞的mPCL敷料的再生潛力。與對照組相比，通過3D打印的mPCL敷料的應用可減少傷口攣縮并通過制粒和再上皮形成顯著改善皮膚再生。將3D打印的仿生傷口敷料與前體細胞遞送結(jié)合起來可增強生理性傷口閉合，減少疤痕組織的形成。

成年皮膚通過收縮和疤痕形成對全層皮膚傷口產(chǎn)生反應，這是一個主要的修復過程，通常不能完全恢復皮膚的生理結(jié)構和功能。盡管生物敷料的設計取得了重大進展，但許多研究仍未通過治療后的半定量組織學和免疫組織化學分析很好地表征再生組織的質(zhì)量，或在預防瘢痕形成方面未取得成功。干細胞生物學，生物材料開發(fā)和附加生物制造技術的最新進展確實導致了前所未有的細胞外仿生微環(huán)境的工程化。在最近的研究中，使用了不同的細胞類型和生物材料，但是這些研究主要是在體外進行的，或者僅在較短的時間窗內(nèi)研究了各個動物模型中的傷口閉合情況，而對瘢痕形成后的瘢痕康復沒有進行完整的研究。因此，迫切需要開發(fā)生物敷料，為創(chuàng)傷后皮膚的長期重塑和止血提供有利的微環(huán)境。

熔融靜電直寫（MEW）是一種增材制造技術，可對基于仿生結(jié)構設計的無溶劑，高度多孔的纖維支架進行3D打印。迄今為止，MEW可打印的幾種聚合物，包括醫(yī)用級聚己內(nèi)酯（mPCL）。MEW可以承受具有廣泛機械性能的3D打印支架。已經(jīng)研究了MEW mPCL支架用于不同組織的再生，例如骨骼，軟骨和心臟瓣膜。在這里，研究者旨在為傷口敷料設計具有各向異性機械性能的MEW mPCL纖維結(jié)構。

△圖1 原理設計

△圖2 靜電直寫打印測試

△圖3 力學測試

△圖4 干細胞的附著和增殖

△圖5 大鼠修復實驗

△圖6 疤痕組織的減少

△圖7 膠原的沉積

△圖8巨噬細胞浸潤

△圖9 敷料顯示出最佳的傷口愈合潛力，疤痕面積最少

基于細胞的敷料旨在通過阻斷負責疤痕形成的生物途徑和/或觸發(fā)增強再生途徑而不是修復過程的信號傳導來減少疤痕形成。研究者的組織學和免疫組化數(shù)據(jù)集證實，MSC敷料的療效優(yōu)于其他組（單獨使用splint或PCL傷口敷料）。組織學和免疫組織化學分析均顯示，接種細胞的傷口敷料對免疫細胞的遷移和角質(zhì)形成細胞，內(nèi)皮細胞和成纖維細胞的增殖具有直接影響，因此對傷口愈合具有促進再生的作用。與研究者的數(shù)據(jù)一致，以前的研究報道了在3D培養(yǎng)中與皮膚成纖維細胞相比，人類牙齦成纖維細胞的非纖維化表型，并且傷口愈合得到增強，牙齦細胞的瘢痕形成潛力降低了。牙齦細胞快速，無疤痕愈合的細胞和分子機制尚未完全了解，但可能取決于不同生物學因子的分泌及其免疫調(diào)節(jié)活性。廣泛而快速的傷口收縮在很大程度上促進了疤痕的形成。為了指導傷口的收縮和再生（無疤痕愈合），已提出以膠原蛋白-糖胺聚糖支架的形式應用“收縮阻滯劑” 。收縮阻滯劑的使用可指導傷口愈合過程中成肌纖維細胞和膠原纖維組件的定向。研究者的研究證實了這些發(fā)現(xiàn)，因為仿生纖維網(wǎng)絡的應用可承受傷口的收縮力并促進無疤痕的傷口愈合。最后，細胞種子傷口敷料的冷凍保存顯示了加速傷口閉合和減少疤痕的潛力。確實，優(yōu)化的冷凍保存協(xié)議通過減少時間和成本來提高制造效率。

結(jié)論
使用具有免疫能力的動物來模擬同種異體移植細胞接種傷口敷料的臨床應用，并且不使用免疫抑制藥物。 纖維網(wǎng)絡設計從仿生學角度解決了天然皮膚組織的J形應變變硬和各向異性行為。 3D打印敷料的最佳表面體積比支持hGMSC附著和增殖。 HGMSC接種的mPCL傷口敷料可在大鼠模型的夾板全厚度切除傷口中更快地閉合傷口，并減少疤痕形成。

參考文獻
Abbas Shafiee, et al. Convergence of 3D Printed Biomimetic Wound Dressings and Adult Stem Cell Therapy, Biomaterials,2020,120558, 0142-9612,

https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2020.120558.