3D 生物打印構建內分泌脂肪單元優(yōu)化皮膚再生微環(huán)境的創(chuàng)新研究

來源：EFL生物3D打印與生物制造

脂肪組織作為重要的內分泌器官，在代謝調節(jié)和組織修復中意義重大。然而，當前脂肪組織工程面臨諸多難題。一方面，傳統(tǒng)技術難以模擬其天然結構和實現高細胞密度聚集，像常規(guī)懸掛滴法無法滿足細胞外基質相互作用需求，阻礙前脂肪細胞有效分化為功能性脂肪細胞；另一方面，嵌入生物打印時前脂肪細胞易遷移，致使致密細胞環(huán)境難以形成，影響脂肪組織的內分泌功能模擬。此外，脂肪組織與其他組織整合的研究較少，限制了對其在代謝穩(wěn)態(tài)和組織修復中作用的深入理解。  

韓國釜山國立大學的Byoung Soo Kim教授團隊針對這些問題展開研究。他們開發(fā)了一種快速組織打印方法，通過流變學和計算分析優(yōu)化模塊化聚己內酯框架，能在0.3秒內擠出前脂肪細胞負載的生物墨水構建脂肪單元。同時，研制出混合生物墨水限制細胞遷移、促進脂肪細胞成熟，并確定了最佳脂肪單元直徑和空間排列。團隊還將脂肪模塊與真皮模塊整合，驗證了其內分泌功能。體內研究顯示，該組織組件可顯著促進傷口愈合、血管生成和再上皮化。相關工作以“3D Bioprinting‐Assisted Tissue Assembly of Endocrine Adipose Units for Enhanced Skin Regeneration”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。

研究內容
1. 開發(fā)流程及關鍵亮點概述，通過流變學和數值評估、生物墨水開發(fā)、實驗檢測與分析等研究方法，研究了構建功能性脂肪模塊及組織組件的流程和關鍵要點。結果表明，確定了支撐生物墨水的合適機械性能，開發(fā)出能調控細胞遷移和增殖的混合支撐生物墨水，明確了脂肪單元的最佳直徑和空間配置，成功制備脂肪模塊并驗證其在皮膚再生中的作用，為后續(xù)研究奠定基礎。

圖1. 開發(fā)流程及關鍵亮點概述。

2. 嵌入式組織單元打印的開發(fā)，運用實驗測試、數值模擬和細胞染色分析等研究方法，研究了不同濃度支撐生物墨水對脂肪單元形成的影響。結果表明，1%和1.5%濃度的AdECM生物墨水在流變性能上更優(yōu)，能為細胞提供穩(wěn)定支撐，形成更規(guī)則的球形組織單元；確定0.6%的支撐生物墨水濃度理論上可使組織單元的縱橫比達到0.95，且基于此選擇1%支撐生物墨水濃度進行后續(xù)實驗，確保實驗的穩(wěn)定性和可靠性。

圖2. 嵌入式組織單元打印的開發(fā)。

3. 使用含海藻酸鹽的混合支撐生物墨水創(chuàng)建致密細胞環(huán)境的嵌入式生物打印，采用細胞培養(yǎng)觀察、定量分析和基因表達檢測等研究方法，研究了海藻酸鹽濃度對前脂肪細胞分布、增殖和分化的影響。結果表明，含0.5%海藻酸鹽的混合生物墨水能有效防止細胞分散，促進局部增殖，顯著上調早期成脂分化標記基因的表達，為構建致密細胞環(huán)境、促進成脂分化提供了最佳條件。

圖3. 使用含海藻酸鹽的混合支撐生物墨水創(chuàng)建致密細胞環(huán)境的嵌入式生物打印。

4. 開發(fā)優(yōu)化脂肪單元直徑的嵌入式組織單元打印方法，通過調節(jié)氣壓控制脂肪單元大小、缺氧檢測和基因表達分析等研究方法，研究了不同大小脂肪單元的缺氧情況及對細胞功能的影響。結果表明，直徑大于900μm的脂肪單元出現明顯中央缺氧，而直徑為600μm的脂肪單元可最大程度減少缺氧并保持細胞功能，確定后續(xù)實驗采用該直徑的脂肪單元以確保實驗結果的一致性和可靠性。

圖4. 開發(fā)優(yōu)化脂肪單元直徑的嵌入式組織單元打印方法。

5. 基于脂肪單元排列的形態(tài)和功能評估，運用細胞培養(yǎng)、基因表達分析、染色觀察和激素水平檢測等研究方法，研究了脂肪單元間距對脂肪生成、細胞形態(tài)和內分泌功能的影響。結果表明，較小的脂肪單元間距（小于1000μm）可促進脂質滴形成相關基因的表達，提高細胞密度和脂肪細胞直徑，增強內分泌反應的動態(tài)功能，證明適當縮小脂肪單元間距能促進脂肪生成成熟和增強內分泌功能。

圖5. 基于脂肪單元排列的形態(tài)和功能評估。

6. 使用3D打印輔助傷口劃痕平臺評估脂肪模塊旁分泌信號對傷口愈合的影響，通過構建傷口愈合實驗平臺、細胞培養(yǎng)觀察和基因表達分析等研究方法，研究了脂肪單元的內分泌信號對皮膚細胞遷移和傷口愈合的影響。結果表明，含脂肪單元的實驗組傷口愈合速度明顯快于無脂肪單元組，且近端間距（1000μm）的脂肪單元促進傷口愈合的效果更顯著，其通過上調細胞遷移相關基因的表達，增強細胞遷移和細胞外基質重塑，進而促進傷口愈合。

圖6. 使用3D打印輔助傷口劃痕平臺評估脂肪模塊旁分泌信號對傷口愈合的影響。

7. 使用快速組織組裝技術制備的組織組件的體內評估，采用構建組織組件并植入動物模型、組織學染色、激光多普勒灌注成像和免疫組織化學分析等研究方法，研究了含內分泌脂肪單元的組織組件在體內的傷口愈合效果及機制。結果表明，含脂肪單元的組織組件組傷口愈合速度更快，血管化和再上皮化程度更高，其內分泌因子可促進相鄰宿主組織的細胞遷移和增殖，改善血液供應和表皮再生，驗證了該組織組件在增強傷口愈合方面的有效性。

圖7. 使用快速組織組裝技術制備的組織組件的體內評估。

8. 快速組織組裝技術在開發(fā)大規(guī)模3D復合結構中的潛在應用，通過設計組裝策略、構建3D替代結構和實際組裝實驗等研究方法，研究了快速組織組裝技術在構建復雜組織構建體中的應用潛力。結果表明，該技術可利用螺栓/螺母框架式組裝平臺精確對齊和分層組裝各種模塊，成功創(chuàng)建大規(guī)模脂肪 - 血管 - 皮膚結構，展示了技術的適用性和可擴展性，為構建更復雜的組織工程結構提供了新途徑。

圖8. 快速組織組裝技術在開發(fā)大規(guī)模3D復合結構中的潛在應用。

研究結論
本研究開發(fā)了一種創(chuàng)新的組織組裝策略和混合生物墨水，用于構建密集的脂肪組織以促進皮膚再生。通過詳細的流變學分析和計算模擬優(yōu)化了脂肪單元的打印過程，實現了高精度和結構保真度�；旌仙�物墨水的設計有效限制了細胞遷移，促進了密集脂滴的形成，這對脂肪組織的最佳功能至關重要。此外，設計的多功能聚己內酯（PCL）框架能夠將脂肪單元與相鄰的皮膚組織替代物整合。這種工程化復合組織與真皮模塊相結合，有效利用了脂肪組織的內分泌活性，加速了皮膚再生，突顯了該方法在再生醫(yī)學中制造大型多細胞復合組織的潛力。盡管本研究引入了包含內分泌組織的新方法，但血管化仍是成功制造三維體積組織構建體的關鍵挑戰(zhàn)。基于此基礎工作，未來將著重拓展該策略，開發(fā)管狀血管模塊，以創(chuàng)建更復雜且功能完備的復合組織構建體。

文章來源：
https://doi.org/10.1002/adfm.202419680