摘要：近年来，生物3D打印技术在皮肤替代物研究中的快速发展引起了广泛关注。与传统组织工程皮肤相比，生物3D打印技术能够更快速、全面地模拟皮肤的结构和功能，可为患者提供更精确和定制化的解决方案。
近年来，生物3D打印技术在皮肤替代物研究中的快速发展引起了广泛关注。与传统组织工程皮肤相比，生物3D打印技术能够更快速、全面地模拟皮肤的结构和功能，可为患者提供更精确和定制化的解决方案。
传统自体皮移植由于供体来源的限制、供体部位的缺陷、免疫排斥和感染等因素的存在，应用范围有限制。21世纪随着生物3D打印技术的兴起，为皮肤替代物的研究带来了新的机遇。生物3D打印技术是以计算机三维模型为模板，装配特制“生物墨水”，最终制造出人造器官和生物医学产品的新科技手段。
1. 生物3D打印皮肤的研究进展
生物3D打印皮肤可以包含传统组织工程皮肤的层状（表皮层、真皮层和皮下组织层）结构，可将具有特殊功能的细胞（如黑素细胞、朗汉细胞等）和结构模块精准嵌入皮肤中，从而实现皮肤的全结构再造。Ng等报道了含有表皮细胞、黑素细胞和成纤维细胞的仿生3D打印皮肤模型，该皮肤的色素沉着较普通组织工程皮肤更能模拟人体正常皮肤的色素水平（如图1A）。Atala等报道了含有6种皮肤相关细胞和三层结构的生物3D打印皮肤，在体外培养56天达到成熟后移植入裸鼠背部创面，实现创面的快速愈合（如图1B）。
图1.生物3D打印皮肤的结构设计（A）含有黑素细胞、表皮细胞和真皮成纤维细胞的生物3D打印双层皮肤；（B）含有六种皮肤相关细胞的生物3D打印三层结构皮肤的设计和体外培养52天后的形态。
在功能重建方面，可通过装载入打印组织的特殊功能细胞和附属器实现特定功能，还可根据植入后血管神经长入的需求，在特定部位加入血管、神经的种子细胞或活性诱导因子，有效增强打印皮肤的成活率。
将人源性瘢痕细胞和瘢痕细胞外基质混入生物墨水，打印出的组织体外培养后移植入裸鼠背部，用于瘢痕形成机制研究和药物筛选（如图2A）；利用悬滴培养法构建了毛囊细胞球，构建出同时含有汗腺和毛囊的生物3D打印皮肤，可以用于皮肤和汗腺相互作用机制的基础研究（如图2B）。
图2. 生物3D打印皮肤瘢痕和皮肤附属器模型（A）生物3D打印人源性皮肤瘢痕模型用于瘢痕治疗药物筛选；（B）生物3D打印含汗腺和毛囊的皮肤模型用于汗腺和毛囊相互作用研究。
2.生物3D打印皮肤的临床应用方案
相比传统组织工程皮肤，生物3D打印皮肤具有更多可选择的临床应用路径。
2.1与传统组织工程皮肤相同的临床路径：将生物3D打印皮肤在体外培养至成熟状态，然后再移植到患者的创面上。这种方法可以确保打印皮肤具备足够的结构完整性，同时也提供了更多的时间进行细胞和组织的诱导培养和功能成熟。
将三维扫描和在创面原位打印并光聚合构建双层皮肤的方法在实验动物模型中进行了全流程模拟，并取得了良好的创面治疗效果（如图3A）。
图3.生物3D打印皮肤的床旁打印和使用路径（A）三维扫描和在创面原位打印构建双层皮肤的方法用于创面急救与治疗；（B）手持式生物3D打印构建含有表皮细胞和真皮成纤维细胞的皮肤模型。
2.2生物3D打印还可以与现有治疗技术结合，为患者提供更为精确和定制化的解决方案。如将PRP和生物3D打印技术结合，和大部分水溶性生长因子（重组人表皮生长因子、细胞因子模拟肽等）或细胞成分（外泌体、细胞囊泡等）进行结合，用于活性成分保护和缓释，有助于增强生物学效应。同时，生物3D打印墨水材料本身均具有良好的生物相容性和保湿性，可以减轻创面炎症反应和瘢痕收缩，在创面治疗和促进组织再生的过程中发挥重要作用。
图4.生物3D打印与现有创面治疗技术结合的临床路径（A）生物3D打印结合富血小板血浆血浆（PRP）用于创面治疗；（B）生物3D打印结合PRP、三维扫描和路径设计等工程技术用于创面治疗。
小黑板：
在临床应用方案选择上，无论是体外培养后移植还是原位打印即时应用，或是与现有技术结合应用，都可以根据具体情况选择最适合的生物3D打印皮肤的临床路径，以实现更好的治疗效果和患者的康复。
3.生物3D打印皮肤的临床研究
3.1解放军总医院的仿生多层皮肤研究
解放军总医院的Minliang Chen团队开发了一种基于微碎片脂肪细胞外基质（mFAECM）的3D生物打印仿生多层皮肤，用于全层皮肤缺损的修复。研究中，将mFAECM与甲基丙烯酰化明胶（GelMA）和甲基丙烯酰化透明质酸（HAMA）混合制成复合生物墨水，成功打印出包含表皮、真皮和血管化的多层皮肤结构。
实验结果：
伤口愈合：在裸鼠全层皮肤缺损模型中，植入后第7天，细胞负载组创面面积最小，且大部分表皮结构已形成；第14天，细胞负载组创面完全闭合，而空白组仍以血痂和脆弱的肉芽组织为主。
血管生成和胶原蛋白沉积：细胞负载组在伤口愈合过程中表现出更高的CD31表达（血管内皮细胞标记物），表明其促进了新血管的形成。此外，细胞负载组在第7天和第14天的胶原蛋白沉积量明显高于其他组，且胶原纤维排列更有序。
结论：该研究证明了mFAECM复合生物墨水的可打印性和细胞粘附性，其仿生多层皮肤能够显著加速伤口愈合，促进血管生成和胶原蛋白合成，为全层皮肤缺损的治疗提供了一种有效的方法。
3.2加拿大汉密尔顿健康科学（HHS）医院的临床试验
HHS医院启动了一项临床试验，利用3D打印技术从患者烧伤皮肤中提取干细胞来培养新皮肤。这项研究的灵感来源于一次意外发现，即从烧伤组织中成功提取的干细胞在动物模型中表现出显著的愈合效果。
实验设计：该试验计划招募20名烧伤面积不超过20%的患者，通过从患者自身的烧伤组织中提取干细胞，合成生物墨水并打印新皮肤。
预期效果：研究团队希望通过这种个体化治疗方法，利用患者自身的细胞提高治疗效率，减少疤痕等后遗症的发生。
南京工业大学陈苏教授团队开发了一种基于PGOP水凝胶的3D打印人造皮肤，用于小鼠肝脏止血和皮肤创面愈合。
实验结果：
肝脏止血：在小鼠肝脏手术中，PGOP水凝胶在1分钟内实现了止血，且出血量显著低于其他处理组。
皮肤创面愈合：在皮肤创面愈合实验中，PGOP水凝胶处理组的创面愈合速度更快，新生血管和成纤维细胞的数量更多，表明其促进了组织的再生。
结论：PGOP水凝胶具有优异的粘附性和机械强度，通过3D打印技术能够构建出高形状保真度和优异机械性能的复杂结构，为组织工程和再生医学领域提供了新的解决方案。
3.4中山大学附属第一医院的双层皮肤替代物研究
中山大学附属第一医院陈蕾教授团队开发了一种3D打印双层皮肤替代物（DLS），用于深度烧伤创面愈合。
实验结果：
愈合效果：DLS支架具有适合细胞生长的微观表面形貌和营养物质交换环境，下层的Cu-EGCG能够快速杀灭细菌，同时增强修复细胞的活性，上层的表皮细胞则恢复了烧伤创面的水合稳态，最终达到接近生理状态的修复效果。
结论：这种3D皮肤替代物有效解决了创面炎症反应失衡、血管化障碍、基质再生模板缺乏、水合度低等问题，具有显著的临床转化潜力。
3.5我国生物3D打印皮肤在战伤救治中的应用
中国工程院院士付小兵团队利用生物3D打印技术开发了一种接近正常皮肤结构的人造皮肤，包含汗腺、毛囊和皮脂腺等附属器官。该技术已推广至基层部队，用于浅表创面治疗，取得了较好的效果。
技术优势：生物3D打印制备人造皮肤的一大优势是简便快捷，只需对患者的皮肤细胞进行短时间培养，1-2天内即可开始打印作业。
临床应用：该技术不仅能够快速修复创面，还能减少瘢痕形成，极大降低了移植成本，便于官兵随身携带使用。
4.生物3D打印皮肤的技术和难点
4.1生物材料的选择与适配性
生物墨水的开发：理想的生物墨水需要同时具备良好的可打印性、生物相容性和力学性能，以支持细胞的生长和分化。然而，目前大多数研究仍局限于有限范围的生物材料，难以完全模拟人体组织的复杂微环境。
材料的力学性能：生物墨水的材料通常较软，成型性较差，难以打印出复杂且稳定的组织结构。
4.2复杂组织和器官的打印
多细胞和多材料打印：皮肤等复杂组织的打印需要多种细胞类型和生物材料的精确组合，目前的技术在实现这种复杂性方面仍面临挑战。
打印精度和速度：与天然组织相比，生物3D打印的精度较低，且大尺寸复杂结构的打印速度慢，特别是涉及多材料交替打印时。
4.3细胞存活率与功能性
细胞在打印过程中的存活：打印过程中，活细胞需要在极端条件下保持活力，同时还要确保它们能够分化并形成功能性组织。
功能性恢复：目前的生物3D打印皮肤虽然在结构上有所进展，但在功能恢复方面（如汗腺、毛囊等功能）仍面临挑战。
4.4血管化问题
血管网络的构建：大型组织和器官需要复杂的血管系统来提供养分和氧气，目前在生物3D打印中实现功能性的血管化是一个难点。虽然有一些方法可以构建血管通道，但这些方法各有局限性。
4.5临床转化的挑战
设备成本和操作复杂性：生物3D打印设备的高昂投资成本和复杂的操作流程限制了其广泛的临床应用。
标准化和质量控制：生物打印过程需要标准化和质量控制，以确保打印组织的安全性、有效性和可重复性。
法规和伦理问题：生物3D打印技术在临床应用中还面临法规和伦理方面的挑战，因为其治疗机制的复杂性和在人体中的长期影响尚不清楚。
4.6个性化和原位打印的挑战
原位打印技术：虽然原位生物打印技术能够直接在伤口处进行打印，但其自动化程度较低，且需要解决打印过程中的细胞存活和组织功能化问题。
4.7临床应用中的实际问题
伤口形状匹配：传统的生物3D打印支架从体外制造到术中植入，难以完全匹配伤口的形状，这可能影响治疗效果。
术后效果和稳定性：打印的皮肤替代物需要在术后保持稳定，并能够适应患者的身体环境，避免二次手术。
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来源：干细胞者说