新型生物復合材料！為3D打印人體仿生皮膚奠定基礎
魔猴君 行業資訊 830天前
2022年7月12日，來自康奈爾大學的研究人員創造出了一種新型生物材料，可用于制造擁有類似人體組織結構的仿生皮膚。研究團隊開發的生物混合復合材料具有獨特的成分，由膠原蛋白與 "兩性離子 "水凝膠混合而成，材質柔軟且具有生物相容性，有足夠的靈活性，能夠承受持續的變形。雖然科學家們的研發項目仍在進行中，但他們表示這種生物墨水有一天可以作為3D打印患者細胞支架的基礎，從而有效地就愈合傷口。
這項研究的共同主要作者之一Nikolaos Bouklas說："我們最終的目的是想創造一種可以用于再生醫學的材料，例如一塊可以承受部分原始負荷的支架，直到組織完全再生。用這種材料，你可以用細胞3D打印一個多孔的支架，最終可以在支架周圍形成實際的組織。"
△生物混合復合材料的顯微圖像，細胞（紅色）被播種在膠原蛋白的纖維狀結構（黃色）上。圖片來自康奈爾大學。
天然材料與合成材料的結合
鑒于人體不斷運動的性質，我們的組織既要足夠柔軟，可以根據指令彎曲，同時也要足夠堅固，以承受持續的負荷。康奈爾大學的研究小組表示，當這些細胞變得破舊或損壞時，水凝膠和合成材料可以作為替代品，但兩者都不具備適當的生物和機械性能，無法同時做到這一點。科學家們認為合成塑料往往缺乏支持和維持活細胞的能力，難以生成可以發揮作用的微觀結構組織。同時，當涉及到膠原蛋白、纖維蛋白或透明質酸等天然聚合物時，研究人員認為盡管它們能夠復制活體組織的生物相容性，但它們往往更脆弱。
為了制造一種具有靈活性和細胞友好性的生物墨水，以便能夠生產出接近真實的人造皮膚，研究團隊將目光轉向了"兩性離子水凝膠"。具體來說，科學家們發現將膠原蛋白與這種含有正負電荷分子基團的材料混合在一起，可以使其在支持細胞生長的同時承受多種沖擊。
該研究的另一位共同主要作者之一Lawrence Bonassar解釋說："這些電荷基團與膠原蛋白中的負電荷和正電荷基團相互作用，這種相互作用使材料能夠消散能量并實現高水平的韌性。"
△康奈爾大學教授Lawrence Bonassar。照片來自康奈爾大學。
為更真實的人造皮膚打下基礎？
有趣的是，在他們的論文中，研究人員說他們的生物混合復合材料的配方只需要 "簡單的混合"，因為他們的膠原蛋白自我組裝成纖維狀網絡，這反過來又與周圍的水凝膠發生了離子連接。據Bouklas說，這生成了在天然軟骨中看到的相同的膠原蛋白相互連接的網絡，否則這將是非常難以生產的。
研究團隊對這種材料進行了測試，結果顯示，與未經處理的聚合物基質相比，膠原蛋白的添加使其彈性模量增加了40%。他們還發現將膠原蛋白與水凝膠結合在一起能使材料在開裂前吸收11倍的能量，同時使其具有類似于關節軟骨等組織的特性。
在生物相容性方面，科學家們發現他們的膠原蛋白聚合物支持細胞生長的能力提高了100多倍，而且它顯示了90%以上的細胞存活率。研究人員說，他們打算繼續研究這種材料背后的生物合成過程，他們現在已經開始測試其在組織的3D打印方面的可行性。
△HK inno.N與T&RBiofab合作，使用其3D生物打印技術制造人體皮膚。圖片來自T&RBiofab。
3D生物打印組織的潛力
盡管3D打印人體組織通常仍處于實驗室測試階段，但僅在過去幾年里，其背后的技術就有了飛躍性的發展。2022年1月，伯明翰大學和哈德斯菲爾德大學的研究人員透露，他們已經開發出一種用生物打印的皮膚來治療深層傷口的方法。同樣，去年年底，NOVOPLASM聯盟宣布創建了 "世界上第一個"3D打印免疫皮膚模型。該模型是利用冷等離子體技術開發的，將來可用于治療感染性燒傷和刺激性皮膚移植等疾病。
除了傷口愈合的應用，3D打印還被用來為護膚品研發創造組織。例如，HK inno.N和T&R Biofab已經合作，旨在開發用于藥物測試的3D生物打印組織，這可以作為對動物測試的替代。
研究人員的發現詳見他們的論文，題為 " Simple synthesisof soft, tough, and cytocompatible biohybrid composites/柔軟、堅韌和細胞相容的生物雜交復合材料的簡單合成"，該論文由Cameron Darkes-Burkey, Xiao Liu,Leigh Slyker, Jason Mulderrig, Wenyang Pan, Emmanuel P. Giannelis, Robert F.Shepherd, Lawrence J. Bonassar 和 Nikolaos Bouklas共同撰寫。
相關論文鏈接：https://www.pnas.org/doi/abs/10.1073/pnas.2116675119
來源：https://www.3ddayin.net/3ddayincailiao/qitacailiao/42758.html
