中国人民解放军总医院黄沙教授和广东省人民医院朱平教授：定制挤出式打印的生物墨水用于皮肤创面修复|BAM

近期，中国人民解放军总医院黄沙教授和广东省人民医院朱平教授在科爱出版创办的期刊Bioactive Materials上发表综述文章：定制挤出式打印的生物墨水用于皮肤创面修复。挤出式打印有创面修复潜力，但生物墨水的物理性能存在局限、细胞相容性差。本文归纳皮肤生物墨水的可打印性，讨论如何提高物理性能、增强生物活性，并关注生物墨水在创面修复、瘢痕、血管化、附属器（汗腺、毛囊）再生的最新进展、挑战和发展方向。本综述旨在提供创面修复和皮肤再生领域生物墨水的整体视角。

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研究内容简介

随着人口老龄化加重，皮肤创面问题逐渐成为日益增长的国际医疗负担。挤出式生物打印技术（Extrusion-based bioprinting)作为广泛应用的生物3D打印技术，在再生医学特别是创面修复领域具有重要潜力，有适用范围广、细胞损伤小、个性化定制等优点。然而用于皮肤创面修复的生物墨水（Bioink）存在物理性能（即机械性能、结构性能、降解性能）的局限和细胞相容性不足等问题。本综述首先归纳皮肤生物墨水的可打印性能（即可挤出性，打印丝分类、形状保真度、打印精度等性能），讨论如何提高生物墨水的物理性能，并阐述增强生物墨水生物活性的策略（即功能化聚合物、超分子水凝胶、纳米复合物、表面修饰等策略）；然后重点讨论目前生物墨水在创面修复、瘢痕形成、血管化、皮肤附属器（即汗腺、毛囊等）再生等领域的最新进展、挑战和未来发展方向。本综述旨在提供创面修复和皮肤再生领域生物墨水的整体视角。

Fig. 1. Overview of tailoring bioinks and extrusion-based skin bioprinting

一、如何提高生物墨水的物理性能

生物墨水的物理性能主要包括机械性能、结构性能、降解性能等。生物墨水的机械性能不但需要宏观上与天然皮肤性能接近，而且微观上需要精准调控干细胞的定向分化。结构性能主要包括孔隙直径、取向性和拓扑结构等，可显著影响干细胞的命运转归。生物墨水的降解速率需要与组织再生匹配，取决与材料本身、交联程度、环境条件等。

Fig. 2. MSCs in constructs show adipocyte differentiation with low stiffness and show osteocyte differentiation with high stiffness, respectively

二、如何增强生物墨水的功效

一般而言，生物墨水为保证细胞相容性不得不降低其可打印性，因此增强生物墨水功效的策略成为研究热门，目前主要包括功能化聚合物、超分子水凝胶、纳米复合物、表面修饰等策略。第一，合成的聚合物水凝胶通常是共价交联的，而天然聚合物水凝胶是通过构象变化和非共价键进行物理交联的，但是物理交联是可逆的，容易受到环境因素、温度或pH值的影响。因此，利用功能化聚合物实现共价交联天然聚合物水凝胶有望解决该难题。第二，超分子水凝胶是由环境敏感物质通过非共价自组装成的短聚合物链，有望加强生物墨水的交联网络。第三，纳米复合材料(例如羟基磷灰石，生物活性玻璃，二氧化硅纳米颗粒等) 具有独特的微观结构，不但有望提高生物墨水的力学性能和生物活性，而且能促进细胞粘附增殖，甚至定向调节干细胞命运。

Fig. 3. Incorporation of bioactive nanoparticles in alginate/gelation hydrogel upregulated the stemness of MSCs

第四，尽管3D打印技术能够控制打印体的几何结构参数（如形状、孔径、空间分布等），但是很难改变或定制其表面特性。表面修饰策略主要分为物理修饰和化学修饰。物理修饰即改变形态学或表面形貌，并无化学反应发生，例如加工、蚀刻、喷砂等；化学修饰也称为表面功能化，即利用各种化学反应赋予表面特定的生物功能，有望实现对表面特征的精确定制。本综述主要讨论了具有应用前景的三种化学修饰策略：Mussel-inspired strategy，Anti-fouling strategy和 Antimicrobial peptides。

三、生物墨水在皮肤创面的应用

生物墨水目前主要应用于皮肤创面修复、抑制瘢痕形成、血管化、皮肤附属器（即汗腺、毛囊等）再生等领域。

第一，生物墨水的创面修复可分为In vitro bioprinting和In vivo bioprinting。两种修复方式的示意图如下所示。

Fig. 4. Schematic diagram of in vitro and in vivo skin bioprinting.

第二，目前含天然弹性蛋白（Tropoelastin）或合成类弹性蛋白重组体（Synthetic elastin-like recombinamers）的生物墨水有望减少瘢痕形成，但是相关研究较少。第三，新型3D生物打印方法主要通过以下途径提高皮肤血管化：（1）构建具有分支和对流通道的血管结构；（2）利用化学或物体信号刺激干细胞向血管定向分化。第四，皮肤附属器（汗腺、毛囊）的再生策略主要依赖干细胞，以及构建可以诱导干细胞定向分化的微环境。

Fig. 5. 3D printed alginate/gelatin constructs integrated with dermal tissue homogenates and epidermal growth factors jointly directed the fate of epidermal progenitor cells into sweat gland lineages

四、挑战和展望

首先，含富血小板血浆（Platelet-rich plasma）或者脱细胞真皮基质（Decellularized ECM）的生物墨水可提供一系列可溶性和非可溶性的微环境信号，有望构建高度仿生的皮肤环境。其次，4D打印指在传统3D打印上集成第四维度“时间”，以实现对打印体实施持续的全程控制（On-going control），使其在特定的条件下转化生物功能或产生所需的形状，以更好地适应周围环境。一般而言，4D打印需集合智能生物材料（Smart biomaterials）、动态生物墨水（Dynamic bioinks）、刺激响应策略（Stimuli-responsive strategies）等。最后，皮肤类器官（Skin organoids）和皮肤芯片技术（Skin on-a-chip technologies）与皮肤3D打印和生物墨水的结合亦成为研究热点。

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论文第一/通讯作者简介

第一作者：王玉振

中国人民解放军总医院博士后，中部战区空军医院烧伤整形科主治医师。从事生物3D打印、生物材料、干细胞分化诱导、汗腺再生等研究工作。

通讯作者：黄沙

博士，解放军总医院教授，博导，副研究员，入选国防科技卓越青年人才基金（“卓青”），中国生物材料学会临床试验研究分会副主任委员，中国老年医学会烧创伤学分会及中国康复医学会再生与康复委员会常务委员。长期从事皮肤创面修复与再生研究，在Science Advances等SCI杂志发表论文60余篇，主编出版国内首本生物3D打印学术专著《生物3D打印与再生医学》。被权威报告列为中国皮肤组织工程领域研究者论文影响力排行榜第 4 名，入选2021科创中国“先导技术”榜。获中国生物材料学会科学技术进步奖（一等）、王正国创伤医学奖创新奖，“四有”优秀军官、全军军事医学科技创新先进个人及战创伤拔尖人才等荣誉称号，主研完成军队首个生物墨水研发成果转化（转让专利6项）。主持国家重点研发计划、军队国防173重大项目、1226重点项目及多项国家自然科学基金项目等12项。

通讯作者：朱平

教授，主任医师，研究员，博士生（博士后）导师。广东省杰出专家（南粤百杰）、广东省医学领军人才，现任广东省人民医院（广东省医学科学院）心脏外科行政副主任，广东省（广州市）心脏病发病机制与精准防治重点实验室主任，广东省人民医院、广东省医学科学院、广东省心血管病研究所、华南理工大学第一临床学院主任医师、研究员，兼任华南理工大学、南方医科大学等国内八所大学的硕、博士研究生（博士后）导师。担任中国生物医学工程学会免疫治疗工程分会副主任委员，中国国家卫健委全国卫生管理协会转化医学产业分会副会长、中国免疫学会移植免疫分会副主任委员、中国转化医学联盟理事、广东省生物医学工程学会心胸外科分会副主任委员，广东省卫健委精准医学创新平台首席专家。承担了省级以上科研项目30余项，其中，国家级项目10项；在国内外核心期刊上发表了250余篇论文，其中SCI论文150余篇；荣获“广东省自然科学奖一等奖“、”广东医学科技奖一等奖“、”中国产学研创新成果一等奖“、“中华医学科技奖二等奖”等，从事心血管外科医疗、教学、科研工作30余年，擅长成人心血管外科常见疾病的手术治疗。

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资助信息

该研究获Beijing Natural Science Foundation (7204306), National Natural Science Foundation of China (82002056, 81830064, 81721092, 32000969, 81974019), National Key Research and Development Program of China (2018YFA0108700, 2017YFA0105602), NSFC Projects of International Cooperation and Exchanges (81720108004), China Postdoctoral Science Foundation (2020M673672), Key Support Program for Growth Factor Research (SZYZ-TR-03), Chinese PLA General Hospital for Military Medical Innovation Research Project (CX19026), the CAMS Innovation Fund for Medical Sciences (CIFMS, 2019-I2M-5-059), the Military Medical Research and Development Projects (AWS17J005), the Research Team Project of Natural Science Foundation of Guangdong Province of China (2017A030312007), the key program of guangzhou science research plan (201904020047). The Special Project of Dengfeng Program of Guangdong Provincial People's Hospital (DFJH201812, KJ012019119, KJ012019423)的支持。

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原文信息

Yuzhen Wang, Xingyu Yuan, Bin Yao, Shuoji Zhu, Ping Zhu, Sha Huang.

Tailoring bioinks of extrusion-based bioprinting for cutaneous wound healing.

Bioactive materials, 17, (2022) 178-194.

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Bioactive Materials是一本高质量英文期刊，目前已经被SCIE、PubMed Central、Scopus、Embase收录。同时本刊还入选了2019年中国科技期刊卓越行动计划--“高起点新刊”项目。

2022年Bioactive Materials 获得影响因子16.874 ，在Materials Science，Biomaterials领域排名第一。

位于《2021年中国科学院文献情报中心期刊分区表》1区，TOP期刊。

CiteScore 2021: 14.3。