新综述|一文了解羊膜干细胞临床进展
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编译|摩西
编辑|南风
羊膜(Amnio-M)在再生医学中有多种应用潜力。它是一种具有高度生物相容性的天然支架,也是多种干细胞和强效生长因子的来源,它还可以作为药物输送的有效纳米容器。
在过去的一个世纪里,Amnio-M在临床上已经从皮肤和角膜修复的简单的应用,发展到更先进的形式,例如微粉化脱水膜、羊膜细胞因子提取物和可溶性粉末注射剂,以再生肌肉、软骨和肌腱。这篇综述发表在《干细胞研究与治疗》期刊,重点介绍了 Amnio-M多年来的发展以及新兴纳米技术对支持其扩大在组织工程和临床应用中的意义。为避免内容过于晦涩,小编摘选其中部分易于理解的内容,分享给对羊膜来源的干细胞所感兴趣读者。
名词注解:
3D:三维
ACE:羊膜细胞因子提取物
AEC:羊膜上皮细胞
AF:羊水
AF-AEC:人羊水上皮细胞
AF-CM:羊水条件培养基
AFS:羊水干细胞
Al2(SO4)3 : :硫酸铝
AMEED:羊膜提取物滴眼液
Amnio-M:羊膜
AMSC:羊膜间充质基质细胞
BM:骨髓
DMEM:杜尔贝克改良伊格尔培养基
DP:牙髓
ECM:细胞外基质
EMT:上皮间质转化
ESCs:胚胎干细胞
FDAM:冻干羊膜
FGF:成纤维细胞生长因子
GelMA:甲基丙烯酸化明胶
HA:透明质酸
IGFBP-4:胰岛素样生长因子结合蛋白4
IL-6:白细胞介素 6
LSCD:角膜缘干细胞缺乏症
M-CSFR:巨噬细胞集落刺激因子受体
MMP:基质金属蛋白酶
MPO:中性粒细胞髓过氧化物酶
NT-4:神经营养因子-4
OA:骨关节炎
PDGF:血小板衍生生长因子
PLCL:聚(L-丙交酯-co-ε-己内酯)
PLGA:聚乳酸乙醇酸
PRP:富含血小板的血浆
PTX3:五联蛋白 3
SDF-1:基质细胞衍生因子-1
SJS:史蒂文斯-约翰逊综合征
SNAIL1:Snail1的锌指蛋白
TEN:中毒性表皮坏死松解症
TGF-β:转化生长因子β
TIMP:金属蛋白酶的组织抑制剂
TGF-α:肿瘤坏死因子α
UC-MSC:脐带间充质干细胞
UV:紫外线
VEGF:血管内皮生长因子
ZEB:锌指电子盒
μ-dHACM:微粉化脱水人羊膜/绒毛膜
与胎儿直接接触的胎盘最内部的部分称为羊膜 (Amnio-M) [1 ]。Amnio-M分为三层,朝向胎儿的上皮层、基底膜和基质。后者由致密层、成纤维细胞层和最后的海绵状外层组成 [2 , 3 ]。这些部位含有两种类型的细胞:羊膜上皮细胞 (AEC) 和羊膜间充质基质细胞 (AMSC) [4]。Amnio-M细胞通过提供多种细胞因子和生长因子并促进细胞外基质 (ECM) 的产生,对调节胚胎的发育至关重要[5 , 6]。
回顾历史,Amnio-M在医学治疗中的应用始于1900年初,当时戴维斯 [7] 提出将其应用于皮肤移植。1940年,De Rötth [8] 基于其模拟结膜原生组织的薄、光滑、透明的结构,提出了将其用作替代受损结膜而不是口腔粘膜的理想材料。同年,Chao, Humphreys [9] 成功地使用Amnio-M在硬脑膜穿孔的实验性严重颅脑损伤中重建硬脑膜。Amnio-M在烘箱或高压灭菌器中干燥,称为“羊膜素”,用于预防脑膜脑粘连和创伤后癫痫 [9]。
后来,在80年代初,Amnio-M被用作慢性皮肤溃疡自体移植的辅助剂,并为随后的自体皮肤移植应用做准备,促进皮肤成功愈合 [10]。1986年,Amnio-M为外阴阴道成形术中的分割皮肤移植重建阴道提供了一种极好的替代方法 [11]。为了保持其生物学和物理特性,Kim和Tseng [12] 建议将Amnio-M冷冻保存在- 80°C。使用冷冻保存的Amnio-M修复了11名患者的溃疡角膜,成功率超过90% [13]。1997年,Güler和Ercan [14] 是第一个在下颌前庭成形术中测试冻干(冷冻干燥和无菌)Amnio-M的研究者,他们在研究报告表明其有效的血管生成作用。
为了促进其临床应用,最近出现了悬浮液形式的Amnio-M商业产品。2005年,它首次以悬浮眼药水 (AMEED®) 的形式应用于角膜溃疡治疗,以克服缝合羊膜移植物的侵入性手术 [15]。在其他临床试验中,微粉化脱水人羊膜/绒毛膜(μ-dHACM,EpiFix®)也被证明可有效治疗糖尿病足溃疡、足底筋膜炎和骨关节炎(OA),且属于小型微创手术 [16 , 17 , 18 , 19]。最近,Amnio-M被用作面部皱纹的有效真皮填充剂,发现其在兔模型中可恢复光滑的皮肤外观 [20]。它在面部抗老化的研究中显示出快速修复的效果,包括填充鼻唇沟、颧骨脂肪垫和眶缘下方的眼睑皮肤下垂 [21]。添加细胞因子和生长因子增强了 Amnio-M在再生医学的许多其他临床应用中的前景,例如用于组织工程和药物输送的三维 (3D) 支架。
在这篇综述中,作者重点介绍了Amnio-M的结构和功能特性及其在再生医学中的多种应用中的作用。 他们还概述了使用纳米技术生成新形式的 Amnio-M及其在组织工程中的潜在价值。上个世纪用于研究和临床应用的Amnio-M的发展历史总结在下图1、图2中。
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Amnio-M的细胞成分
人羊膜 (h-Amio-M) 被证明包含两种主要类型的干细胞,位于较厚基底膜上的AEC和存在于较深海绵层中的AMSC [24 , 25] 。在胚胎发生过程中,这两种类型的细胞都起源于前原肠胚阶段的三个主要胚层的分化之前,并且是典型的上皮起源 [26]。AMSCs来源于胚外中胚层,而 AECs 来源于受精第8天和器官发生前的胎儿外胚层 [27]。AEC是专门的胎儿上皮细胞,其寿命不到十个月。AMSC在分化成更特化细胞的能力方面与成体干细胞相似,例如骨细胞、软骨细胞、脂肪细胞、心肌细胞、肌细胞、神经细胞、肝细胞和血管内皮细胞 [28 , 29]。
与胚胎干细胞 (ESCs) 不同,AMSCs 在体内移植时不会形成畸胎瘤,保障了其在临床移植中的安全应用 [30 , 31 , 32 , 33 , 34]。其他类型的干细胞存在于羊水 (AF) 中,并且已知会在胎儿发育过程中从胚胎和胚胎外组织中脱落 [35]。AF是在受精后两周在妊娠早期的羊膜腔中形成的 [36]。1993年报道了第一个源自AF的祖细胞 [37]。羊水干细胞(AFCs)包括人羊水上皮细胞(AF-AECs)和羊水间充质干细胞(AF-MSCs)。据报道,前者具有分化为神经元、星形胶质细胞、少突胶质细胞的能力,可用于神经退行性疾病的移植治疗 [38]。AF-MSCs表达多能标记 Oct-4,并具有与 AM-MSCs 相似的多种分化能力 [32 , 35]。它们可以很容易地从AF中分离出来,并已用于多种治疗应用研究中 [36 , 39]。据报道,它们没有致瘤性、低免疫原性和无伦理问题 [36]。
因羊膜细胞容易获取,可规模化生产。此外,从hAmnio-M获得的细胞具有高可塑性并显示出多向分化潜能,同时在移植后没有致瘤风险 [40]。这些优势使 hAmnio-M在临床应用中得到了理想的应用,包括心脏修复、神经重建、骨重塑和肝再生 [41]。特别令人感兴趣的是,羊膜-M细胞表面缺乏组织相容性抗原,这说明它们作为一种出色的生物相容性支架,在移植时可避免身体的免疫反应 [42]。
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AMSCs在再生医学中的应用
Amnio-M的丰富结构支持其在临床应用中作为天然生物支架。AMSCs具有独特的特性,使其可用于组织修复的各种应用。这些包括用作胎儿气管重建的软骨移植物 [51、52] 、膈肌修复[53、54]、骨移植物[55、56]和心脏瓣膜小叶[57、58、59]。此外,在明胶微载体中接种人AMSCs 可以在成骨分化后成功生成模块化骨样组织 [60]。
在小鼠实验中,Amnio-M被证明可有效治疗急性肌腱病 [61] 和皮肤修复 [59]。在肝硬化动物模型中促进了对细胞损伤的保护 [62 , 63] 并在心肌梗塞模型中改善了心脏功能 [64 , 65 , 66 , 67]。当移植到糖尿病小鼠模型中时,AEC和AMSC均显示出可喜的结果,并有效地将葡萄糖恢复到正常水平 [68 , 69 , 70]。这种治疗1型糖尿病的治疗效果归因于细胞在体内促分化β细胞的能力。此外,AEC已被提议用于脊髓再生,因为它们表达和神经系统相关的神经胶质标记物 [71] 并分泌儿茶酚胺神经递质 [72]。例如,在脊髓损伤中注射AEC与脐带间充质干细胞 (UC-MSCs) 可显着抑制小胶质细胞活性并减少神经性疼痛 [73]。
另一方面,AFC被用作动物模型中急性或慢性肾功能衰竭和急性肾小管坏死的有效细胞疗法 [74]。据报道,由于间隙连接蛋白的高表达水平,AFC在细胞偶联期间促进神经保护 [75]。此外,发现AFC支持与星形胶质细胞的细胞间通讯,突出了它们在向受损组织输送治疗因子(如microRNA)中的作用 [75]。
干细胞的再生效用不仅由直接作用介导,还通过旁分泌机制介导,如动物模型所示 [76 , 77 , 78]。羊水条件培养基 (AF-CM) [ 79 ]和AMSCs条件培养基 (AMSCs-CM) [80] 在小鼠后肢缺血模型中恢复了血流。这种效应归因于细胞释放到培养基中的细胞因子和促血管生成生长因子,包括血管内皮生长因子 (VEGF)、TGF-β 和基质细胞衍生因子-1 (SDF-1)。AFCs-CM 可刺激内源性修复机制,例如小鼠皮肤伤口模型中损伤部位的真皮成纤维细胞增殖 [81]。在大鼠模型中向缺血性皮肤通过递送血管生成生长因子和细胞因子,募集内皮祖细胞,来支持血管生成 [82]。在这些研究中,羊膜细胞和AFC刺激组织修复的潜力是由几种旁分泌机制介导的,例如营养因子的释放 [83]、免疫调节 [84、85]等为更新提供支持环境 [86]。此外,体外和体内研究表明,AMSCs和hAECs的衍生物和蛋白质提取物显示出有效的抗肿瘤作用 [87 , 88 , 89]。
o3
羊膜衍生生长因子和细胞因子
Amnio-M的抗炎和抗菌特性在很大程度上是由释放的生长因子和细胞因子介导的。例如,Amnio-M的血管生成特性归因于其产生VEGF和血小板衍生生长因子 (PDGF) 的能力,这两者都能介导伤口愈合。此外,有效的抗炎和免疫调节作用归因于 IL-10 和 IL-6 [2 , 90] 的分泌。据报道,Amnio-M基质中的透明质酸 (HA) 可有效抑制促纤维化细胞因子TGF-β;也可以通过增加受体周转和减少内体内化来调节。发现HA可减弱SMAD和非SMAD依赖性TGF-β1信号传导事件 [91]。此外,Amnio-M的分泌组包含多种有助于再生潜能和诱导HUVEC细胞迁移的因子。这些包括FGF-6、PDGF-AB、巨噬细胞集落刺激因子受体 (M-CSFR)、VEGFR3、neurotrophin-4 (NT-4)、类胰岛素生长因子结合蛋白-4〔IGFBP-4)和 IGFBP- 6 [6]。Amnio-M分泌组和细胞因子在组织再生中的贡献总结在图4和表1中。
Amnio-M 衍生的生长因子和细胞因子通过增强血管生成、减少炎症、预防感染和减少疤痕形成来促进伤口愈合和组织再生
不同羊膜衍生细胞因子及其生物学功能的相关总结
免疫调节和抗炎特性
Amnio-M通过其抑制促炎细胞因子的潜力在对抗炎症中发挥重要作用。分泌的弹性蛋白(肽酶抑制剂-3)和分泌的白细胞蛋白酶抑制剂被证明具有抗炎作用 [6 , 92],IL-10也是如此,已知它可以抑制促炎细胞因子IL-6和TNF𝛼. 此外,据报道,Amnio-M含有多种蛋白酶抑制剂,它们作为抗炎介质发挥重要作用,例如𝛼抗胰蛋白酶,间𝛼-胰蛋白酶抑制剂和抑制 IL-1介导的炎症的IL-1抑制剂 (IL-1RA) [93]。有趣的是,Amnio-M的抗炎作用归因于它能够捕获经历凋亡的炎症细胞,使其成为眼表移植的绝佳候选者 [94]。
外泌体是纳米级的细胞外囊泡,含有多种生物活性分子,如核酸、脂质和蛋白质。这些囊泡参与细胞间通讯并调节各种细胞内生物学功能 [95]。谭等人据报道,AECs衍生的外泌体通过增强巨噬细胞的吞噬特性以及减少中性粒细胞髓过氧化物酶和抑制T细胞增殖来介导抗炎反应。同一组还报告说,除了增加支气管肺泡干细胞增殖外,给予特定剂量的AEC衍生的外泌体和博来霉素(一种抗癌药物)可以减少肺部炎症和纤维化 [96]。AEC外泌体的抗炎作用归因于它们对降低中性粒细胞髓过氧化物酶 (MPO) 活性、增加巨噬细胞的吞噬活性、将其极化状态向M2转变以及抑制CD3和CD28激活的T细胞的增殖活性的作用[5]。几项研究表明,移植到免疫活性动物体内的AEC具有高度耐受性并在宿主组织中存活。这些研究证实了Amnio-M的低免疫原性在临床应用中的价值。这种低免疫原性归因于HLA-Ia的低表达,除了CD86、CD40、CD80和HLA-DR免疫原性标志物的阴性表达[97、98、99]。此外,AEC和AMSCs在混合淋巴细胞反应中未能诱导T细胞增殖,进一步证实了它们在体外的低免疫原性 [2]。
库波等人研究了异种移植的hAmnio-M在免疫功能正常的大鼠的角膜缘、角膜内空间和肾包膜下产生的免疫反应。在这些实验中,所有角膜内移植的移植物以及肾包膜下的移植物都可以耐受。然而,与皮肤移植对照相比,后者没有显示出太多的宿主整合血管化。有趣的是,皮肤移植对照显示出免疫排斥的迹象,证实了hAmnio-M在克服移植排斥方面的优越性 [100]。在Cargnoni 等人的另一项研究中,在肺纤维化动物模型中输注胎盘衍生细胞显着降低了浸润的中性粒细胞数量和纤维化的严重程度 [101]。
对血管的生成作用
Amnio-M产生几种有效的抗血管生成因子,包括内皮抑素、金属蛋白酶组织抑制剂(TIMP-1、2、3和4)和血小板反应蛋白-1 [6、92]。AMSCs和AECs均已显示表达胶原蛋白XVIII,其具有抗血管生成特性 [102]。据报道,AEC尤其会分泌IL-1Ra、TIMP4和3,它们除了具有抗癌特性外,还具有抗血管生成活性 [103]。AEC能够抑制毛细血管的形成,体外主动脉环试验证明了这一点 [104]。有趣的是,在Amnio-M中也报告了促血管生成活性,并且发现其在一种细胞类型与另一种细胞类型之间存在差异。这可归因于AMSCs分泌的血管生成诱导剂,如血管生成素、PDGF和VEGF,使它们成为皮肤溃疡治疗和伤口愈合的候选者 [5]。除细胞成分外,已证明Amnio-M ECM中的整合素和纤连蛋白含量与PDGF、EGF和b-FGF生长因子相互作用以激活ERK通路 [105]。Tsai等人最近的一项研究,证明Amnio-M可以被认为是建立成熟血管结构的绝佳基质。这是由于其在培养的内皮细胞中具有增强整合素表达、血小板-内皮细胞粘附分子-1和粘附分子(如VE-钙粘蛋白)的潜力 [106]。
抗纤维化作用
Amnio-M通过下调TGF-β3及其受体的表达而显示出抗纤维化作用,促进伤口愈合而不是疤痕形成。TGF-β3是TGF-β1和TGF-β2的拮抗剂,可刺激ECM合成,增加伤口区域的胶原蛋白沉积并促进疤痕形成 [107]。曾等人据报道,Amnio-M基质可以通过抑制TGF-β转录和信号传导对眼表成纤维细胞发挥直接和有效的抗瘢痕形成作用 [93]。AEC衍生的外泌体因其参与EFG、FGF和PDGF信号通路的蛋白质物质而显示出抗纤维化特性 [96]。此外,在AEC的外泌体中发现了抗纤维化miRNA,它们靶向TGFβ信号传导的各个方面 [96]。
抗菌作用
Amnio-M的抗菌特性对革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌均有效,Zare-Bidaki等人报道了羊膜和绒毛膜对八种细菌菌株的显着生长抑制作用。其中包括大肠杆菌、蜡状芽孢杆菌、肺炎克雷伯菌、化脓性链球菌、绿脓杆菌、金黄色葡萄球菌、福氏志贺菌和益生菌植物乳杆菌[108]。在同一方向,Tehrani等人在暴露于IL-1β之前和之后测试Amnio-M提取物的抗铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌,此外还有两种临床分离的大肠杆菌敏感菌株。数据显示,Amnio-M预暴露于IL-1β可增强抗菌肽的分泌,包括elafin、HBD-2、HBD-3和导管素LL-37,这反过来又增强了膜的抗菌性能。[109]。
一项临床研究比较了自体植皮和Amnio-M敷料对33 名烧伤患者的治疗效果,结果表明后者在减轻疼痛、促进愈合和上皮化、保护伤口免受感染方面更有效 [110] . 此外,AF中的抗微生物剂,如β-溶素、杀菌素、溶菌酶和转铁蛋白,可能参与增加该效应 [92]。Amnio-M 的抗菌潜力也可能归因于其密封能力。植入后,Amnio-M与伤口形成牢固的粘附屏障,防止任何污染并在该部位实现淋巴的完整性,正如Copra等人所假设的那样。[111]
o4
Amnio-M的细胞外基质 (ECM) 成分
2D单层细胞生长缺乏对生物组织复杂性的可靠模拟 [112]。3D天然支架,例如Amnio-M或合成支架,例如基于聚合物的支架,在支持细胞生长、增殖和分化方面发挥着关键作用 [113]。Amnio-M ECM包含动态大分子的交联网络,提供结构支撑,并充当各种身体组织中细胞的物理支架 [114]。Amnio-M具有独特的生物物理和生化特性,可调节各种细胞功能,例如伤口愈合和血管形成[115 , 116]。此外,它在组织空间中组织细胞,通过环境信号控制细胞调节,并通过与特定跨膜受体结合激活细胞内信号传导 [117 , 118]。
ECM的化学成分
细胞与特定支架的附着由ECM的各种组件控制 [119]。支架基底膜中不存在特定的ECM分子,例如层粘连蛋白、纤连蛋白和胶原蛋白,对细胞生长和粘附具有显着影响 [120]。ECM的多种成分充当粘附和信号配体,并在细胞增殖、迁移和分化中发挥重要作用 [116]。
Amnio-M包括三个主要层:上皮单层、厚基底膜和无血管基质[121]。AEC分泌 I、III、IV、V、VII 型胶原蛋白和非胶原蛋白糖蛋白,包括纤连蛋白、层粘连蛋白和巢蛋白,所有这些都构成了Amnio-M的基底膜 [119 , 122]。另一方面,III型胶原蛋白、水合糖蛋白和蛋白聚糖的非纤维状网络常见于羊膜基质部分的海绵层 [123 , 124]。非硫酸化糖胺聚糖,如HA、多种细胞因子、蛋白酶和蛋白酶抑制剂,都是伤口愈合的重要因素 [125]。此外,据报道,Amnio-M含有大量与人五聚蛋白3(PTX3,TNF 诱导基因14蛋白)结合的α间抑制剂 (HC·HA) 重链[126 , 127]。此外,perlecan是一种大的硫酸乙酰肝素蛋白聚糖,是基底膜的重要组成部分 [128 , 129]。Perlecan在生长因子结合和与许多细胞外蛋白质和负责细胞粘附的分子相互作用中具有重要作用 [130]。
Amnio-M ECM的机械性能
Amnio-M的机械特性,例如弹性、硬度和其他生物力学特性,都归因于其ECM,这取决于其成分的变化,包括蛋白多糖、弹性蛋白和胶原蛋白 [131]。Amnio-M表现出与时间相关的机械响应和粘弹性 [132]。这些机械性能因Amnio-M的阶段而异。例如,发现早产(26-36周)Amnio-M与足月Amnio-M(36-40周)相比具有更高的机械完整性。然而,术语Amnio-M的刚度更适用于大多数组织工程应用 [119]。
Amnio-M在组织工程中的应用高度依赖其弹性特性。弹性被定义为材料承受扭曲力并在去除该力后恢复其原始形状和尺寸的能力。它的特点是杨氏模量,它是施加的应力与应变的比值,以帕斯卡 (= N/m2) 为单位测量,可以使用以下公式E = α/ε找到,其中E是杨氏模量,应用α应力,ε是应变 [133]。据报道,早产人Amnio-M的杨氏模量为3.6×106Pascal (3.6MPa) 和大约2.29×106 (2.29MPa) 用于足月人Amnio-M [119]。本森-马丁等人报道了Amnio-M的厚度与弹性模量(材料的刚度)之间的反比关系。与较薄的(远端,距胎盘的一个手掌宽度)Amnio-M(较硬)相比,较厚的(近端,与胎盘相邻)Amnio-M具有较低的杨氏模量(较不硬)。一种可能的解释可能归因于胶原纤维排列的变化,胶原纤维构成了Amnio-M [134] 的结构块。最近,远端Amnio-M在其胶原纤维排列中显示出比近端 Amnio-M具有更高程度的各向异性(增加纤维材料的刚度)[134]。这种机械性能的变化可能归因于胶原蛋白的含量。还值得一提的是,据报道存在于胎儿羊膜中的弹性蛋白为Amnio-M弹性提供了分子基础 [135]。
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Amnio-M生物医学应用的基本考虑因素
Amnio-M的来源
Amnio-M的来源,无论是在自然分娩后还是通过剖宫产,都被发现会影响其生理学、完整性、生长因子含量和可用性。应对Amnio-M供体进行筛查以避免传染疾病 [136],尤其是在COVID-19大流行之后,由于担心垂直传播 [137]。利特维纽克,拉多威卡 [138] 报道,剖宫产衍生的宫颈部分Amnio-M比成纤维细胞更能刺激角质形成细胞的增殖。这些数据对于Amnio-M移植治疗眼部缺陷的应用很有价值。此外,由于EMT过程,自然分娩与临产前降低Amnio-M拉伸强度有关。这导致如上所述的细胞骨架组织和细胞间粘附分子的丧失。根据解剖部位,膜的厚度也从0.02到0.5毫米不等,这可能会影响其临床应用 [139]。最厚的部分朝向脐带(胎盘羊膜),而相对的部分更薄且更透明(外周羊膜),这使其适合于优越的角膜移植物(图5)[140]。
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小结
综上所述,Amnio-M含有独特类型的干细胞,显着提高了其作为丰富的组织再生生物材料的价值。羊膜作为组织工程应用的天然生物相容性材料具有许多有益的用途,其中尚有许多待解之谜。同时,它也有一些缺点,如果适当解决,可以大大增强其应用潜力。这些缺点包括快速降解、较差的机械性能和不方便的形式。
因此,需要更多的研究来制备合适的Amnio-M支架形式,并与天然材料、合成材料或混合材料相结合。此外,应在体外和体内彻底研究这些与Amnio-M结合的材料的不同物理化学和生物医学特性,以获得有关它们与活细胞相互作用的确切信息。另外,可通过应用3D打印等新的可用技术,Amnio-M产品有望通过与不同聚合物的整合进行重塑,从而扩大其临床应用范围。
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