【综述】3D 生物打印在皮肤领域的研究及应用进展【2024年6月第3期】

摘要

3D生物打印技术通过逐层沉积载有细胞的生物墨水打印目标组织结构，现已广泛应用于生物医疗领域。本文主要聚焦于3D生物打印技术现有分类及其在皮肤领域的科研及应用现状展开综述，特别介绍了3D生物打印皮肤在皮肤生理学、皮肤疾病模型等科学研究方面的突破及在再生医学、化妆品与药物研发和皮肤局部药物递送等临床转化领域的应用。尽管有巨大潜能，但还需改良生物墨水配方并开发更先进的打印技术以提升生物打印皮肤的性能。结合机器学习算法，未来该技术可将个性化治疗及复杂组织制造达到新高度，推动皮肤组织工程与再生医学的发展。

陈薇雨 陶娟

华中科技大学同济医学院附属协和医院皮肤科，武汉 430022

通信作者：陶娟，Email：tjhappy@126.com

3D生物打印技术是增材制造技术的一种扩展应用，通过逐层精确沉积载有活细胞和生物材料等成分的生物墨水来构建具有特定形状的组织或器官的等效物^［1］。自21世纪初提出该概念以来^［2］，生物打印技术迅速发展，已从一种低质量、高成本、应用有限的实验室技术逐渐发展成一种高性价比、快速准确的商业及工业化技术，在生物医学领域得到了深入研究及广泛应用。据报道，国际上已有耳鼻喉科及肿瘤科等医疗领域正在开展系列临床试验 ^［3］。然而，在皮肤组织工程与再生医学中，生物打印技术在制造皮肤组织并保留其生物学功能的国内外研究仍有待进一步阐明。本文将对3D生物打印技术的优劣势、现有主要类型、皮肤领域的最新应用及未来展望进行概括和总结，为探究3D生物打印皮肤的科学研究及临床应用提供新的思路。

一、3D生物打印技术分类及优势

（一）3D生物打印技术现有分类

3D生物打印过程可分为3个主要步骤：打印前预处理、生物打印和打印后处理。预处理是指通过医学成像技术和计算机辅助设计技术（computer assisted design，CAD）生成所需组织的3D数字模型，之后该CAD图像被转换为立体光刻（STereoLithrography，STL）格式文件并输入生物打印机^［4-5］。生物打印过程将混合材料装载到打印机墨盒里，利用得到的STL数据以指导生物墨水自下而上逐层精确沉积到目标位置，最终生成所需产品^［6］。后处理过程将打印出的生物结构放入培养箱或生物反应器中，促进细胞增殖和分化，以维持组织器官的机械性能及功能完整性^［7］。

根据组织成型的原理不同，生物打印技术可主要分为4种类型：喷墨式、挤出式、激光辅助式和光固化生物打印。每种生物打印技术都有相应的优势及局限性，可根据生产需要单独或组合使用。

1. 喷墨式生物打印。是一种非接触式打印技术，主要利用热膨胀、压电或声学致动等产生的压力喷出载细胞墨滴^［8］，在打印过程中能精确控制液滴的大小及沉积位置，但由于喷嘴的孔口直径较小，仅支持低黏度生物材料，不适用于打印高强度结构^［9］。

2. 挤出式生物打印。通过气体或机械驱动等方式产生压力连续挤出生物墨水，目前应用最为广泛^［10］。该方式支持高细胞密度材料，可用于开发具有较强支撑性的皮肤结构，但其打印分辨率有限，且打印过程中不可避免的剪切应力会对细胞造成损伤^［11］。

3. 激光辅助式生物打印。是一种无喷嘴非接触式打印技术，使用激光脉冲产生的能量将载有细胞的生物墨水液滴沉积到接收基质上^［12］。其无喷嘴设计避免了墨水堵塞问题，可兼容多种不同黏度的生物墨水材料，且具较高打印精度，但高成本限制了其研发和商业应用^［13］。

4. 光固化生物打印。通过紫外光或可见光逐层照射光敏生物材料，将其固化成所需的聚合物结构^［14］。该打印方式精度高、速度快，且避免了喷头剪切应力对细胞活性的影响，但兼具生物相容性和光敏性的生物材料选择有限，限制了该技术的进一步发展^［15］。

生物墨水是3D生物打印的重要元素，由生物材料、活细胞和活性因子组成。理想的生物墨水应具有一些共同特性，如良好的生物相容性、生物可降解性和可打印性等，且具备与植入部位组织相似的机械性能，以维持打印产物的结构^［16］。生物材料可以是天然聚合物或合成材料，但其单独使用难以兼具生物相容性和机械稳定性，实际应用中常将它们混合以改造其性能^［17］。用于皮肤生物打印的细胞主要有角质形成细胞、成纤维细胞、皮肤及非皮肤来源的干细胞，可根据所需部位的解剖学、功能特征及个体差异来选择合适的细胞类型^［18］。

（二）3D生物打印技术在皮肤科的优势

与传统的皮肤组织工程相比，3D生物打印技术在皮肤领域具有独特优势。首先，生物打印能快速构建皮肤组织，缩短患者等待植皮的时间，其高通量制备产品的能力可减少对供体的需求，也有利于药物研发和筛选^［19］。此外，通过生物打印自体细胞并结合医学成像数据可开发与患处结构最匹配的皮肤等效物，实现个性化治疗，也能提高患者的依从性^［20］。同时，3D生物打印皮肤更加自然仿生，可满足患者对美学效果的需求。例如，通过生物打印黑素细胞，并调整黑素细胞的浓度以控制色素沉着，可使打印的皮肤在外观上比传统的移植皮肤更贴合原有肤色^［21］。

二、3D生物打印皮肤的应用

生物打印技术及生物墨水的不断发展使得生物打印皮肤的应用范围逐渐增加，让我们能精确调控细胞及皮肤组织微环境，进而对皮肤生理和疾病状况进行深入研究。

（一）科学研究

1. 皮肤生理学研究

研究皮肤生理学有助于我们对皮肤病理机制及皮肤再生医学领域进行深入了解。动物模型受到高成本、伦理监管及结果异质性等限制^［22］，而2D培养模型无法精确模拟体内微环境中生理成分的复杂相互作用^［23］。生物打印皮肤为研究皮肤生理及发育过程提供了一种新的技术手段。

真皮-表皮连接带（dermal-epidermal junction，DEJ）结构为表皮提供了机械支撑，其起伏的形态能够作为两层间信号分子交换及细胞迁移的屏障^［24］。过去很少有模型能复刻其复杂的解剖结构，但随着技术的发展，已有研究通过挤出式生物打印构建全层皮肤模型，在体外对该交界带的形态、结构及功能进行了解释^［25］，这有助于我们进一步理解皮肤的生理及病理变化。

皮肤器官发生过程中局部的组织微环境能够促进皮肤干细胞的生长、迁移并指导其最终发育方向^［26］。已有研究使用海藻酸盐/明胶水凝胶生物墨水材料，并利用生物打印技术模拟汗腺再生的微环境，诱导间充质干细胞（mesenchymal stem cells，MSCs）分化为功能性汗腺，最终促进腺体组织形成并发挥其功能^［27］（ 图1 ）。还可通过生物打印技术还原毛囊微环境中细胞的生理排列构象，进而在人类皮肤结构中生成毛囊^［28］。这些研究提高了我们对皮肤生理过程的认识，也推动了皮肤组织工程的技术进步。

A为iSGCs工程和移植方法示意图；B为使用不同细胞处理的小鼠汗液检测

图1 将诱导汗腺细胞（iSGCs）移植到热损伤小鼠中观察到汗腺定向再生^［27］

全球老龄化人口正在迅速增长^［29］，皮肤老化是身体衰老的外在直接表现，了解皮肤衰老的表征及内在机制有助于健康老龄化及皮肤老化的早期诊断。既往有研究利用机械刺激和昼夜节律开发出一种老化的皮肤模型，但由于缺乏皮肤的重要成分，如免疫细胞、皮肤附属器及脉管系统等，该模型并不能准确模拟皮肤的衰老过程^［30］，而3D生物打印则能克服这些技术障碍，创造更接近天然皮肤的模型。

2. 皮肤病理学研究

生物打印皮肤是一项多功能工具，帮助我们研究皮肤在各种病理条件下组织结构及细胞内部的分子机制变化，从而最终指导疾病治疗。目前，利用生物打印技术可制备的皮肤疾病模型主要有皮肤感染、皮肤伤口、皮肤肿瘤及炎症性皮肤病。

皮肤是身体抵御外界环境的物理屏障，并提供了防御外部病原体入侵的第一道防线^［31］。为了探究皮肤感染及其内部的炎症反应，有研究利用生物打印制备了大肠杆菌感染的表皮模型，并通过测量表皮电阻来评估其屏障功能，这对构建皮肤大范围感染模型具有较大潜力^［32］。还有团队开发出一种生物打印的皮肤伤口模型，模拟2型糖尿病皮肤伤口的典型病理生理特征，如再上皮化、胰岛素抵抗、血管功能障碍等，这为我们研究糖尿病伤口及其愈合过程提供了极具价值的模型^［33］（ 图2 ）。

图2 糖尿病皮肤伤口模型设计示意图^［33］

既往的小鼠模型难以准确概括原发或转移部位人类皮肤肿瘤微环境及病理生理改变^［22］。近期有研究利用患者皮肤活检的黑素瘤组织和商业化的黑素瘤细胞系制备出一种新型生物墨水，打印了黑素瘤皮肤结构，并实现初步血管化，这为研究肿瘤内部复杂成分的相互作用和内在分子机制提供了平台^［34］。且患者来源的生物打印皮肤肿瘤模型能够减少肿瘤异质性及个体差异的影响，有助于精准治疗的开展。

生物打印技术还可用于制备炎症性皮肤病模型。现有3D生物打印技术已开发出几种复杂程度不同的功能性皮肤等效组织，并进一步将其用于生成特应性皮炎样组织，同时验证了该疾病模型的临床特征，如上皮增生、海绵体样细胞间隙和促炎细胞因子增多等^［35］。这为我们了解炎症性皮肤病的复杂机制并开发个性化药物提供了可能。

（二）临床相关应用

生物打印皮肤不仅可以促进皮肤生理病理相关科学研究的发展，还能满足临床的潜在需求。手术切口、慢性伤口、烧伤及创伤等造成的皮肤缺损影响患者的身心健康，而新兴的3D生物打印皮肤可涉及再生医学多方面的临床应用，且极大地改变经皮药物研发及递送方式。

1. 皮肤再生医学

皮肤移植是再生医学领域最迫切解决的临床需求之一，传统的皮肤移植物面临供体短缺、免疫排斥和移植物疾病传播的困境，急需开发新的治疗策略^［36］。近期有研究报道，可利用6种人类皮肤细胞生物打印出多层皮肤结构，并利用小鼠及大动物验证该皮肤移植物改善了上皮化，减少了皮肤收缩及瘢痕形成，为皮肤组织再生提供了新的手段^［37］。此外，还有团队通过生物打印技术开发出可穿戴式无边缘皮肤，大大减少了皮肤移植手术中缝合的需要并缩减了手术时间，有效地提高了皮肤伤口的覆盖率，精准实现皮肤移植^［38］。

皮肤伤口愈合是一个动态而多阶段的复杂过程，多种因素（如感染、缺氧及过度炎症等）都可能影响伤口修复^［39］。应用功能性敷料干预上述不利因素可促进伤口愈合。生物打印技术可调整打印参数来设置敷料的孔隙直径，提高伤口通透性，并可在生物墨水中搭载药物、活性因子，甚至活细胞，以满足临床治疗需求^［40］。近期有研究开发出一种生物打印伤口贴片，能缓释人MSC来源的小细胞外囊泡（MSC derived small extracellular vesicles，MSC-sEV），并且在压疮糖尿病小鼠模型中验证了MSC-sEVs改善伤口愈合的效果，为皮肤伤口敷料的技术革新开创了新策略^［41］。

2. 化妆品与药物研发

皮肤是人体最大的器官，也是化妆品和药物应用的重要输送途径。生物打印皮肤是进行化妆品及经皮药品筛选的理想工具，它能够实现标准化与自动化生产，减少产品制造时间，降低生产成本，高效开发新产品^［42］。有研究利用2D细胞培养系统及3D打印组织来分别评估化合物对皮肤的刺激性，实现了大规模的皮肤毒理学测试，满足更多的商业化及临床相关需求^［43］。目前已有国际化妆品公司投资3D生物打印皮肤的研发项目，相信将来该技术能创造更多的转化价值^［44］。

3. 皮肤局部药物递送

与传统药物递送相比，生物打印技术能精准控制药物的释放时间、剂量及空间定位^［45］，并实现重复给药，提升治疗效应的同时减少不良反应^［46］；生物材料可搭载细胞并递送生物活性分子，利用以上特性可实现生物打印透皮贴剂、微针，将药物或者生物活性成分与生物打印基质整合，并根据药物释放曲线将其递送至皮肤受损部位，最终实现皮肤局部屏障修复、感染控制、免疫调节等多靶点治疗目的^［47］。

三、现有挑战及未来展望

尽管3D生物打印技术具有许多优点，且已取得巨大进展，但在制造能直接应用于临床的功能性皮肤之前仍需克服诸多挑战。

技术层面上，目前的生物墨水材料受适印性限制，很难同时满足生物相容性及机械稳定性^［48］。其次，生物打印过程可能比细胞在体外存活的时间更长，而打印过程中难以长时间维持细胞活力^［49］。另一方面，生物打印技术在血管化皮肤开发及多种皮肤附属器再生等方面的研究有待进一步突破^{［50 -51］}，以制备高仿生的复杂皮肤结构。

伦理层面上，生物打印皮肤直接应用于患者之前还需考虑细胞来源、类型及生物材料的安全性和质量问题，同时还应考虑社会文化因素，如异种来源的细胞是否能被大众所接受^［3］。

展望未来，我们需继续寻找理想的生物墨水配方，以提高皮肤打印结构的分辨率和延展性；还亟待改进生物打印技术，不断提高生物打印速度，并利用生物反应器平台支持打印结构生长及组织重塑；我们还可以通过机器学习来优化生物打印相关参数。机器学习是人工智能领域的一个分支，能够利用计算机的大量数据进行自我学习^［52］，挖掘数据的规律模式，完成预测或识别任务^［53］。结合机器学习算法有望寻找更高效的生物墨水，对打印过程进行实时缺陷检测，大幅降低生物打印的生产成本并最终提高产品的质量^［54］。此外，在3D生物打印的基础上增加时间维度则成为4D生物打印，4D生物结构可响应时间或各种刺激而改变其形状、功能或性质^［55］。相信在未来，4D生物打印能高度模仿体内的生物功能，同时借助机器学习等新兴技术，进行更准确的预测及模拟，进一步提升生物打印技术在组织工程、药物输送等生物医学领域的应用潜力。

四、结语

3D生物打印技术在生物医疗领域的应用逐渐扩展，代表着皮肤组织工程的未来，不仅帮助我们理解皮肤生理和疾病状态，还能进行临床转化，如制备生物打印皮肤组织应用于皮肤移植和皮肤伤口愈合等临床场景，其高通量打印的能力促进了化妆品及药物研发，同时还能推动皮肤局部新型药物递送领域的发展。今后还需继续改进生物墨水配方及打印方法，使生物打印能制备更加复杂仿生的皮肤组织，为皮肤领域的科研及临床转化带来突破性进展。

（参考文献见本刊网站）

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