Mater Today Bio：3D打印可灌注血管化皮肤模型亮眼登场！自带"营养通道"，模拟伤口愈合超给力，药物测试更靠谱

皮肤作为人体最大的器官，承担着物理防护、体温调节、感知及免疫等关键功能，一直是组织工程领域的研究重点。近年来，3D生物打印技术在皮肤替代物构建方面展现出巨大潜力，为药物测试和严重皮肤损伤的临床治疗提供了新方向。

近日，发表在Mater Today Bio上的一项研究3D bioprinting of a perfusable skin-on-chip model suitable for drug testing and wound healing studies提出了一种构建可灌注3D血管化皮肤模型的创新方法，为皮肤组织工程研究带来重要突破。

该研究采用两种生物墨水构建皮肤模型：甲基丙烯酰化明胶（GelMA）用于真皮和表皮层，泊洛沙姆F127作为牺牲材料用于血管通道的形成。模型整合了三种细胞类型，包括新生儿包皮成纤维细胞、人表皮角质形成细胞和人脐静脉内皮细胞，以建立仿生皮肤结构。通过牺牲生物打印技术，成功开发出具有血管化结构的皮肤模型，可用于高级体外研究和再生疗法。

研究中，8%（w/v）的GelMA（G8）用于真皮层，15%（w/v）的GelMA（G15）用于表皮层，40%（w/v）的泊洛沙姆F127（P40）作为牺牲材料。GelMA具有良好的生物相容性、无细胞毒性，且含有用于整合素结合的精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（RGD）基团和对基质金属蛋白酶敏感的基团，有利于细胞黏附和迁移。泊洛沙姆F127具有独特的热可逆性，在20℃以下液化，在较高温度下凝胶化，适合作为牺牲材料构建精确的血管通道。

生物墨水的表征结果显示，G8和G15的溶胀率存在显著差异，分别为9.19±1.01和6.45±1.42，表明较高的GelMA含量会降低溶胀率。原子力显微镜测得的杨氏模量显示，G8为8.65±0.81 kPa，G15为17.66±0.77 kPa，这种刚度差异模拟了体内皮肤各层的物理特性。打印性参数（Pr）在优化的打印条件下，G8、G15和P40分别为0.92±0.2、0.93±0.1和0.95±0.05，表明材料具有良好的打印精度。流变学测试确定了G8和G15的溶胶-凝胶转变温度分别约为24℃和28℃，为打印参数设置提供了依据。扩散系数测量显示，两种水凝胶对不同分子量葡聚糖的扩散能力无显著差异，确保了营养物质和因子在材料中的有效传递。

图 1. 生物墨水表征

计算机模拟和实验验证评估了血管通道内的流动分布和稀释物种在水凝胶中的扩散情况。结果显示，灌注开始后10分钟内，模型即可达到并维持目标浓度，验证了灌注系统能有效保证细胞的营养供应和氧合。

图 2. 模型设计和验证

皮肤模型的各组成部分表现出良好的生理功能。真皮层中，成纤维细胞和内皮细胞共培养形成密集的微血管网络，21天后细胞存活率仍保持在90%以上。细胞的代谢活动使G8水凝胶的杨氏模量从无细胞时的8.65±0.81 kPa降至3.1±0.2 kPa，且成纤维细胞分泌的胶原蛋白（I、III、IV型）、弹性蛋白和纤连蛋白等细胞外基质蛋白随培养时间显著增加，表明组织逐渐成熟。表皮层中，角质形成细胞在G15中培养，21天后厚度达到246.6±22.8 μm，占据整个打印体积。细胞角蛋白10（CK10）的表达随时间显著增加，表明角质形成细胞正确分化和分层。跨上皮电阻（TEER）值随时间逐渐升高，证实了上皮屏障的形成和成熟。血管通道通过内皮细胞和成纤维细胞共培养形成完整的内皮屏障，21天灌注后，血管通透性显著低于无内皮细胞的对照组，表明内皮屏障具有良好的功能完整性。

在伤口愈合研究中，该模型展现出良好的修复能力。无论是通过1mm活检打孔造成的贯穿真皮和表皮的损伤，还是表皮表面的线性划痕损伤，在14天的培养后均能实现伤口闭合。Ki67免疫染色显示再生组织中细胞增殖活跃，表明模型能够模拟体内皮肤的修复过程，包括上皮再生和真皮重塑。

图 3. 3D血管化皮肤模型中伤口愈合动力学的评估

这种血管化3D生物打印皮肤模型的成功构建，为皮肤组织工程研究提供了一个功能完善的体外平台。它不仅能够模拟皮肤的生理结构和功能，还能重现伤口愈合的关键过程，在化妆品和药物研发中具有重要的应用价值。该模型的建立减少了对动物实验的依赖，为评估产品的有效性和安全性提供了更接近人体生理环境的测试系统，有望推动皮肤相关疾病治疗和再生医学领域的发展。对于从事皮肤研究的科研人员、医药企业以及关注皮肤健康的大众来说，这一成果无疑为皮肤健康和损伤修复带来了新的希望。（生物谷Bioon.com）

参考文献：

Maggiotto F, Dalla Valle E, Fietta A, Visentin LM, Giomo M, Cimetta E. 3D bioprinting of a perfusable skin-on-chip model suitable for drug testing and wound healing studies. Mater Today Bio. 2025;33:101974. Published 2025 Jun 13. doi:10.1016/j.mtbio.2025.101974