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RPI以生物墨水與3D列印製作內建血管、能緊密結合患部的人造皮膚

RPI(Rensselaer Polytechnic Institute)的研究團隊開發3D列印(3D printing)人造皮膚(artificial skin)的新方法,使用經基因編輯的人類細胞與其他生物成分所構成的生物墨水(bioink)為材料,製作出內建血管的人造皮膚,可望提供病患更實用、能跟患部緊密整合的皮膚移植物。

RPI以生物墨水與3D列印製作人造皮膚

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RPI的3D列印人造皮膚內建血管,有助於製作更接近人體自然生成皮膚的移植物。Rensselaer Polytechnic Institute

根據Medgadget與RPI報導,現有的人造皮膚臨床產品較像是進階版的OK繃,雖然多少有助於加快傷口癒合,但最大的障礙就是這些皮膚移植物不具備能實際發揮作用的血管系統,因此無法跟患部的血管與細胞緊密結合,最終還是會脫落。RPI的研究進展對於未來製作更接近人體自然生成皮膚的移植物極有助益。

RIP這項人造皮膚研究由美國國立衛生研究院(NIH)提供資助,顯示3D生物列印(bioprinting)在精準醫療(precision medicine)的應用充滿潛力,可望為特定情況與個人提供客製化的解決方案。RPI的研究論文"3D bioprinting of a vascularized and perfusable skin graft using human keratinocytes"已於2019年11月1日發表在Tissue Engineering, Part A線上期刊。

RPI的人造皮膚對糖尿病性潰瘍或壓迫性潰瘍患者將是一大福音,這類潰瘍通常個別出現在人體的不同位置,可以使用較小片的RPI人造皮膚處理。此外糖尿病病患的傷口通常需要更長的復原時間,RPI的人造皮膚也將有助於加速復原。至於燒燙傷病患的應用則還需要諸多努力,解決包括病患的末梢神經與末梢血管已不復存在的問題。

RPI的3D列印人造皮膚採用的生物墨水,內含纖維母細胞、血管內壁的內皮細胞、包覆內皮細胞的外被細胞、動物性膠原蛋白與其他常用於皮膚移植物的結構細胞等必要成分,首先製作人造皮膚的血管化真皮(ascularized dermis)層,接著再以膠原蛋白生物墨水,將形成人類皮膚防滲表皮的角質細胞列印在真皮層之上。

接著經過數周時間的體外培養讓所有細胞彼此連結,並在由皮膚細胞層疊構成的隔絕層下發展出互相連接的微血管網路,移植到老鼠身上可在4周內跟老鼠的血管連結形成完整的表皮血管系統,上皮的延伸會跟皮下的結締組織結合在一起,老鼠的血液循環便可及於人造皮膚以提供氧氣與養分,這是確保人造皮膚持續生存非常重大的進展。

此外為了讓3D列印製作的人造皮膚達到臨床應用的標準,RIP研究團隊必須運用類似CRISPR的基因編輯技術來處理作為生物墨水原料的細胞,這些細胞是由捐贈者提供,經過基因編輯後所列印生成的人造皮膚血管,才能被患者本身的血管接受與結合而不會產生排斥現象。目前完成老鼠實驗已向人體應用目標又邁進一步。

RIP的研究團隊2013年12月31日曾在Tissue Engineering, Part C線上期刊發表透過3D生物列印設計與製作人造皮膚的創新論文,以2種人類活體細胞與其他必要的成分作為生物墨水,成功應用於3D列印以製作出類似人類皮膚的結構。而在人造皮膚內建血管系統的後續研究,則是跟耶魯醫學院(Yale School of Medicine)進行合作。

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