韩国浦项科技大学材料科学与工程系Sungjune Jung教授团队通过使用MicroFab Jetlab II喷墨打印系统使生物墨水能够在皮升水平上提供均匀的细胞分布，使得真皮上表皮角质形成细胞分布的更准确、更均匀。压电喷墨打印技术改进了表皮层的构建步骤，可以为进一步的研究提供更多种类的皮肤模型。
介绍
皮肤是我们身体最大的部分，代表性特征是其结构由多层组成。最外层的薄层表皮形成了自己的多个亚层，从高度组织化的表皮角质形成细胞到抵御入侵者（如生物病原体）的物理屏障，表皮具有保护作用，而真皮主要由细胞外基质（ECM）和真皮成纤维细胞组成，发挥缓冲、传感、分泌和调节等剩余功能。人类皮肤等效物在质量、再现性和生产方法方面存在的问题是生物学、医学、化妆品和伦理学等许多领域的挑战性问题之一，为了解决这个问题，浦项科技大学材料科学与工程系Sungjune Jung教授团队通过结合两种打印技术来制造具有层状结构的皮肤等效物。
活细胞和生物材料的直接打印为3D组织工程和再生医学提供了一种新的解决方案。如图1所示，利用3D气动微挤压打印机将含有人真皮成纤维细胞（HDFn）的胶原蛋白打印在3.0μm孔的膜插入物上。将打印好的真皮转移到培养箱中，使胶原质凝固，培养2周。通过使用MicroFab，Jetlab II喷墨打印人表皮角质形成细胞（HEKn）均匀分布在真皮上。经过角质形成细胞稳定期1天后，进行气液界面培养，诱导表皮层分化2周。
▲ 图1 微挤出-喷墨混合打印制作3D皮肤模型。
为了测定真皮的产生，对比实验测试了3种不同的人类皮肤成纤维细胞：HDFn和Hs68来自新生儿包皮，Detroit 551来自女性胎儿皮肤。与没有细胞的真皮层相比（图2B），HDFn细胞直到2周才观察到收缩（图2A），Hs68细胞LLI培养7天后观察到真皮层边缘出现部分收缩（图2C），Detroit 551细胞培养4天后观察到严重的收缩（图2D）。综合上述结果，本研究中后续使用HDFn细胞。
▲ 图2 根据不同细胞类型和细胞数量对真皮生物墨水的比较。
为了保证喷墨打印的稳定性，研究了细胞浓度对喷射行为的影响。HEKn细胞在生物墨水中的浓度从6.0×106 cells/mL到2.0×107 cells/mL不等。如图3A所示，在浓度为6.0×106 cells/mL和1.2×107 cells/mL时，细胞喷射特性稳定，无喷嘴堵塞，然而，在浓度为2.0×107 cells/mL的表皮生物墨水中，无法实现稳定和连续的液滴形成。为了确认喷墨过程中表皮层液滴数量合适，计算了实际打印的细胞数量，如图B-C所示，在玻璃基板上打印200个连续的点，在浓度为1.2×107 cells/mL时，单个液滴平均含有6.6个细胞，而在浓度为6.0×106 cells/mL时，仅含有2.0个细胞。考虑到后期打印时的不适条件暴露，故后期选择液滴中细胞数量更多的1.2×107 cells/mL进行实验。
▲ 图3 压电喷墨的液滴观察和角质形成细胞打印密度控制。
此外，研究了微挤出和喷墨印刷对皮肤细胞活力的影响，如图4所示，测量了胶原中HDFn细胞的活力，打印组（91.75%）和移液组（95.75%）HDFn的生存力差异可以忽略不计，打印后5周真皮成纤维细胞的存活率超过90%，在打印和培养过程中，没有发现任何一种皮肤细胞类型的严重细胞损伤。
▲ 图4 打印和长期培养的细胞活力测试。
为了测试角质形成细胞在真皮层的分布，在打印和手动移液后立即对沉积的角质形成细胞层进行组织学染色，获得横切面图像。在喷墨打印的皮肤中，观察到真皮肿块上均匀分布的薄层（图5A）；然而，在手工生成的皮肤中反复发现细胞聚集的不均匀层（图5B）。在角化细胞沉积后，发现使用喷墨打印的角化细胞扩散区域保持在最初打印区域附近，而移液生成的区域是最初移液区域的两倍多（图5C）ALI培养后，观察到喷墨打印的皮肤上层相对均匀增厚（图5E）；然而在移液生成的皮肤中，产生了不均匀的增厚层（图5F）。这种差异与表皮两层角质形成细胞分布的差异在很大程度上是一致的（图5G和H）。
▲ 图5 喷墨打印及移液生成的表皮层对比。
ALI培养期结束后，成功获得了多层皮肤，皮肤模型显示了丰富的ECM层，在真皮层的顶部观察到广泛的角质形成细胞形成上表皮层，组织学图像显示出与真实皮肤的层状结构相似的轮廓，如图6A所示。由于人体皮肤的每一层都表达了体内的特定蛋白质，使用特定抗体的免疫荧光染色可以揭示皮肤组织中功能标记物的表达。图6B-E的结果表明，打印皮肤由真皮层、基底膜和中间状态的分层表皮层组成。
▲ 图6 打印的3D皮肤等效物的组织学染色和免疫化学分析。
结论
通过将气动微挤出和压电喷墨打印结合，产生了一种具有多层的皮肤结构，包括富含胶原蛋白的下层（真皮）、中间层（真皮和表皮之间的基底膜）和薄分化的上层（表皮）。表皮层的均匀分布是皮肤组织生成的关键考虑因素之一，通过使用MicroFab Jetlab II喷墨打印系统使生物墨水能够在皮升水平上提供均匀的细胞分布，使得真皮上表皮角质形成细胞分布的更准确、更均匀。压电喷墨打印技术改进了表皮层的构建步骤，可以为进一步的研究提供更多种类的皮肤模型。
参考文献：
[1] Hrl A , Ju A , Sk B , et al. 3D microextrusion-inkjet hybrid printing of structured human skin equivalents - ScienceDirect[J]. Bioprinting, 22.