康奈尔大学开发新型生物复合材料，为3D打印人体仿生皮肤奠定基础。

康奈尔大学的研究人员创造了一种新型生物材料，可用于制造与人体组织结构相似的仿生皮肤。

该研究小组开发的生物复合材料具有独特的成分，由胶原蛋白和“两性离子”组成。它是由水凝胶制成的，具有柔软和生物相容性，足以承受连续变形。尽管科学家的研发项目仍在进行中，但他们表示，这种生物墨水有朝一日可以作为3D打印患者细胞支架的基础，从而有效治愈伤口。

这项研究的共同首席作者之一Nikolaos Bouklas说:“我们的最终目标是创造一种可以用于再生医学的材料，例如可以承受部分原始负荷直到组织完全再生的支架。有了这种材料，你就可以3D打印出带有细胞的多孔支架，最后在支架周围就可以形成实际的组织。"

△生物复合材料的显微图像，细胞(红色)接种在胶原蛋白(黄色)的纤维结构上。图片来自康奈尔大学。

天然和合成材料的组合

鉴于人体不断运动的性质，我们的组织应该足够柔软，能够根据指令弯曲，并且足够坚固，能够承受持续的负荷。康奈尔大学的研究小组表示，当这些细胞变得破旧或受损时，水凝胶和合成材料可以作为替代品，但它们都没有适当的生物和机械特性，无法同时做到这一点。

科学家认为，合成塑料往往缺乏支持和维持活细胞的能力，难以产生功能性微结构。与此同时，当谈到胶原蛋白、纤维蛋白或透明质酸等天然聚合物时，研究人员认为，尽管它们可以复制活组织的生物相容性，但它们往往更脆弱。

为了制造一种灵活且对细胞友好的生物墨水，从而能够制造出接近真实的人造皮肤，研究团队将目光转向了“两性水凝胶”。具体来说，科学家发现，将胶原蛋白与这种含有正负电荷分子基团的材料混合，可以使其在支持细胞生长的同时承受各种冲击。

该研究的另一位共同主要作者劳伦斯·博纳萨尔(Lawrence Bonassar)解释说:“这些电荷基团与胶原蛋白中的负电荷和正电荷基团相互作用，这种相互作用使材料能够耗散能量，实现高水平的韧性。"

△康奈尔大学教授劳伦斯·博纳萨尔。照片来自康奈尔大学。

为更逼真的人造皮肤打下基础？

有趣的是，在他们的论文中，研究人员表示，他们的生物混合复合材料的配方只需要“简单混合”，因为他们的胶原蛋白自组装成纤维网络，而纤维网络又与周围的水凝胶离子连接。根据Bouklas的说法，这产生了与天然软骨中相同的胶原蛋白互连网络，否则很难产生。

研究小组对这种材料进行了测试，结果显示，与未经处理的聚合物基质相比，胶原蛋白的加入使其弹性模量增加了40%。他们还发现，将胶原蛋白与水凝胶结合，可以使该材料在开裂前吸收11倍的能量，同时使其具有类似于关节软骨和其他组织的特性。

在生物相容性方面，科学家发现他们的胶原聚合物支持细胞生长的能力增加了100多倍，并且它显示出90%以上的细胞存活率。研究人员表示，他们打算继续研究这种材料背后的生物合成过程，他们现在已经开始测试其在组织3D打印中的可行性。

△HK inno。n和t & RBiofab合作利用其3D生物打印技术制造人类皮肤。图片来自t & RBiofab .

3D生物打印组织的潜力

虽然人类组织的3D打印通常仍处于实验室测试阶段，但其背后的技术仅在过去几年就有了突飞猛进的发展。2022年1月，来自伯明翰大学和哈德斯菲尔德大学的研究人员透露，他们已经开发出一种用生物打印皮肤治疗深度伤口的方法。

同样，去年年底，诺沃血浆联盟宣布创造“世界第一”3D打印免疫皮肤模型。模型是利用冷等离子体技术开发的，未来可用于治疗感染性烧伤和刺激性皮肤移植。

除了伤口愈合的应用，3D打印还被用于创建护肤品研发机构。例如，hkino.n和t & R Fab合作开发了用于药物测试的3D生物打印组织，可用作动物测试的替代方法。

研究人员的发现可以在他们题为“柔软、坚韧和细胞相容性生物杂交复合材料的简单合成/柔软、坚韧和细胞相容性生物杂交复合材料的简单合成”的论文中找到，该论文由Cameron Darkes-Burkey，Xiao Liu，Leigh Slyker，Jason Mulderrig，Wenyangpan，Emmanuel P. Giannelis，Robert F. Shepherd，Lawrence J. Bonassar和Nikolaos Bouklas撰写。