CN111686309A - 一种3d打印皮肤的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种3D打印皮肤的制备方法，3D打印皮肤包括3D打印制成的皮肤层，其中，3D打印皮肤还包括微针，制备方法包括使用3D扫描仪扫描皮肤受损部位，获取受损部位所需皮肤的属性，建立基底模型和3D打印皮肤模型；使用3D打印机打印基底；逐层打印皮肤层和多个微针；或者，逐层打印皮肤层，再插入备好的多个微针；或者，放置备好的多个微针，再逐层打印皮肤层；或者，在逐层打印皮肤层的同时打印微针，该制备方法能够制备与人体皮肤受损部位完全贴合并且具有物质输送功能的3D打印皮肤。

Description

一种3D打印皮肤的制备方法

技术领域

本发明涉及3D打印以及组织工程生物医用材料领域，具体是涉及一种3D打印皮肤的制备方法。

背景技术

皮肤是人体最大的器官，它不仅具有抵御外部环境感染的功能，还承担防止体内水分、电解质及其他物质丢失的任务。一般情况下，如果皮肤受到较轻的损伤，皮肤可以自我恢复。当大面积的皮肤受到严重的损害，例如烧伤，医生必须立即输入液体并保护伤口。如果仅是皮肤浅层受损，对于正常健康的人，新皮肤会再生，但对于一些患者，例如糖尿病患者，皮肤修复过程非常困难。此外，如果病人受到严重的烧伤，影响到内源性干细胞，皮肤就不能靠自己修复，通常须将身体其他部位的表层皮肤移植到伤口上，但这种方法会引起新的伤疤。如果是大面积的烧伤，人体正常皮肤所剩无几，将无法移植。没有皮肤的保护，重度烧伤者就会出现严重的脱水和细菌感染，严重时将会危及生命，在这种情况下就需要使用人造皮肤。

人造皮肤是利用生物工程学和再生生物学的原理和方法，在体外人工研制的皮肤代用品，用来修复、替代缺损的皮肤组织。人造皮肤由人工合成，可以极大地提高重度烧伤者的存活率。人造皮肤品种繁多，归纳起来，目前全世界已研究应用过的人造皮肤，有以下三类：(1)高分子塑料、合成多肽、人造纤维等合成材料制成的薄膜状、海绵状人造皮肤；(2)再生蛋白和动物组织如羊膜、腹膜、胎膜等生物材料制成的人造皮肤；(3)全聚薄膜制成的薄片状人造皮肤。

随着技术的进一步成熟，已经可以培养出具有和人体皮肤具有相同属性的全层皮肤。但是，目前的人造皮肤多为手工或者平面打印，在生产效率和治疗效果上都有所局限。已有专利申请文件披露了3D打印皮肤及其制备方法。但是在临床治疗中，为加快伤口愈合，促进肌体细胞生长，皮肤伤处需保持一定的润湿状态，即要求伤口处既不能过分干燥，又不能过度潮湿。现有的方法制成的人造皮肤在治疗过程中，都存在不同方面和不同程度的缺点，或因粘附不牢，强度太差；或因抗原性太强，刺激性大；或因通透性能不好，易感染；或因阻碍自生体皮生长，疤痕累累；或因原料来源不易，成本太高；或因工艺繁什，制造困难，或难于贮存等，因而不能得到很好的推广和临床应用。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的主要目的是提供一种制备与人体皮肤受损部位完全贴合并且具有物质输送功能的3D打印皮肤的制备方法。

为了实现本发明的主要目的，本发明提供一种3D打印皮肤的制备方法，3D打印皮肤包括3D打印制成的皮肤层，其中，3D打印皮肤还包括微针，制备方法包括使用3D扫描仪扫描皮肤受损部位，获取受损部位所需皮肤的属性，建立基底模型和3D打印皮肤模型；使用3D打印机打印基底；逐层打印皮肤层和多个微针；或者，逐层打印皮肤层，再插入备好的多个微针；或者，放置备好的多个微针，再逐层打印皮肤层；或者，在逐层打印皮肤层的同时打印微针。

由上可见，本发明采用3D扫描建模技术以及3D分层打印、逐层堆叠的方法，打印出位于人体皮肤受损位置的具有特定厚度和特定形状的皮肤组织，能够根据实际需要而打印全定制型皮肤。微针可以在生物3D逐层打印皮肤层的同时打印形成，或者3D打印皮肤层后二次植入微针。皮肤层逐层打印时可以由内向外或由外向内逐层打印。另外，微针可根据需要采用各种材料构造。构造材料可以是医药级不锈钢或其它金属、金属合金、硅、二氧化硅、高分子材料和复合材料等。高分子材料可以是天然高分子材料，也可以是合成的聚合物。代表性的生物可降解聚合物包括羟酸例如乳酸和乙醇酸的聚合物，例如聚丙交酯、聚乙交酯和聚丙交酯-共-乙交酯等，生物可降解聚合物还可以是与聚乙二醇共聚的共聚物、聚酸酐、聚原酸酯、聚氨酯、聚(丁酸)、聚(戊酸)和聚(丙交酯-共-己内酯)等。代表性的非生物可降解聚合物包括聚碳酸酯、聚酯和聚丙烯酰胺等。当神经生长到表皮时，微针的存在会导致患者疼痛，因此当皮肤修复并且神经生长回来时，微针应该被取出或退化。当采用非生物可降解材料时，微针应具有足够的机械强度，使得微针在被插入生物屏障内时、在保持在原位长达多天时和在取出时，都能够保持完好。当采用生物可降解材料时，微针必须在足够长时间内保持完好，使得微针能够达到其预期目的，例如，微针作为导管用于递送药物的目的。微针优选采用生物可降解材料，微针在植入皮肤再生后降解，有利于保持表皮和下面的结缔组织之间的屏障。

一个优选的方案是，获取受损部位所需的皮肤属性的步骤包括：获取打印基底的三维模型和皮肤构造模型。

另一个优选的方案是，建立的3D打印皮肤模型包括支架；支架设置在皮肤层表面上方、设置在皮肤层底面下方或设置在皮肤层中；支架由生物可降解材料或非生物可降解材料制成。

由上可见，支架有助于植入皮肤的固定，便于手术缝合。该支架可以是一个连续的整体，可以在中间具有空隙，也可以分开为多个支架，只要能够在皮肤层中起到支撑作用即可。优选地，该支架采用生物可降解及吸收的生物高分子纳米纤维材料制成。支架在3D打印皮肤移植后可降解或移除。

另一个优选的方案是，在使用3D打印机打印基底的步骤之前，判断是否需要干细胞，若是，获取少量皮肤组织，分离得到原代皮肤细胞，培养得到所需量的真皮细胞和表皮细胞，用于打印皮肤层。

进一步的方案是，分离得到原代皮肤细胞的步骤包括：对皮肤组织进行清洗、消毒、称重、切碎得到初步处理好的皮肤组织，加入相应的蛋白酶和胶原酶进行组织酶解，得到游离的皮肤细胞组织液；过滤皮肤细胞组织液，离心聚集细胞，再将细胞接种到培养皿，得到原代皮肤细胞。

另一个优选的方案是，培养得到所需量的真皮细胞和表皮细胞的步骤包括：原代培养，获取一部分原代细胞，添加ROCK抑制剂进行培养，经过一段时间传代培养，得到所需要量的表皮干细胞；获取一部分原代细胞，不添加ROCK抑制剂进行培养，经过一段时间传代培养，培养出所需要量的真皮干细胞。

由上可见，3D打印皮肤包括真皮细胞层和表皮细胞层能够接近于人体皮肤构造，可以生成角质层和毛发。细胞层可以带有米诺环素等抗生素。当采用这种皮肤构造时，微针的第二端至少到达3D打印皮肤的真皮层，以满足营养物质或药剂的输送。所述胶原凝胶材料也可以用其他生物可降解材料或者与其他生物可降解材料的混合物代替。本发明的3D打印皮肤还可以是致密膜层，由聚羧酸酐和聚丁二酸乙二醇酯混合熔融沉积3D打印成型，植入后通过微针填充输入由胶原、聚赖氨酸、甘氨酸、阿拉伯胶、柠檬酸、具有抗菌抗病毒作用的药物等，这样能够进一步降低整个皮肤的制造难度。

另一个优选的方案是，基底为聚二甲基硅氧烷基底。

另一个优选的方案是，微针嵌在皮肤层中，微针的第一端穿到或穿过皮肤层的表面，微针的第二端接近、穿到或穿过皮肤层的底面；微针包括设置在第一端和第二端之间的至少一条通路。

由上可见，3D打印皮肤植入后，微针第二端能够靠近、接触或刺入受体端，第一端附接在皮肤层的外侧，能够实现营养液、药物或细胞从3D打印皮肤外向内输送，同时微针还能够实现排泄物等从植入者体内细胞向植入皮肤外输送，从而有利于植入皮肤的再生。

进一步的方案是，微针还设有至少一个与通路连通的通孔。

由上可见，微针上还可设置多个通孔，以实现不同方式的输送。例如在微针侧面开设通孔，实现侧面的定位输入或排泄物输出。此外，以微针作为导管能够起到递送药物的目的，例如，通过微针输入药剂、营养液或细胞。药剂可以包括米诺环素，用来防止感染和保持细胞。药剂还可以包括中药提取物等。营养液可以包括生长因素，例如刺激神经生长的因素，用来刺激神经生长到表皮，使得植入皮肤能够对触觉、疼痛、伸展、压力等做出反应来保护自身，另外还可以促进毛发生长。输入的细胞还可以包括带有米诺环素的间充质干细胞等。再者，微针的第一端连接贮器，贮器用于存放药剂、营养液或细胞，通过贮器与微针的第一端连接，便于贮器中储存或产生的药剂、营养液或细胞从贮器流出，通过微针的通路，流入目标组织内。连接贮器时，优选微针的第一端穿出皮肤的表面。此外，可以使用传感器来释放贮器的物质。另外，由于人造皮肤能否成功移植，关键在于能否快速血管化，因此皮肤移植后应尽早得到营养供应。本发明所输入的营养液还可以包括一种能够促进血管化的因子(VEGF)基因，通过VEGF基因成功地转入人体纤维细胞，使其能够分泌VEGF，促进血管化。本发明还可以将自体的内皮细胞和成纤维细胞通过适当的途径植入真皮支架，诱导新生血管的形成。目前在临床应用中，比如筛状植皮法是将拟植皮的人造皮肤切开许多小口，在一定的张力条件下固定于创面，即可增加皮片的面积，同时也便于渗出液引流，而本发明采用微针结构的3D打印皮肤后，不需要再切口，可通过微针实现渗出液引流，有利于提高植入效果，促进形成新的血管。

更进一步的方案是，备好的多个微针经过灭菌处理；皮肤层的打印在干净的封闭环境中进行。

由上可见，本发明的3D打印皮肤用于植入人体表面，应当尽量保证3D打印皮肤干净，避免带来感染。本发明的微针可以采用标准方法进行灭菌处理，例如环氧乙烷灭菌或γ辐射灭菌。

附图说明

图1是本发明3D打印皮肤实施例一的结构示意图，其中(a)为3D打印皮肤的示意图；(b)为带微针的支架的示意图；(c)为3D打印皮肤的局部剖视放大图。

图2是本发明3D打印皮肤实施例二的结构示意图，其中(a)为3D打印皮肤的示意图；(b)为带微针的支架的示意图；(c)为3D打印皮肤的局部剖视放大图。

图3是本发明3D打印皮肤实施例三的结构示意图，其中(a)为3D打印皮肤的示意图；(b)为带微针的支架的示意图；(c)为3D打印皮肤的局部剖视放大图。

图4是本发明3D打印皮肤实施例四的结构示意图，其中(a)为3D打印皮肤的示意图；(b)为带微针的支架的示意图；(c)为3D打印皮肤的局部剖视放大图。

图5是本发明3D打印皮肤实施例五的示意图，其中(a)为3D打印皮肤的示意图；(b)3D打印皮肤的分解示意图。

图6是本发明3D打印皮肤实施例六移植后的局部剖视图。

图7是本发明3D打印皮肤实施例七移植后的局部剖视图。

图8是本发明3D打印皮肤实施例八移植后的局部剖视图。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

3D打印皮肤制备方法实施例

本实施例提供一种3D打印皮肤的制备方法，其包括以下依次进行的步骤：

(1)3D扫描和皮肤建模：使用3D扫描仪对人体皮肤受损部位进行扫描，得到皮肤受损部位的三维结构，再使用软件计算出伤口需要移植的全定制皮肤各个属性，包括基底三维模型和皮肤构造模型的各个属性，建立符合皮肤受损部位三维结构的包括支架的3D打印皮肤模型，使得定制皮肤完全贴合伤口；预估和评估是否需要干细胞，若需要，初步预估其数量；同时评估需要输入的用于促进皮肤再生的营养液或药剂的类型，评估微针的结构以及微针的位置、布局以及微针通路和通孔的大小等。

(2)当需要干细胞时，准备干细胞：提取少量人体皮肤组织，经过清洗、消毒、称重、切碎得到初步处理好的皮肤组织，加入相应的蛋白酶和胶原酶进行组织酶解，得到游离的皮肤细胞组织液；过滤得到细胞液，离心聚集细胞，再将细胞接种到培养皿，得到原代皮肤细胞；原代培养，取一部分原代细胞，添加ROCK抑制剂进行培养，经过一段时间传代培养，得到所需要量的表皮干细胞；取一部分原代细胞，不添加ROCK抑制剂进行培养，经过一段时间传代培养，培养出所需要量的真皮干细胞。干细胞可以是真皮干细胞和内源性表皮干细胞。所得的表皮干细胞和真皮干细胞可以保存到液氮中，以备打印使用，当需要打印时，将细胞转移到打印机的原料盒中即可。

(3)3D分层打印：先通过3D打印机打印出聚二甲基硅氧烷(PDMS)基底，在PDMS基底上打印胶原凝胶层，在胶原凝胶层上打印真皮细胞层，在真皮细胞层上打印胶原凝胶层，在胶原凝胶层上打印表皮细胞层，在表皮细胞层上再打印胶原凝胶层。每层胶原凝胶的打印过程为：先打印一层交联剂，在其上打印一层胶原凝胶，再打印交联剂固定本层。细胞层的打印过程为：先打印一层交联剂，在其上打印一层胶原凝胶，在凝胶上打印一层细胞层，再打印交联剂固定本层。其中，所述真皮细胞层、胶原凝胶层和表皮细胞层的层数和厚度根据实际需要进行建模计算确定。在本发明的另一制备方法实施例中，也可以从皮肤表面打印至皮下层。微针可以在生物3D逐层打印皮肤层的同时打印形成，或者3D打印皮肤层后二次植入微针。

3D打印皮肤制备好后，进行皮肤组织培养及移植：将打印好的皮肤转移到培养皿中，在恒温箱气液界面培养2至10日，待皮肤组织初步融合，再移植到皮肤受损部位或进行体外皮肤模型试验。

本实施例提供的3D皮肤制备方法，根据建模，把皮肤分为真皮细胞层、表皮细胞层和凝胶层，通过多层打印、逐层堆叠的方式，打印出接近于人体皮肤构造的全定制皮肤，是可以生成角质层和毛发的全功能皮肤，还可通过设置在皮肤上的微针在植入过程中进行营养液或药剂的输送。

3D打印皮肤实施例

实施例一：如图1所示，本实施例提供一种3D打印皮肤，其包括表皮细胞层11、真皮细胞层12、微针13和支架14。其中，微针13第一端穿到表皮细胞层11的表面，第二端穿出真皮细胞层12的底面，微针13中间设有通路。微针13包括直段和锥形段。微针13与支架14采用相同的材料制成。支架14位于最上层，支架14可在3D打印皮肤移植手术后移除。该3D打印皮肤还可以包括胶原凝胶层，未在图中示出。

实施例二：如图2所示，本实施例提供一种3D打印皮肤，其包括表皮细胞层21、真皮细胞层22、微针23和支架24。其中，微针23与支架24采用不同的材料制成。支架24位于3D打印皮肤的最顶层，在3D打印皮肤移植手术后可以移除。其余结构与实施例一相似。

实施例三：如图3所示，本实施例提供一种3D打印皮肤，其包括表皮细胞层31、真皮细胞层32、微针33和支架34。其中，支架34位于3D打印皮肤的中间层，其在3D打印皮肤移植手术后可以降解。微针33与支架34采用相同或不同的材料制成。其余结构与实施例一相似。

实施例四：如图4所示，本实施例提供一种3D打印皮肤，其包括表皮细胞层41、真皮细胞层42、微针43和支架44。其中，支架44位于3D打印皮肤的最底层，其在3D打印皮肤移植手术后可以降解。微针43与支架44采用相同或不同的材料制成。其余结构与实施例一相似。

实施例五：如图5所示，本实施例提供一种3D打印皮肤，其包括表皮细胞层51、真皮细胞层52、微针53和支架54。其中，微针53呈锥形。支架54位于3D打印皮肤的最顶层，分散设置在微针53周围，其在3D打印皮肤移植手术后可以移除。微针53与支架54采用相同或不同的材料制成。

实施例六：如图6所示，本实施例提供一种3D打印皮肤，其包括表皮细胞层61、真皮细胞层62、微针63和支架64。其中微针63第一端和第二端之间设有通路65，微针63呈锥形，微针63的直径从第一端向第二端逐渐缩小。微针63侧面还设置有通孔66。3D打印皮肤移植后，微针63的第二端插入患者体内67，从微针63第一端通过通路65可以输入营养液、药剂或细胞68，营养液、药剂或细胞68可以从微针63第二端或通孔66处向患者定位渗透或输送，此外废物也可以通过通路65排到皮肤外，有利于皮肤的再生融合生长。支架64围绕微针63周围设置，且位于表皮细胞层61和真皮细胞层62中，在3D打印皮肤移植后可降解。

实施例七：如图7所示，本实施例提供一种3D打印皮肤，其包括表皮细胞层71、真皮细胞层72、微针73和支架74。其中微针73设有通路75和通孔76，微针73第二端插入患者体内77，微针73可以输送营养液、药剂或细胞78，也可以排出废物。支架74离开微针73设置，其位于表皮细胞层71和真皮细胞层72中，在3D打印皮肤移植后可降解。其余结构与实施例六相似。

实施例八：如图8所示，本实施例提供一种3D打印皮肤，其包括表皮细胞层81、真皮细胞层82、微针83和支架84。其中微针83设有通路85和通孔86，微针83第二端插入患者体内87，微针83可以输送营养液、药剂或细胞88，也可以排出废物。在本实施例中，部分微针83直径从第一端向第二端逐渐缩小，部分微针83直径从第二端向第一端逐渐缩小，有利于提高微针密度，也有利于物质的输送，能够实现与人体皮肤的自动快速愈合。

本发明提供的3D打印皮肤，可用于各种皮肤病如牛皮癣、粉刺、白化病等患者的皮肤修复，也可用于烧伤、糖尿病等患者的皮肤修复。而且3D打印皮肤是全定制皮肤，与伤口完全吻合，提高了治疗成功率，并且能够取得更好的治愈效果。同时，本发明的微针在3D打印皮肤植入后输入营养液、细胞和药物以及排出废物方面发挥重要作用。

最后需要强调的是，以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种变化和更改，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种3D打印皮肤的制备方法，所述3D打印皮肤包括3D打印制成的皮肤层，其特征在于：

所述3D打印皮肤还包括微针，所述制备方法包括：

使用3D扫描仪扫描皮肤受损部位，获取所述受损部位所需皮肤的属性，建立基底模型和3D打印皮肤模型；

使用3D打印机打印基底；

逐层打印所述皮肤层和所述多个微针；或者，逐层打印所述皮肤层，再插入备好的所述多个微针；或者，放置备好的所述多个微针，再逐层打印所述皮肤层；或者，在逐层打印所述皮肤层的同时打印所述微针。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：

所述获取所述受损部位所需的皮肤属性的步骤包括：

获取所述打印基底的三维模型和皮肤构造模型。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：

建立的所述3D打印皮肤模型包括支架；

所述支架设置在所述皮肤层表面上方、设置在所述皮肤层底面下方或设置在所述皮肤层中；

所述支架由生物可降解材料或非生物可降解材料制成。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：

在所述使用3D打印机打印基底的步骤之前，判断是否需要干细胞，若是，获取少量皮肤组织，分离得到原代皮肤细胞，培养得到所需量的真皮细胞和表皮细胞，用于打印所述皮肤层。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：

所述分离得到原代皮肤细胞的步骤包括：

对所述皮肤组织进行清洗、消毒、称重、切碎得到初步处理好的皮肤组织，加入相应的蛋白酶和胶原酶进行组织酶解，得到游离的皮肤细胞组织液；

过滤所述皮肤细胞组织液，离心聚集细胞，再将细胞接种到培养皿，得到所述原代皮肤细胞。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：

所述培养得到所需量的真皮细胞和表皮细胞的步骤包括：

原代培养，获取一部分原代细胞，添加ROCK抑制剂进行培养，经过一段时间传代培养，得到所需要量的表皮干细胞；

获取一部分原代细胞，不添加ROCK抑制剂进行培养，经过一段时间传代培养，培养出所需要量的真皮干细胞。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：

所述基底为聚二甲基硅氧烷基底。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：

所述微针嵌在所述皮肤层中，所述微针的第一端穿到或穿过所述皮肤层的表面，所述微针的第二端接近、穿到或穿过所述皮肤层的底面；

所述微针包括设置在所述第一端和所述第二端之间的至少一条通路。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：

所述微针还设有至少一个与所述通路连通的通孔。

10.根据权利要求1至9任一项所述的制备方法，其特征在于：

备好的所述多个微针经过灭菌处理；

所述皮肤层的打印在干净的封闭环境中进行。

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