180 Chen - A Spatiotemporal Controllable Biomimetic Skin for Accelerating Wound Repair.pdf

最近，来自浙江大学谢志坚、贺永团队设计开发了一种仿生皮肤，包括利用近场直写技术（MEW）制备的PCL膜片，GelMA和HAMA调配的GH凝胶和负载富血小板血浆（PRP）的HAMA凝胶。通过结构仿生和生理仿生，利用时空调控促进了大面积伤口的早期愈合。

相关研究成果以“A Spatiotemporal Controllable Biomimetic Skin for Accelerating Wound Repair”为题于2024年6月发表在《Small》上，并被选为封面文章。                                              

可时空调控的仿生皮肤封面设计

图1 仿生皮肤的的组成和功能示意图

考虑到从外围到中心的自然伤口愈合过程，设计了一种具有向心力学指数的膜来引导细胞迁移。MEW技术用于打印这种模拟皮肤角质层的多尺度拓扑膜。该膜由用于细胞附着的无序致密纤维（≈10μm）、提供向心力学指数的向心辐条纤维 （50μm） 和用于封装和缝合力的圆周框架纤维 （500μm） 组成。

PCL膜片制备过程及最终产物如图2A.B所示。通过拉伸应力应变实验证具有圆周框架的PCL膜片表现出良好机械性能（图2.C）。利用人永生化角质细胞进行生物学实验，证实了内部存在向心性辐条的PCL膜片能够促进细胞黏附、引导细胞迁移和促进细胞分化（图2.D-H）。

图2  PCL膜片的物理表征和生物学功能探索

在通常持续 3-5 天的炎症反应期间，生物材料需要保护它们携带的细胞。当外周环境变温和时，即在炎症期结束时，生物材料应及时降解以释放细胞，防止阻碍其生长和功能。GelMA作为GH水凝胶的主要成分，其质地柔软且易降解。少量HAMA与GelMA混合可减缓GH水凝胶的降解，增强其机械强度（图3.A）。

调配多种浓度的GH凝胶进行物理表征（图3.B-D）。随着HAMA浓度的增加，GH凝胶的机械强度增加，溶胀曲线无明显差异，但是降解时间呈明显不同。5% GelMA+0.25% HAMA

凝胶在第四天时开始快速降解，并于第七天时降解完毕，与伤口修复时炎症期的时间点基本符合，因此作为GH凝胶终选浓度。并且通过实验证实其良好的生物相容性（图3.E, F）。

图3 GH凝胶的物理表征和生物学功能探索

在材料植入后的初始阶段，虽然水凝胶可以减少炎症物质对细胞的影响，但它也阻碍了营养吸收，减缓了细胞增殖。因此，使用HP凝胶持续滋养细胞（图4A）。HAMA是透明质酸的一种改良形式，在伤口中缓慢降解。当与PRP结合时，释放出有益的生物活性因子。HP凝胶不仅在早期作为细胞增殖的营养来源，而且在后期作为细胞迁移的兴奋剂。

调配多种浓度的HP凝胶进行物理表征（图4.B-D）。随着HAMA浓度的增加，HP凝胶的机械强度增加，溶胀减小，降解变慢。表皮生长因子（EGF）作为释放指标进行缓释实验，证实5%HAMA + 20%PRP 释放因子速率稳定且合适，故以此浓度作为后续HP凝胶的浓度。通过用凝胶共培养细胞来评估HP凝胶对细胞增殖和迁移的影响，并最终证实HP凝胶促进角质形成细胞的增殖和迁移（图4.E-J）。

 图4 HP凝胶的物理表征和生物学功能探索

仿生皮肤采用逐层铸造构建，其中GH凝胶层嵌入PCL膜片，通过物理嵌合的方式稳定结合。接下来，GH和HP凝胶在405 nm光的激发下，在两者的表面产生C═C双键使之紧密结合。该仿生皮肤使细胞能够同时接受PCL膜和PRP的刺激：PCL膜促进细胞粘附和分化，而HP水凝胶促进细胞增殖和迁移（图5.A）。

建立了四组进行比较：仅具有 GH 水凝胶的空白组 （Blank）、包含 GH 水凝胶和 HP 水凝胶的对照组 （GHP）、由 PCL 膜和 GH 水凝胶组成的另一个对照组 （PCL） 以及具有完整皮肤结构的实验组 （MS）。仿生皮肤同样具有良好的机械强度（图5.B）。生物学实验中仿生皮肤保留了向心性PCL膜片和HP凝胶的功能，且二者同时存在时，相关基因、蛋白呈现显著性高表达（图5.C-G）。结果证实了，PCL膜和HP凝胶在仿生皮肤内具有协同作用，二者相互放大了彼此的生物学效应，同时保留了各自的功能。这种协同作用确保了仿生皮肤作为一个整体发挥更全面的作用。

图5 仿生皮肤的物理表征和生物学功能探索

图6 仿生皮肤促进伤口愈合的体内实验评估

使用大鼠的全层皮肤缺陷模型在体内评估仿生皮肤的功效（图6.A, B）。通过将PCL膜的外框缝合到伤口边缘周围的正常皮肤上，将完整的仿生皮肤与身体结合在一起。缺损区与仿生皮肤的直径差异使PCL膜在早期持续拉伸周围皮肤，并通过缝合的预张力加速伤口闭合。同时，水凝胶不断释放生物刺激以促进组织再生。因此，仿生皮肤通过结合机械和生物机制促进伤口闭合和修复。利用H&E和Masson染色进行组织学评估（图 6.C-F）。MS组显著促进肉芽组织再生，加速了胶原蛋白沉积，促进了伤口的修复。免疫荧光染色也证实了MS组具有最快的血管化和再上皮化进程（图7）。

图7 体内实验的免疫荧光染色结果

综上，这项研究设计开发了一种PCL/GelMA/HAMA/PRP仿生皮肤。通过模拟皮肤结构和伤口修复的生理过程，仿生皮肤有效地促进了伤口的早期闭合和快速愈合。在伤口修复的初始阶段，仿生皮肤的膜框架通过预张力帮助伤口闭合，同时细胞在水凝胶内增殖。随着时间的推移，框架逐渐降解，细胞从水凝胶中释放并沿着残留的膜迁移。整个过程中，皮下层水凝胶持续释放细胞因子，确保伤口得到全面的营养供给。这项研究不仅为皮肤损伤的治疗提供了新的解决方案，也为组织再生工程开辟了新的可能性。