生物打印的人体皮肤有望助力结束动物实验并提高皮肤移植能力

在抗击全球大流行的新冠病毒斗争中，3D打印备受瞩目。为了能够以较低的成本快速生产出医疗和个人防护装备，制造商纷纷转向了3D打印，期望能火速制造出测试套件中的拭子、呼吸机的阀门、面罩和其他供一线重要岗位工作人员使用的物品 。

印度的初创公司NBIL实验室目前正将3D打印提升到一个新的水平，他们利用这项技术对人体皮肤进行了生物打印。生物打印使用生物材料（例如细胞）来创建一种可加载到生物打印机中的生物墨水。

作为人体最大的器官，皮肤是抵御有害细菌侵袭的第一道防线。它调节人的体温并给人以触觉。皮肤是由多层组织构成的，这一特点非常适合使用分层3D打印。

NBIL实验室利用团队在增材制造、合成生物学、材料科学和计算设计方面的专业知识，希望最终能够为印度的十几亿人口带来积极的改变。

NBIL实验室的联合创始人Alok Medikepura Anil说：“我们试图创造的是人体皮肤的复制品，因此我们不仅需要了解皮肤的生物特性，而且还需要了解皮肤的物理结构。”Anil曾是汽车和航空航天行业的3D打印专家，为了让自己的才能发挥更大的作用，后来转向了生物技术。

NBIL实验室建立了一个三步流程来创建他们自己版本的人体皮肤，该公司称之为Innoskin（以下译为 “创新皮肤”）。在第一阶段，即生物打印预备阶段，研究小组从皮肤组织样本中提取皮肤细胞并将其存储在细胞库中。然后，他们将这些细胞与公司专有的生物墨水配方进行混合，接着将其输入生物打印机中进入生物打印阶段。

“在进行生物打印时，我们根据特定的尺寸、形状和维度打印出三维结构的组织雏形，”Anil说。“这些结构创建完毕之后，其内部就充满了细胞。”

之后，在生物打印的最后阶段，细胞结构被移至一个培养箱中。培养箱被设定为适宜的生长条件：除了其他因素外，温度为37°C，氧气含量为95％，类似于正常血液水平，细胞结构就像在人体内生长一样。14天后，这些细胞长成皮肤组织，形成表皮及四个亚层。

NBIL实验室使用衍生式设计降低了其生物打印机Trivima的重量。“这对于尽可能多地控制机器（甚至精细到微米级别）来说是至关重要的，”Anil说。

该团队还使用欧特克Eagle来定制Trivima的打印电路板，并使用Fusion 360来设计生物打印机的钣金组件。“机器的坚固非常重要，”Anil说。“机器中即使有微小的移动也可能会影响到打印的质量，所以钣金是我们的首选。”

NBIL实验室目前正在对“创新皮肤”进行验证，具体方式是将其生物打印皮肤的生物特性与实际人体皮肤的生物特性进行比较，并测试3D打印的皮肤在模拟人体外层皮肤方面的接近程度。该公司计划在今年推出“创新皮肤”。

在实验室培育皮肤是一个活跃的研究领域，尤其是在许多行业放弃动物实验继而转向更符合道德的解决方案的大环境下。比如，MatTek公司的Epiderm和欧莱雅公司（L’Oreal）的EpiSkin这两种产品都是在陪替氏培养皿中培养的。它们在发布之前，被用于测试化学物品、化妆品、家用物品和药品。

但是，“创新皮肤”与实验室培养皮肤不同的地方在于其适中的价格、产品之间的一致性和可扩展性。“常规培养不能提供所需的批次效率，这意味着每个批次都可能会因人为的错误而造成差异，”Anil说。“使用3D>生物打印的皮肤，人们可以使用系列生物打印机来制作皮肤模型，也可以减少批次之间的差异，这对于寻求标准化测试模型的行业来说是一个很大的优势。另外，这种方法还有可扩展和降低成本的能力。”

除了制造一种可能代替动物实验的产品之外，NBIL实验室还希望将“创新皮肤”带入医疗领域供临床使用，例如患者在受伤后的皮肤移植。“有些患者因为烧伤需要皮肤移植，我们期望能够为他们提供这种服务，”Anil说。“通过生物打印，我们可以使用患者自己的皮肤细胞在实验室中为他们创建出个性化皮肤。”

NBIL实验室使用衍生式设计来制作Trivima打印机的某些组件，例如这些支架。NBIL实验室供图。

使用衍生式设计以减轻Trivima零件的重量，这有助于NBIL实验室增强对机器输出的控制。NBIL实验室供图。

NBIL实验室还与默克（Merck）制药公司合作，探索该公司的生物打印技术是否能够加快制作的流程并降低药物开发的成本。鉴于生物打印是一个新兴领域，为了进一步的发展和产品的改善，NBIL实验室非常理解建立合作关系的重要性。

“生物打印方兴未艾，研究人员在各自的办公室工作，”Anil说。“我们已经开始与世界各地的研究实验室、学术机构和业内的同行建立联系，因为我们认为合作才是成功的关键。”