3D-gedruckte Haut schließt Wunden und enthält Haarfollikel-Vorläufer

Laut Forschern, die kürzlich Fettzellen und Stützstrukturen aus klinisch gewonnenem menschlichem Gewebe genutzt haben, um Verletzungen bei Ratten präzise zu korrigieren, ist Fettgewebe der Schlüssel zum 3D-Druck geschichteter lebender Haut und möglicherweise Haarfollikel. Der Fortschritt könnte Auswirkungen auf die rekonstruktive Gesichtschirurgie und sogar Haarwuchsbehandlungen beim Menschen haben.

Die Ergebnisse des Teams waren veröffentlicht 1. März in Bioaktive Materialien. Das US-Patent- und Markenamt erteilte dem Team im Februar ein Patent für die von ihm entwickelte und in dieser Studie verwendete Bioprinting-Technologie.

„Rekonstruktive Operationen zur Korrektur von Traumata im Gesicht oder am Kopf aufgrund von Verletzungen oder Krankheiten sind in der Regel unvollkommen und führen zu Narbenbildung oder dauerhaftem Haarausfall“, sagte Ibrahim T. Ozbolat, Professor für Ingenieurwissenschaften und Mechanik, Biomedizintechnik und Neurochirurgie an der Penn State , der die internationale Zusammenarbeit leitete, die die Arbeit durchführte.

„Mit dieser Arbeit demonstrieren wir biogedruckte Haut voller Dicke mit dem Potenzial, bei Ratten Haare wachsen zu lassen. Das ist ein Schritt näher an der Möglichkeit, eine natürlicher aussehende und ästhetisch ansprechendere Kopf- und Gesichtsrekonstruktion beim Menschen zu erreichen.“

Während Wissenschaftler zuvor dünne Hautschichten in 3D biogedruckt haben, sind Ozbolat und sein Team die ersten, die intraoperativ ein vollständiges, lebendes System aus mehreren Hautschichten, einschließlich der untersten Schicht oder Unterhaut, drucken konnten. „Intraoperativ“ bezieht sich auf die Möglichkeit, das Gewebe während der Operation zu drucken, was bedeutet, dass der Ansatz verwendet werden kann, um geschädigte Haut schneller und nahtloser zu reparieren, sagten die Forscher.

Die oberste Schicht – die Epidermis, die als sichtbare Haut dient – ​​bildet sich mit Unterstützung der mittleren Schicht selbstständig und muss daher nicht gedruckt werden. Die aus Bindegewebe und Fett bestehende Unterhaut sorgt für Struktur und Halt über dem Schädel.

„Die Unterhaut ist direkt an dem Prozess beteiligt, durch den Stammzellen fett werden“, sagte Ozbolat. „Dieser Prozess ist für mehrere lebenswichtige Prozesse, einschließlich der Wundheilung, von entscheidender Bedeutung. Er spielt auch eine Rolle beim Zyklus der Haarfollikel, insbesondere bei der Erleichterung des Haarwachstums.“

Die Forscher begannen mit menschlichem Fettgewebe, das von Patienten gewonnen wurde, die sich einer Operation am Penn State Health Milton S. Hershey Medical Center unterzogen. Mitarbeiter Dino J. Ravnic, außerordentlicher Professor für Chirurgie in der Abteilung für Plastische Chirurgie am Penn State College of Medicine, leitete sein Labor bei der Gewinnung des Fetts für die Extraktion der extrazellulären Matrix – dem Netzwerk aus Molekülen und Proteinen, das dem Körper Struktur und Stabilität verleiht Gewebe – um eine Komponente der Bioink herzustellen.

Ravnics Team gewann außerdem Stammzellen aus dem Fettgewebe, die das Potenzial haben, in verschiedenen Zelltypen heranzureifen, wenn sie in der richtigen Umgebung eine weitere Bioink-Komponente bilden. Jede Komponente wurde in eines von drei Fächern im Bioprinter geladen. Das dritte Fach wurde mit einer Gerinnungslösung gefüllt, die den anderen Komponenten hilft, sich richtig an der verletzten Stelle zu binden.

„Die drei Kompartimente ermöglichen es uns, die Matrix-Fibrinogen-Mischung zusammen mit den Stammzellen mit präziser Kontrolle gemeinsam zu drucken“, sagte Ozbolat. „Wir haben direkt in die Verletzungsstelle gedruckt, mit dem Ziel, die Unterhaut zu bilden, die bei der Wundheilung, der Haarfollikelbildung, der Temperaturregulierung und mehr hilft.“

Sie erreichten sowohl die Unterhaut- als auch die Dermisschicht, wobei sich die Epidermis innerhalb von zwei Wochen von selbst bildete.

„Wir haben drei Studienreihen an Ratten durchgeführt, um die Rolle der Fettmatrix besser zu verstehen, und wir haben herausgefunden, dass die gemeinsame Abgabe der Matrix und der Stammzellen für die subkutane Bildung entscheidend ist“, sagte Ozbolat. „Es funktioniert nicht effektiv nur mit den Zellen oder nur mit der Matrix – es muss gleichzeitig funktionieren.“

Sie fanden auch heraus, dass die Unterhaut Auswüchse enthielt, das Anfangsstadium der frühen Haarfollikelbildung. Laut den Forschern tragen Fettzellen zwar nicht direkt zur Zellstruktur der Haarfollikel bei, sind aber an deren Regulierung und Erhaltung beteiligt.

„In unseren Experimenten haben die Fettzellen möglicherweise die extrazelluläre Matrix verändert, um die Bildung von Abwärtswachstum stärker zu unterstützen“, sagte Ozbolat. „Wir arbeiten daran, dies voranzutreiben, um die Haarfollikel mit kontrollierter Dichte, Ausrichtung und Wachstum heranreifen zu lassen.“

Laut Ozbolat kann die Fähigkeit, Haare an verletzten oder erkrankten Traumastellen präzise wachsen zu lassen, das natürliche Aussehen einer rekonstruktiven Chirurgie einschränken. Er sagte, dass diese Arbeit einen „hoffnungsvollen Weg nach vorne“ biete, insbesondere in Kombination mit anderen Projekten aus seinem Labor, bei denen es um das Drucken von Knochen und die Untersuchung geht, wie man die Pigmentierung auf eine Reihe von Hauttönen abstimmen kann.

„Wir glauben, dass dies in der Dermatologie, bei Haartransplantationen sowie bei plastischen und rekonstruktiven Operationen angewendet werden könnte – es könnte zu einem weitaus ästhetischeren Ergebnis führen“, sagte Ozbolat.

„Mit der vollautomatischen Bioprinting-Fähigkeit und kompatiblen Materialien auf klinischem Niveau könnte diese Technologie einen erheblichen Einfluss auf die klinische Umsetzung präzise rekonstruierter Haut haben.“