吴成铁等在无机材料结合多细胞生物3D打印用于毛发再生方面取得重要研究进展

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毛囊作为皮肤组织的重要附属物，在毛发生长、体温调节、分泌等方面发挥着重要作用。然而，对于成年人来说，严重损伤的皮肤及脱发导致的毛囊严重退化或受损，会导致毛发无法再生。自体毛囊移植由于继发性创伤和有限来源限制了其应用，而同种异体移植则会引发免疫排斥反应导致毛囊重建失败。生物3D打印技术能够精准控制多种活细胞、生物材料、生长因子或其组合的三维空间分布，高度模拟复杂组织的结构和特性，进而诱导组织再生。因此，借助生物3D打印技术构建仿生多细胞支架有望解决毛囊和毛发再生难题。
　　近日，中国科学院上海硅酸盐研究所吴成铁研究员带领的研究团队在无机材料结合多细胞的生物3D打印用于毛囊及毛发再生方面取得重要进展。该研究团队设计了一种模拟皮肤毛囊和血管结构的仿生3D多细胞微图案，并通过将硅酸镁纳米微球（MS）引入3D微图案来调控多种细胞活性，实现毛发和血管的同时再生。

图1.生物3D打印含硅酸镁的仿生3D多细胞微图案用于毛发和血管再生

　　该团队运用生物3D打印技术，实现了真皮毛乳头细胞（HHDPC）和血管内皮细胞（HUVEC）的仿生图案化空间排布。带有红色荧光标记的血管内皮细胞呈现网络状分布，模拟皮肤真皮中密集的血管网络；带有绿色荧光标记的真皮毛乳头细胞呈现聚集性点状分布，模拟皮肤组织中的毛囊。这种仿生三维微图案能够在体外培养过程中保持稳定，微图案中的细胞活性在体外培养长时间（21天）仍然能够维持高活性。
　　体外表征结果显示Co-2MS-GM多细胞微图案中成血管和毛囊发育相关基因显著高表达，表明其兼具高成血管和成毛囊活性。在体外培养过程中观测到真皮毛乳头细胞自发迁移并聚集，形成类似真皮毛乳头结构的致密三维细胞球，为毛囊的形态发育奠定了基础。
　　接下来，该团队先后通过裸鼠模型和雄激素脱发（AGA）小鼠模型验证3D多细胞微图案的体内生物学活性。在裸鼠皮肤损伤修复的体内实验中，含MS的3D多细胞微图案能够有效促进新生皮肤组织中的血管化和毛囊重建。此外，通过建立雄激素性脱发小鼠模型进一步证实Co-2MS-GM多细胞微图案具有优异的促毛发再生效果，为毛囊退化和毛发缺失等相关疾病的治疗提供新策略。
　　该研究成果以“3D multicellular micropatterning biomaterials for hair regeneration and vascularization”为题发表在Materials Horizons期刊。论文链接：https://doi.org/10.1039/D3MH00528C，并申请专利一项。该论文第一作者为上海硅酸盐所博士研究生马景阁（已毕业），通讯作者为吴成铁研究员。
　　此外，针对植入物周围免疫微环境对于毛囊周期及再生的影响，该团队基于钼元素的免疫调节作用开发了一种基于钼酸钙（CM）纳米颗粒的生物墨水，并引入真皮毛乳头细胞和巨噬细胞构建出具有免疫调节功能的多细胞支架。支架通过释放Mo离子诱导巨噬细胞极化为M2表型，形成抗炎免疫微环境进一步刺激了真皮毛乳头细胞中毛囊生长期相关细胞因子的分泌。研究团队通过裸鼠创面、皮下植入和小鼠的雄激素脱发三种动物模型证实了该支架的免疫调节和诱导毛发再生作用。该研究成果以“3D bioprinting of calcium molybdate nanoparticles-containing immunomodulatory bioinks for hair regrowth”为题发表在Nano Today期刊。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nantod.2023.101917，并申请专利一项。该论文第一作者为上海硅酸盐所博士研究生吴金福，通讯作者为吴成铁研究员。
　　相关研究得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金、中国科学院创新交叉团队、上海市科委等基金的支持。
         文章来源：上海硅酸盐所
      吴成铁，博士生导师、中科院百人计划、德国洪堡学者、上海市优秀学科带头人和上海市浦江人才计划获得者，科技部863重点项目负责人。澳大利亚生物材料与组织工程协会会员、中国医师协会骨科再生医学工作组副主席、中国生物医学工程学会组织工程与再生医学分会委员、中国生物医学工程协会青年工作委员会委员、中国生物材料协会会员、中国生物医学工程协会会员。学术期刊“Applied Materials Today” 与 “Biomedical Glasses”副主编，“Acta Biomaterialia” “Progress in Natural Science: Materials International”, “Bioactive Materials”等杂志编委；澳大利亚国立健康医学研究司（NHMRC）项目评审专家。2006年初博士毕业于中科院上海硅酸盐研究所后，先后在澳大利亚悉尼大学、昆士兰科技大学及德国德累斯顿工业大学从事研究工作6年。主要从事介孔生物活性材料与硅基生物活性陶瓷用于硬组织修复材料的研究。2011年底获得中国科学院上海硅酸盐研究所海外杰出人才（中科院百人计划）引进，应聘回国从事科研工作。在国外先后主持并完成了瑞士“International Team for Implantology (ITI) Foundation”、德国洪堡委员会、澳大利亚ARC、悉尼大学及昆士兰科技大学等资助的科研项目。并获得德国洪堡研究员、澳大利亚ARC研究员（APDI）、悉尼大学研究员及昆士兰科技大学研究员等四个荣誉研究员（Fellowship）。主编CRC英文专著《Advanced bioactive inorganic materials for bone regeneration and drug delivery》一部，并参与撰写6本英文专著的章节。在生物材料相关领域发表SCI 期刊论文150多篇（第一作者60多篇, 通讯作者70多篇），主要包括Mater Today, Adv Funct Mater （2篇）, Biomaterials（17篇），J Control Release, Nanoscale（3篇）J Mater Chem (共19篇)，Acta Biomater (共26篇), Adv Mater Interface, Small, ACS Appl Mater& Interface, Bone, Tissue Eng, J R Soc Interface, Chem Asian J, J Biomed Mater Res A，Biomater Sci等。论文共被SCI引用3800余次，h指数37。共申请专利16项，获5项中国专利及2项美国专利（PCT）授权，其中2项中国专利与1项美国专利已经转让公司。