Использование трехмерной биопечати для регенерации кожи и заживления ран (обзор литературы)
https://doi.org/10.20538/1682-0363-2024-4-145-157
Аннотация
Трехмерная биопечать в настоящее время применяется в самых разных областях медицины, являясь движущей силой многих медицинских исследований. Эти исследования способствуют продвижению в область персонализированной медицины, включающих печать сложных человеческих органов для их использования в клинической практике. Одним из ведущих направлений в продвижении трехмерной биопечати является разработка биочернил определенного состава с заданными свойствами.
Цель настоящего систематического обзора состоит в анализе данных современных биомедицинских исследований, касающихся оценки эффективности использования трехмерной биопечати для регенерации кожи и заживления ран. Всеобъемлющий поиск всех релевантных оригинальных статей выполнили на основе заранее определенных критериев приемлемости. Поиск проводили с использованием платформ PubMed, Web of Science, Scopus, Medline Ovid и ScienceDirect.
В результате сужения области поиска из 2 256 статей отобрали 18, полностью соответствовавших критериям включения. Во все отобранные исследования было включено 159 животных с раневыми дефектами. В качестве биочернил чаще всего использовали коллагеновые и желатиновые гидрогели. В части клеточного компонента превалировали аллогенные фибробласты и кератиноциты. Период наблюдения колебался от 1 сут до 6 нед. В большинстве включенных исследований на животных полное закрытие раны достигалось через 2–4 нед.
Результаты как in vitro, так и in vivo показали положительное влияние напечатанных биоинженерных конструкций на ускорение заживления ран. Особый интерес представляет исследование, где биопечать выполняется непосредственно в ране in situ.
Проведенное исследование позволяет сделать вывод о необходимости отработки технологии биопечати тканей для лечения кожных ран на животных моделях с использованием стандартизированных параметров, чтобы открыть двери для клинических испытаний на людях.
Ключевые слова
Об авторах
И. А. БарсукРоссия
Барсук Илья Александрович – адъюнкт при научно-исследовательском отделе (медико-биологических исследований) научно-исследовательского центра,
194044, г. Санкт-Петербург, ул. Академика Лебедева, 6
К. П. Головко
Россия
Головко Константин Петрович – д-р мед. наук, доцент, начальник научно-исследовательского центра, 194044, г. Санкт-Петербург, ул. Академика Лебедева, 6;
199034, г. Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9
В. Н. Александров
Россия
Александров Виктор Николаевич – д-р мед. наук, профессор, начальник научно-исследовательской лаборатории (тканевой инженерии) научно-исследовательского отдела (медико-биологических исследований) научно-исследовательского центра,
194044, г. Санкт-Петербург, ул. Академика Лебедева, 6
А. Р. Хасанов
Россия
Хасанов Артур Ришатович – адъюнкт при научно-исследовательском отделе (медико-биологических исследований) научно-исследовательского центра, 194044, г. Санкт-Петербург, ул. Академика Лебедева, 6;
194100, г. Санкт-Петербург, ул. Литовская, 2
Н. И. Эдгеев
Россия
Эдгеев Наран Игоревич – начальник хирургического отделения,
184310, г. Заозерск, ул. Матроса Рябинина, 22
Р. И. Галиуллин
Россия
Галиуллин Ринат Ильмирович – старший ординатор хирургического отделения,
184310, г. Заозерск, ул. Матроса Рябинина, 22
Список литературы
1. Sen C.K. Human wounds and its burden: an updated compendium of estimates. Adv. Wound Care. 2019;8(2):39–48. DOI: 10.1089/wound.2019.0946.
2. Beldon P. Basic science of wound healing. Surgery. 2010;28(9):409–412. DOI: 10.1016/j.mpsur.2010.05.007
3. Dhivya S., Padma V.V., Santhini E. Wound dressings – a review. BioMedicine. 2015;5(4):22. DOI: 10.7603/s40681-015-0022-9.
4. Chouhan D., Dey N., Bhardwaj N., Mandal B.B. Emerging and innovative approaches for wound healing and skin regeneration: status and advances. Biomaterials. 2019;216:119267. DOI: 10.1016/j.biomaterials.2019.119267.
5. Ferry P.W. Melchels, Marco A.N. Domingos, Travis J. Klein, Jos Malda, Paulo J. Bartolo, Dietmar W. Hutmacher. Additive manufacturing of tissues and organs. Prog. Polym. Sci. 2012;37(8):1079–1104. DOI: 10.1016/j.progpolymsci.2011.11.007.
6. He P., Zhao J., Zhang J., Li B., Gou Z., Gou M., Li X. Bioprinting of skin constructs for wound healing. Burn. Trauma. 2018;6:5. DOI: 10.1186/s41038-017-0104-x.
7. Groll J., Burdick J.A., Cho D.W., Derby B. Gelinsky M., Heilshorn S.C., Jüngst T. et al. A definition of bioinks and their distinction from biomaterial inks. Biofabrication. 2019;11(1):013001. DOI: 10.1088/1758-5090/aaec52.
8. Cui H., Nowicki M., Fisher J.P., Zhang L.G. 3D bioprinting for organ regeneration. Advanced Healthcare Materials. 2017;6(1):1601118. DOI:10.1002/adhm.201601118.
9. Gopinathan J., Noh I. Recent trends in bioinks for 3D printing. Biomater. Res. 2018;22:1–15. DOI: 10.1186/s40824-018-0122-1.
10. Panwar A., Tan L.P. Current status of bioinks for micro-extrusion-based 3D bioprinting. Molecules. 2016;21(6):685. DOI: 10.3390/molecules21060685.
11. Xia Z., Jin S., Ye K. Tissue and оrgan 3D вioprinting. SLAS Technol. 2018;23(4):301–314. DOI: 10.1177/24726 30318760515.
12. Ng W.L., Wang S., Yeong W.Y., Naing M.W. Skin bioprinting: impending reality or fantasy? Trends Biotechnol. 2016;34(9):689–699. DOI: 10.1016/j.tibtech.2016.04.006.
13. Kumar A., Starly B. Large scale industrialized cell expansion: Producing the critical raw material for biofabrication processes. Biofabrication. 2015;7(4):44103. DOI: 10.1088/1758-5090/7/4/044103.
14. Griffith L.G., Swartz M.A. Capturing complex 3D tissue physiology in vitro. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 2006;7(3):211–224. DOI: 10.1038/nrm1858.
15. Ahmed E.M. Hydrogel: рreparation, characterization, and applications: A review. J. Adv. Res. 2015;6(2):105–121. DOI: 10.1016/j.jare.2013.07.006.
16. Yamamoto M., James D., Li H., Butler J., Rafii S., Rabbany S. Generation of stable co-cultures of vascular cells in a honeycomb alginate scaffold. Tissue Engineering. Part A. 2010;16(1):299–308. DOI: 10.1089/ten.TEA.2009.0010.
17. Thomas B.H., Craig Fryman J., Liu K., Mason J. Hydrophilichydrophobic hydrogels for cartilage replacement. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2009;2(6):588–595. DOI: 10.1016/j.jmbbm.2008.08.001.
18. Zhu J., Marchant R.E. Design properties of hydrogel tissue-engineering scaffolds. Expert Review of Medical Devices. 2011;8(5):607–626. DOI: 10.1586/erd.11.27.
19. Montero F.E., Rezende R.A., da Silva J.V., Sabino M.A. Development of a smart bioink for bioprinting applications. Front. Mech. Eng. 2019;5(56):1–12. DOI: 10.3389/fmech.2019.00056.
20. Valot L., Martinez J., Mehdi A., Subra G. Chemical insights into bioinks for 3D printing. Chem. Soc. Rev. 2019;48(15):4049–4086. DOI: 10.1039/C7CS00718C.
21. Kim J.E., Kim S.H., Jung Y. Current status of three-dimensional printing inks for soft tissue regeneration. Tissue Eng. Regen. Med. 2016;13(6):636–646. DOI: 10.1007/s13770-016-0125-8.
22. Liberati A., Altman D.G., Tetzlaff J., Mulrow C., Gøtzsche P.C., Ioannidis J.P. et al. The PRISMA statement for reporting systematic reviews and meta-analyses of studies that evaluate health care interventions: Explanation and elaboration. J. Clin. Epidemiol. 2009;62(10):e1–34. DOI: 10.1016/j.jclinepi.2009.06.006.
23. Heidenreich A.C., Pérez-Recalde M., González Wusener A., Hermida É.B. Collagen and chitosan blends for 3D bioprinting: A rheological and printability approach. Polym. Test. 2020;82:106297. DOI: 10.1016/j.polymertesting.2019.106297.
24. Xu W., Molino B.Z., Cheng F., Molino P.J., Yue Z., Su D. et al. On low-concentration inks formulated by nanocellulose assisted with gelatin methacrylate (GelMA) for 3D printing toward wound healing application. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2019;11(9):8838–8848. DOI: 10.1021/acsami.8b21268.
25. Chen X., Yue Z., Winberg P.C., Dinoro J.N., Hayes P., Beirne S., Wallace G.G. Development of rhamnose-rich hydrogels based on sulfated xylorhamno-uronic acid toward wound healing applications. Biomater. Sci. 2019;7(8):3497– 3509. DOI: 10.1039/C9BM00480G.
26. Shi L., Hu Y., Ullah M.W., Ullah I., Ou H., Zhang W. et al. Cryogenic free-form extrusion bioprinting of decellularized small intestinal submucosa for potential applications in skin tissue engineering. Biofabrication. 2019;11(3):035023. DOI: 10.1088/1758-5090/ab15a9.
27. Osidak E.O., Karalkin P.A., Osidak M.S., Parfenov V.A., Sivogrivov D.E., Pereira F.D.A.S. et al. Viscoll collagen solution as a novel bioink for direct 3D bioprinting. J. Mater. Sci. Mater. Med. 2019;30(3):31. DOI: 10.1007/s10856-019-6233-y.
28. Liu P., Shen H., Zhi Y., Si J., Shi J., Guo L. et al. 3D bioprinting and in vitro study of bilayered membranous construct with human cells-laden alginate/gelatin composite hydrogels. Colloids Surfaces B Biointerfaces. 2019;181:1026–1034. DOI: 10.1016/j.colsurfb.2019.06.069.
29. Huang L., Du X., Fan S., Yang G., Shao H., Li D. et al. Bacterial cellulose nanofibers promote stress and fidelity of 3D-printed silk based hydrogel scaffold with hierarchical pores. Carbohydr. Polym. 2019;221:146–156. DOI: 10.1016/j.carbpol.2019.05.080.
30. Albanna M., Binder K.W., Murphy S.V., Kim J., Qasem S.A., Zhao W. et al. In situ bioprinting of autologous skin cells accelerates wound healing of extensive excisional full-thickness wounds. Sci. Rep. 2019;9(1):1–15. DOI: 10.1038/s41598- 018-38366-w.
31. Xu C., Zhang Molino B., Wang X., Cheng F., Xu W., Molino P. et al. 3D printing of nanocellulose hydrogel scaffolds with tunable mechanical strength towards wound healing application. J. Mater. Chem. B. 2018;6(43):7066–7075. DOI: 10.1039/C8TB01757C.
32. Shi L., Xiong L., Hu Y., Li W., Chen Z.C., Liu K. et al. Three-dimensional printing alginate/gelatin scaffolds as dermal substitutes for skin tissue engineering. Polym. Eng. Sci. 2018;58(10):1782–1790. DOI: 10.1002/pen.24779.
33. Nocera A.D., Comín R., Salvatierra N.A., Cid M.P. Development of 3D printed fibrillar collagen scaffold for tissue engineering. Biomed. Microdevices. 2018;20(2):1–13. DOI: 10.1007/s10544-018-0270-z.
34. Kim B.S., Kwon Y.W., Kong J.S., Park G.T., Gao G., Han W. et al. 3D cell printing of in vitro stabilized skin model and in vivo pre-vascularized skin patch using tissue-specific extracellular matrix bioink: A step towards advanced skin tissue engineering. Biomaterials. 2018;168:38–53. DOI: 10.1016/j.biomaterials.2018.03.040.
35. Datta S., Sarkar R., Vyas V., Bhutoria S., Barui A., Chowdhury A.R. et al. Alginate-honey bioinks with improved cell responses for applications as bioprinted tissue engineered constructs. J. Mater. Res. 2018;33:2029–2039. DOI: 10.1557/jmr.2018.202.
36. Dong J.C., Sang J.P., Bon K.G., Young-Jin K., Seok C., Chun-Ho K. Effect of the pore size in a 3D bioprinted gelatin scaffold on fibroblast proliferation. J. Ind. Eng. Chem. 2018;67:388–395. DOI: 10.1016/j.jiec.2018.07.013.
37. Chen C.S., Zeng F., Xiao X., Wang Z., Li X.L., Tan R.W. et al. Three-dimensionally printed silk-sericin-based hydrogel scaffold: a promising visualized dressing material for real-time monitoring of wounds. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2018;10(40):33879–33890. DOI: 10.1021/acsami.8b10072.
38. Xiong S., Zhang X., Lu P., Wu Y., Wang Q., Sun H. et al. A Gelatin-sulfonated silk composite scaffold based on 3D printing technology enhances skin regeneration by stimulating epidermal growth and dermal neovascularization. Sci. Rep. 2017;7(1):1–12. DOI: 10.1038/s41598-017-04149-y.
39. Liu J., Chi J., Wang K., Liu X., Gu F. Full-thickness wound healing using 3D bioprinted gelatin-alginate scaffolds in mice: A histopathological study. Int. J. Clin. Exp. Pathol. 2016;9:11197–11205.
40. Lee V., Singh G., Trasatti J.P., Bjornsson C., Xu X., Tran T.N. et al. Design and fabrication of human skin by three-dimensional bioprinting. Tissue Eng. Part C Methods. 2014;20(6):473–484. DOI: 10.1089/ten.tec.2013.0335.
41. Guillemot F., Mironov V., Nakamura M. Bioprinting is coming of age: report from the international conference on bio printing and bio fabrication in Bordeaux (3B’09). Biofabrication. 2010;2(1):010201. DOI: 10.1088/1758-5082/2/1/010201.
42. Peltola S.M., Melchels F.P., Grijpma D.W., Kellomäki M. A review of rapid prototyping techniques for tissue engineering purposes. Ann. Med. 2008;40(4):268–280. DOI: 10.1080/07853890701881788.
43. Malda J., Visser J., Melchels F.P., Jüngst T., Hennink W.E., Dhert W.J. et al. 25th anniversary article: Engineering hydrogels for biofabrication. Advanced materials (Deerfield Beach, Fla.). 2013;25(36):5011–5028. DOI: 10.1002/adma.201302042.
44. Chang R., Nam J., Sun W. Effects of dispensing pressure and nozzle diameter on cell survival from solid freeform fabrication-based direct cell writing. Tissue Eng. Part A. 2008;14(1):41–48. DOI: 10.1089/ten.a.2007.0004.
45. Gaspar-Pintiliescu A., Stefan L.M., Anton E.D., Berger D., Matei C., Negreanu-Pirjol T. et al. Physicochemical and biological properties of gelatin extracted from marine snail Rapana venosa. Marine Drugs. 2019;17(10):589. DOI: 10.3390/md17100589.
46. Chiou B., Avena-Bustillos R.D., Bechtel P.J., Jafri H., Narayan R., Imama S.H. et al. Cold water fish gelatin films: Effects of cross-linking on thermal, mechanical, barrier, and biodegradation properties. European Polymer Journal. 2008;44(11):3748– 3753. DOI: 10.1016/j.eurpolymj.2008.08.011.
47. Sakai S., Hirose K., Taguchi K., Ogushi Y., Kawakami K. An injectable, in situ enzymatically gellable, gelatin derivative for drug delivery and tissue engineering. Biomateri als. 2009;30(20):3371–3377. DOI: 10.1016/j.biomaterials.2009.03.030.
48. Jung H., Pena-Francesch A., Saadat A., Sebastian A., Kim D.H., Hamilton R.F. et al. Molecular tandem repeat strategy for elucidating mechanical properties of high-strength proteins. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2016;113(23):6478–6483. DOI: 10.1073/pnas.1521645113.
49. Ozbolat I.T., Hospodiuk M. Current advances and future perspectives in extrusion-based bioprinting. Biomaterials. 2016;76:321–343. DOI: 10.1016/j.biomaterials.2015.10.076.
50. Dzobo K., Motaung K.S.C.M., Adesida A. Recent trends in decellularized extracellular matrix bioinks for 3D printing: An updated review. Int. J. Mol. Sci. 2019;20(18):4628. DOI: 10.3390/ijms20184628.
51. Mitchell A.C., Briquez P.S., Hubbell J.A., Cochran J.R. Engineering growth factors for regenerative medicine applications. Acta Biomater. 2016;30:1–12. DOI: 10.1016/j.actbio.2015.11.007.
Рецензия
Для цитирования:
Барсук И.А., Головко К.П., Александров В.Н., Хасанов А.Р., Эдгеев Н.И., Галиуллин Р.И. Использование трехмерной биопечати для регенерации кожи и заживления ран (обзор литературы). Бюллетень сибирской медицины. 2024;23(4):145-157. https://doi.org/10.20538/1682-0363-2024-4-145-157
For citation:
Barsuk I.A., Golovko K.P., Alexandrov V.N., Khasanov A.R., Edgeev N.I., Galiullin R.I. The use of three-dimensional bioprinting for skin regeneration and wound healing (literature review). Bulletin of Siberian Medicine. 2024;23(4):145-157. https://doi.org/10.20538/1682-0363-2024-4-145-157