在实验室中培养细胞是一门人类几十年前就掌握的艺术。重建整个三维组织则要困难得多。研究人员正在开发一种新的基于水凝胶的材料，使得工程化人工皮肤组织成为可能，这可以作为人类皮肤的活体三维模型，以更好地理解和治疗皮肤疾病。
皮肤是人体最大的器官。它占我们体重的约15%，保护我们免受病原体、脱水和温度极端的影响。因此，皮肤疾病不仅仅是不愉快的，它们对受影响的患者来说可以迅速变得危险。尽管皮肤癌、慢性创伤和自身免疫性皮肤病等疾病相对普遍，但我们常常仍然不完全理解它们为何发生以及如何有效治疗。
为了找到这些问题的答案，Empa研究人员与临床合作伙伴共同研发一种人类皮肤模型。该模型将允许科学家模拟皮肤疾病，从而更好地理解这些疾病。这并不是计算机模型或塑料模型。Empa的仿生膜和纺织物实验室及其生物界面实验室的研究人员旨在生产一种含有细胞的活体“人工皮肤”，并模拟人类皮肤的分层和皱纹结构。
为了重新创建像皮肤一样复杂的东西，需要适合的构建材料。这就是Empa研究人员最近取得进展的地方：他们开发出一种满足复杂要求且易于制造的水凝胶。这一基础材料是：来自冷水鱼皮的明胶。
不仅仅是细胞
像大多数组织一样，皮肤由嵌入在所谓的细胞外基质中的细胞组成：一种蛋白质和其他生物分子的网络，为组织提供形状和结构，并支持细胞。细胞外基质因组织而异——在皮肤的情况下甚至因层而异。使用适当的替代物来工程化一个代表性的皮肤模型是至关重要的。
模拟细胞外基质的一种方法是使用水凝胶：特殊的聚合物，其链条交联使其能够吸收大量水和其他液体。它们特别适合于模拟含有大量水和其他液体的皮肤细胞外基质。此外，许多水凝胶可以使用3D打印机加工。“3D打印对于皮肤模型的开发非常强大。皮肤细胞可以以特定的图案嵌入水凝胶基质中，而不是随机放置，”联合研究小组组织再生软材料的组长魏孔畅（Kongchang Wei）说。“3D打印允许我们将多种材料和细胞类型结合成一个结构——就像真正的皮肤一样。”
然而，由于吸水的能力，大多数水凝胶在3D打印后首次接触液体时会显著膨胀。膨胀改变了它们的形状，使它们与设计的分层皮肤模型不同。尽管存在不膨胀的水凝胶，但它们通常非常难以生产或3D打印。“我们发现自然已经拥有一个更简单、更优雅的解决方案，”魏说。来自鳕鱼、明太鱼和黑线鳕等冷水鱼的明胶可以通过几个步骤交联，转化为一种不膨胀的水凝胶，可与皮肤细胞一起打印。
“对于我们的皮肤模型，目标是包括不仅仅是真皮和表皮层，还包括这两个皮肤层之间的表皮-真皮交界处（也称为基膜）。”魏说。“利用冷水鱼明胶水凝胶和另一种聚合物加工技术，电纺丝，我们正接近这个目标。”
从皮肤研究到伤口愈合
更重要的是：不添加活细胞，水凝胶也可以用作敷料材料。与由动物明胶制成的水凝胶类似，最终材料与人类皮肤细胞生物相容，可进行3D打印。然而，它具有一个至关重要的区别特征：由于鱼在进化上与人类的关系相对较远，鱼明胶导致的免疫反应较少，并且与基于哺乳动物明胶的类似材料相比，传播疾病的风险较低。“鱼皮目前正在被研究作为一种有前途的伤口愈合工具，”魏说。“我们的水凝胶更均匀、更安全，可以精准地根据患者的需求进行定制，例如不同的形状、厚度和硬度。甚至可以考虑整合药物，”研究人员解释说。
基于这些原因，研究人员已为他们的鱼明胶基水凝胶申请了专利。在下一步中，他们计划完成活体皮肤模型的开发，并将其提供给其他科学家。“我们希望这能促进对皮肤疾病发展和治疗的更好理解，”魏说。Empa的研究人员也计划更深入地研究他们的水凝胶的异常膨胀特性。
