3D 打印皮肤：有望替代化妆品中的动物实验

大多数人从未考虑过化妆品等日常用品所需的大量研究和测试。从研究和开发新的色调和颜色，一直到安全测试，化妆品行业是一个依靠各种方法确保其产品安全的先进行业。以下是一个工程师团队如何通过引入 3D 打印活体皮肤来减少市场上的动物试验。

为什么化妆品行业仍在使用动物实验？

过去，动物试验是化妆品或医学研究人员在生物身上测试产品的主要方式。早期，这些测试非常简单，只需将产品放在动物身上并监测其行为。

在过去的一个世纪里，动物试验的能力得到了大幅提升。研究人员可以在其他生物身上培育人体器官和其他重要身体部位，以提高测试的准确性。

此外，先进的计算机建模可以进行模拟测试。在大多数情况下，这种方法比动物试验更经济、更快、更准确。然而，尽管取得了这些进步，仍有许多化妆品和医药公司依赖动物试验来检测其产品。

动物实验的伦理与科学问题

动物试验存在一些明显的伦理问题。首先，虐待和残害这些试验对象的行为由来已久。这些问题在 2010 年达到了白热化。

就在那时，欧盟推出了一系列动物试验限制措施，总体目标是在未来几年内逐步淘汰这种做法。 值得庆幸的是，一个由创新工程师组成的团队可能已经找到了一个可行的解决方案。

三维打印皮肤如何取代实验室动物实验

研究"用于组织工程的自立（纳米）纤维素基三维支架的制造规程"¹ 深入探讨了一种新型 3D 打印方法，该方法将定制墨水与专有打印技术相结合，可打印出活生生的仿真皮肤。

这种人工培植的皮肤将来可以让工程师们在不使用任何动物的情况下进行体外测试，例如测量化妆品和药物中纳米颗粒的吸收和毒性。

利用三维支架培育人类皮肤细胞进行测试

格拉茨理工大学（TU Graz）和印度韦洛尔理工学院（VIT）的研究人员利用专有的三维打印机和组件，制造出由纳米纤维材料制成的多孔支架。 这些三维支架现已成为检测行业的重要组成部分。

是什么让 3D 打印皮肤成为可行的测试平台？

在讨论动物试验时，三维支架与替代品相比有一些明显的优势。首先，不会伤害动物。此外，它还能准确模拟细胞外基质（ECM）。这种能力允许工程师培育各种细胞，这些细胞将像在体内一样成熟，使工程师能够有效地测试他们的产品和治疗方法。

与其他细胞生长方法不同，三维支架可提供结构支持和定制。例如，三维支架工程师可以定制孔隙结构、生物相容性和其他关键细节，如支持哺乳动物细胞粘附和增殖的能力。

研究小组决定将植物资源作为研究方法的一部分。他们知道，他们希望在纳米尺度上实现高机械强度和大面积表面。经过大量研究，他们确定纳米纤维素 (NFC)、羧甲基纤维素 (CMC) 和柠檬酸 (CA) 的组合将提供他们所需的协同方法。

用于制造合成皮肤支架的 3D 打印机和工具

具体来说，该团队选择了带有定制打印喷嘴的 BioScaffolder 3.1 3D 打印机。工程师们随后使用 GeSiM Robotics BS3.1/3.2 软件对压力和股距等关键细节进行编程。这种安排将分配压力设置在 220 kPa-260 kPa 范围内，股距为 500 μm-900 μm，股高为 0.2 mm。

科学家选择的打印速度为 15 毫米/秒，Z 偏移为 0.0 毫米。这一策略与水凝胶的高含水量配合得很好。高含水量也为细胞生长提供了理想的环境，但却使打印变得复杂。

为了应对水合作用的增加，工程师们创造了一种带有羧基的纤维素衍生物。这种化学物质提高了保水性和粘附性。它还提高了保水性、交联性、界面粘附性和离子交联能力，使其成为组织工程构建物的理想添加剂。值得注意的是，柠檬酸是一种天然交联剂和共价键增强剂，有助于稳定支架结构，同时保持生物相容性。

用于稳定 3D 打印支架的冻干工艺

冷冻干燥是另一种用于去除水凝胶中多余水分的方法。这种方法非常理想，因为它既能去除多余水分，又能保持多孔结构完好无损。温度骤降还能促进羧基和羟基的交联。

资料来源 - Manisha Sonthalia - 韦洛尔理工学院

纳米纤维素生物油墨：生物打印中的成分和作用

新 3D 打印方法的一部分依赖于纳米纤维素墨水的使用。这种墨水结合了纳米纤维素（NFC）、羧甲基纤维素（CMC）和柠檬酸（CA）。柠檬酸是溶液中的最终粘合剂。值得注意的是，工程师们创造了 4 种不同的油墨进行测试。

三维打印支架如何模拟真人皮肤

由优化水凝胶制成的三维打印结构与人类皮肤有许多相似之处。例如，它具有相同的三层结构和活细胞类型。不过，启动皮肤可以用活细胞模拟各种皮肤类型和疾病。它还具有与人类皮肤相同的生物力学特性。

组织工程中的水凝胶：支持细胞生长

研究小组首先创建了一种特殊的水凝胶，这种水凝胶能够与活细胞相互作用并促进其生长。研究小组对几种混合物进行了测试，直到找到一种能提高机械稳定性和抗水解降解性的混合物。

用于化妆品和医疗测试的生物打印活细胞

工程师们指出，3D 打印的活细胞可以在水凝胶溶液中生长、成熟和存活 3 周，同时形成活的皮肤组织。研究小组利用交联方法实现了活细胞的稳定生长。值得注意的是，无需使用危险的细胞毒性化学物质。此外，还减少了后期处理任务。

如何中和支架以实现安全的细胞培养

工程师们在三维脚手架上涂上氢氧化钠，然后彻底冲洗干净。这一步骤对于确保去除所有残留碱至关重要。这一步骤还需要 60 分钟的浸泡，以确保完全中性。

测试三维打印皮肤结构的活力

工程师们进行了多项测试，以确保打印出的细胞成熟准确。研究小组首先检查了细胞的生长和成熟情况。具体来说，他们希望确定这些细胞是否与人体内的细胞一模一样，或者是否存在细节上的差异，从而使利用它们进行测试变得不合时宜。

三维打印皮肤的机械稳定性和生物相容性

测试证明，由于使用了专有的水凝胶，这种结构具有弹性和极高的稳定性。新打印方法的主要优点是交联材料无细胞毒性，机械性能稳定。

此外，还确定了较低的温度和较短或较长的交联时间会影响交联过程。格拉茨大学的研究人员注意到，他们可以降低交联速度，从而改变支架的理化性质

三维打印皮肤在减少动物实验方面的优势

这项研究给市场带来了几个好处。首先，很容易预见动物试验将被淘汰。既然有了更经济、更有效的方法，就没有理由再进行动物试验了。此外，这些数据还有助于企业从动物试验过渡到使用实验室培育的 3D 打印活细胞。

3D 打印皮肤何时用于化妆品测试？

这项技术有许多应用，可以帮助拯救人类和动物的生命。这项技术的明显应用领域是化妆品和医疗测试领域。未来，3D 打印皮肤的使用将使动物试验不再那么有吸引力。

这种可定制的皮肤可以复制各种人体皮肤类型和位置。因此，它将为寻求监测其产品对人体影响的研究人员提供理想的测试解决方案。通过这种方式，我们可以从这些数据中窥见为再生医学开发多功能、可持续生物材料的框架。

太空生物打印：人类健康的未来应用案例

这些先进的人类细胞生长项目的另一个用途是帮助扩大星际探险家的覆盖范围。未来，太空探索需要人类从地球出发，而且很可能一去不复返。

作为生存战略的一部分，他们需要能够在离家数百万英里的地方提供适当的医疗服务。使用 3D 打印机被认为是解决这一问题的最佳方案。未来的宇航员可以依靠 3D 打印的器官、皮肤和其他身体部件来维持生命，直到他们完成任务。

在未来 3-5 年内，3D 打印皮肤可能会开始用于测试，因为人们对这项技术的需求非常强烈。不过，打印完整器官的目标还需要10-20年的时间，因为这项技术的科学、医学和法律方面都需要协调。

三维打印皮肤突破背后的科学家们

这项研究由格拉茨理工大学（TU Graz）和印度韦洛尔理工学院（VIT）的创新研究团队领导。具体而言，文章列举了 Tamilselvan Mohan、Matej Bračič、Doris Bračič、Florian Lackner、Chandran Nagaraj、Andreja Dobaj Štiglic、Rupert Kargl、Karin 和 Stana Kleinschek 对这项工作的贡献。

三维打印皮肤在医疗和化妆品测试中的下一步应用

现在，该团队将把重点放在优化水凝胶和墨水的设计上，使其更快、更可靠、更经济。他们还将尝试不同的混合物和方法，以找到成本、可印刷性、结构完整性和生物性能之间的最佳平衡点。

一家推动生物打印技术发展的上市公司

生物打印领域涉及多家公司。这些公司的任务多种多样，从为开发先进的 3D 打印布局提供软件支持，到硬件和打印机制造商。每家公司都在市场中扮演着重要角色。下面这家公司将在可预见的未来继续保持领先地位。

3D 系统

很少有公司能像 3D Systems 一样在生物打印领域拥有如此大的影响力和声誉 (DDD -2%).该公司于 2017 年与另一家市场领导者联合治疗公司（United Therapeutics）联手后，首次转向生物打印领域。从那时起，它就在为市场提供生物墨水和其他硬件等关键部件方面发挥了重要作用。

如今，3D 系统在药物发现和研究领域发挥着至关重要的作用。按收入和市值计算，它是最大的纯 3D 打印公司之一。此外，该公司还不断进行收购，以推动市场定位。具体来说，它收购了生物打印公司 Allevi，为其提供了技术能力。

那些寻求可靠且经过验证的生物打印股票的人应该对 3D systems 做更多的研究。该公司已经赢得了创新者的声誉，并拥有庞大的合作伙伴和投资者网络来支持其研究，包括该公司有朝一日培育出完整人体器官的目标。虽然这个目标可能还需要若干年才能实现，但这项研究无疑将有助于加快实现这一目标。

有关 3D Systems 的最新信息

三维打印活体皮肤--治疗与科技的完美结合

格拉茨理工大学和印度韦洛尔理工学院开发的 3D 打印皮肤值得称赞。这种升级方法有助于开创一个零动物试验和更有效药物的时代。目前，这项研究应被视为动物保护主义者、医学专家和整个化妆品行业的一线希望。

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参考研究：

^{1.Mohan, T., Bračič, M., Bračič, D., Lackner, F., Nagaraj, C., Dobaj Štiglic, A., Kargl, R., & Stana Kleinschek, K. (2025). 用于组织工程的自立（纳米）纤维素基三维支架的制造规程.STAR Protocols, 6(2), 103583. https://doi.org/10.1016/j.xpro.2024.103583}