Extrusion-based 3D bioprinting with natural-based bioink for the production and in vitro characterization of a human skin model

Abstract

Studies in the field of tissue engineering are increasing day by day. The most important reasons for these are skin injuries caused by burns, chronic wounds, and surgical interventions in the skin tissue. Many treatment methods are currently used. Autografts, allografts, and xenografts are some of them. However, since traditional treatment methods have inadequate mechanical properties and poor compatibility with tissue, new production technologies are needed in this field. In this study, a human skin model was simulated using natural-based bioinks and a poli(?-caprolactone) (PCL) mesh structure. Extrusion-based 3D bioprinting (EBB) was used to develop it. The focus of the skin structure is to successfully create dermal and epidermal structures. Since these skin structures consist of many different cells and layers, precise and layered skin models were produced using the Dr. INVIVO 4D2 brand bioprinter. Collagen-based bioink containing fibroblasts and keratinocytes was produced layer by layer on the PCL mesh structure to create the multi-layered structure of the skin structure. The PCL mesh structure improved the mechanical properties of the collagen structure and provided a porous architecture that facilitated efficient nutrient and oxygen exchange critical for cell viability and functionality. A number of in vitro tests were performed to evaluate the performance of the artificial skin models. The dermal layer containing human dermal fibroblasts (HDFs) and the epidermal layer consisting of human epidermal keratinocytes (HEKs) were examined microscopically, and layers and cell viability like natural skin tissue were obtained. Fibroblasts actively synthesized ECM, and keratinocytes formed a barrier-like structure. The viscosity of the bioink was confirmed by rheological test. The model integrated into the PCL mesh structure obtained values like natural skin tissue as a result of mechanical testing. When all these outputs were evaluated, it was determined that the artificial skin models produced were both more economical and more functional. By significantly reducing production time and costs with this approach, it provides a scalable platform for skin tissue engineering and offers promising solutions for the treatment of serious skin injuries and the advancement of wound healing therapies.Doku mühendisliği alanındaki çalışmalar her geçen gün artmaktadır. Bunun en önemli nedenleri, deri dokusunda meydana gelen yanıklar, kronik yaralar ve cerrahi müdahalelerle oluşan deri hasarlarıdır. Şu anda birçok tedavi yöntemi kullanılmaktadır. Otoğreftler, allogreftler ve xenogreftler bunlardan bazılarıdır. Ancak, geleneksel tedavi yöntemlerinin mekanik özellikleri yetersiz ve doku ile uyumsuz olduğu için bu alanda yeni üretim teknolojilerine ihtiyaç duyulmaktadır. Bu çalışmada, doğal bazlı biyoyazılar ve poli(?-kaprolakton) (PCL) ağ yapısı kullanılarak bir insan deri modeli simüle edilmiştir. Ekstrüzyon tabanlı 3D biyoprinting (EBB) tekniği ile bu model geliştirilmiştir. Deri yapısının odak noktası, dermal ve epidermal yapıların başarıyla oluşturulmasıdır. Bu deri yapıları birçok farklı hücre ve katmandan oluştuğundan, Dr. INVIVO 4D2 marka biyoprinter kullanılarak hassas ve katmanlı deri modelleri üretilmiştir. Fibroblastlar ve keratinositler içeren kollajen bazlı biyoyazı, deri yapısının çok katmanlı yapısını oluşturmak için PCL ağ yapısı üzerinde katman katman üretilmiştir. PCL ağ yapısı, kollajen yapısının mekanik özelliklerini iyileştirmiş ve hücrelerin canlılığı ve fonksiyonelliği için kritik olan besin ve oksijen değişimini kolaylaştıran poröz bir mimari sağlamıştır. Yapay deri modellerinin performansını değerlendirmek için bir dizi in vitro test yapılmıştır. İnsan dermal fibroblastları (HDF'ler) içeren dermal katman ve insan epidermal keratinositlerden (HEK'ler) oluşan epidermal katman mikroskobik olarak incelenmiş ve doğal deri dokusuna benzer katmanlar ve hücre canlılığı elde edilmiştir. Fibroblastlar aktif olarak EKZ sentezlemiş, keratinositler ise bariyer benzeri bir yapı oluşturmuştur. Biyoyazının viskozitesi, reolojik test ile doğrulanmıştır. Model, mekanik testler sonucu PCL ağ yapısına entegre edilerek, doğal deri dokusuna benzer değerler elde etmiştir. Tüm bu çıktılar değerlendirildiğinde, üretilen yapay deri modellerinin hem daha ekonomik hem de daha fonksiyonel olduğu belirlenmiştir. Bu yaklaşım ile üretim süresi ve maliyetleri önemli ölçüde azaltılarak, deri doku mühendisliği için ölçeklenebilir bir platform sunulmuş ve ciddi deri yaralarının tedavisi ile yara iyileşme terapilerinin ilerletilmesi için umut verici çözümler ortaya konulmuştur. Anahtar Kelimeler: 3D Biyoprinting, Ekstrüzyon Tabanlı Biyoprinting (EBB), İnsan Deri Modeli, Doğal Bazlı Biyoyazı, Deri Doku Mühendisliği, Yara İyileşmesi