综述：从一维微生物检测到三维先进皮肤模型：加强临床前策略以揭示生物活性纺织品对人类皮肤微生物组的影响

《Frontiers in Cellular and Infection Microbiology》：From 1D microbiological assays to 3D advanced skin models: enhancing preclinical strategies to unravel the impact of bioactive textiles on the human skin microbiome

本综述系统阐述了生物活性纺织品作为多功能材料在调节皮肤微生物组方面的最新进展。文章重点介绍了从传统1D微生物检测到先进3D皮肤模型的评估策略演变，强调了在生理相关条件下研究织物-皮肤-微生物相互作用的重要性。作者提出通过可持续方法（如天然抗菌化合物和绿色合成技术）开发能够选择性抑制病原体（如金黄色葡萄球菌、痤疮角质杆菌）同时保护有益共生菌（如表皮葡萄球菌）的微生物组安全纺织品，为特应性皮炎和痤疮等皮肤疾病的治疗提供了新思路。

　　

1 Introduction

人类皮肤微生物组是皮肤健康的关键决定因素，作为身体与外部环境之间的动态界面。这个由细菌、真菌和病毒组成的复杂生态系统对于维持屏障功能、调节免疫反应和抵抗病原体定植至关重要。这种微生物平衡的破坏（通常称为微生物组失调）与多种皮肤病相关，包括痤疮、特应性皮炎（AD）、牛皮癣和慢性伤口。

在此背景下，生物活性纺织品已成为一种有前景的治疗方法，可在解决抗生素耐药性和环境可持续性问题同时恢复微生物平衡。生物活性纺织品通过将功能剂（如抗菌、抗炎、抗氧化或益生元化合物）嵌入纤维或涂层中而设计，使其在与皮肤接触时发挥治疗或保护作用。

近年来，可持续、生物相容材料在生物活性纺织品中的应用不断扩大。壳聚糖、蜂蜜、芦荟、印楝、姜黄、精油和植物提取物等天然制剂已显示出对皮肤病原体（如金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、铜绿假单胞菌、痤疮角质杆菌和白色念珠菌）的广谱抗菌活性。

然而，尽管有其益处，抗菌纺织品对皮肤微生物组（尤其是对表皮葡萄球菌等有益物种）的精确影响仍未得到充分探索。了解生物活性纺织品如何影响有害和有益的皮肤微生物对于确保其安全性和靶向应用至关重要。

为促进这些材料的有效评估，文章提出了分层评估策略，从基本的体外模型逐步过渡到更复杂、生物学相关的皮肤模型。一维（1D）评估模型从经典微生物检测开始，评估此类材料对皮肤病原微生物的影响，而最终层级包括模拟分层表皮/真皮和关键微生物组成员的三维（3D）先进皮肤模型，从而能够更准确地预测体内行为。

2 Skin microbiota

人类皮肤作为一个多层防御系统，包含四个相互关联的屏障：物理屏障、化学屏障、免疫屏障和微生物屏障。这些组成部分协同运作以维持皮肤稳态并预防感染、炎症甚至皮肤癌的发生。

化学屏障通过其天然酸度和脂质成分维持，在调节水分保持和抑制微生物过度生长方面起着关键作用。角质层内的角质形成细胞产生的关键脂质成分，如神经酰胺、游离脂肪酸和胆固醇，有助于弹性、水合作用和防御病原体侵入。同时，角质形成细胞建立紧密连接并分泌细胞因子和抗菌肽，增强皮肤作为物理和免疫屏障的功能。

下一代测序显示，皮肤微生物组主要由革兰氏阳性细菌组成，特别是角质杆菌和葡萄球菌，其分布因部位而异。皮脂区通常含有痤疮角质杆菌，而潮湿区域（如腋窝和肘部）则有利于葡萄球菌和棒状杆菌物种。在共生菌中，表皮葡萄球菌通过产生抗菌肽、与金黄色葡萄球菌等病原体竞争以及通过诱导紧密连接蛋白增强屏障完整性而发挥关键保护作用。

真菌群落主要由马拉色菌属代表，通过分泌吲哚和其他代谢物抑制病原真菌而有助于防御。

皮肤微生物生态系统的破坏（通过卫生习惯、环境压力或免疫失调）可将共生菌转向机会性行为。例如，痤疮角质杆菌通过菌株组成的改变而非单纯过度生长导致痤疮。同样，金黄色葡萄球菌定植增加是AD的标志，而失调的马拉色菌种群与脂溢性皮炎有关。

微生物群与皮肤屏障功能之间这种复杂的关系强调了生物活性纺织品（选择性抑制病原体同时保护有益微生物）作为恢复微生物稳态的非侵入性策略的潜力。

3 Bioactive textiles: a short overview

生物活性纺织品代表了材料科学的新前沿，其特点在于加入了旨在提供超越传统纺织品特性的治疗或保护效果的生物活性成分。这些纺织品通过将活性物质（如抗菌剂、抗氧化剂或愈合化合物）融入纤维基质或表面而设计，以便与用户或环境进行有目的的互动。

在最受关注的生物活性中，抗菌功能是最具挑战性的。这在医疗和卫生领域尤为关键，生物活性纺织品用于预防感染、减少病原体传播或管理伤口愈合。

3.1 Fabrication approaches and antimicrobial activity of bioactive textiles

生物活性纺织品通过将功能剂应用于织物基底而设计，以赋予其抗菌、抗氧化、抗炎或其他生物学相关特性。这些材料在医疗保健、个人护理和卫生应用中特别重要，因为纺织品表面经常与人体皮肤直接接触并且容易受到微生物定植。

生物活性纺织品的开发涉及几种制造和功能化方法。最常见的策略是整理，其中使用浸轧-烘干-烘烤、竭染或喷涂等技术将生物活性化合物应用于织物表面。在这方面，多种抗菌剂（包括合成和天然）已被整合到纺织材料中，包括三氯生、金属及其盐、季铵盐化合物（QACs）、有机硅、壳聚糖、精油和植物提取物。其中，银基和锌基盐已显示出对多种微生物（如革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌、真菌、病毒、酵母和藻类）的广谱抗菌活性。季铵盐化合物也表现出显著的抗菌功效，尽管其活性谱通常比金属基制剂窄。最近，植物来源的生物活性物质（如印楝、芦荟、桉树、丁香和姜黄的提取物）因其可持续性和安全性而受到关注。这些制剂通过环保方法（如无溶剂染色或整理阶段嵌入）融入纺织品。

另一种创新方法涉及通过共价键合固定抗菌剂，这增强了耐洗性并最大限度地减少了环境浸出。例如，氯二甲酚已通过双功能反应性整理剂共价键合到棉上，即使在20次洗涤周期后仍能保持强大的抗菌活性。纳米封装是另一种关键方法，其中许多生物活性化合物（例如金属、染料、精油、植物提取物、壳聚糖）被封装到纳米颗粒（NPs）中。然后这些NPs沉积在纺织纤维上以提供持续释放、增强织物结合力和改善生物相容性。

生物活性纺织品的抗菌活性受几个参数影响，包括病原体在纺织品表面的粘附、存活和增殖，抗菌剂的类型和浓度，以及它们融入织物结构的方法。这些因素显著影响纺织品的即时抗菌功效和长期生物活性耐久性。

表面特性，如润湿性、孔隙率和孔径，在细菌粘附中起着关键作用。例如，具有较大孔体积的亲水性纺织品表面比具有减小孔径的超疏水性表面促进更高的细菌粘附。类似地，抗粘附涂层（如聚（L-赖氨酸）-g-聚（乙二醇））已在聚酯基底上证明减少超过80%的细菌附着，即使在20次洗涤周期后仍保持其功能性。

同样重要的是抗菌剂整合方法，如物理吸附、共价键合或NPs嵌入，每种方法都会影响释放曲线、耐久性和生物相容性。例如，用动态聚硫醚网络内酶促键合的纳米银功能化的纺织品表现出>99.99%的抗菌活性，以及优异的耐洗性和生物相容性。

3.2 Mode of action on skin microbiota

生物活性纺织品主要通过其嵌入的生物活性化合物与皮肤微生物群相互作用，这些化合物影响皮肤上的微生物组成和活性。这些材料可以根据其功能设计和释放的活性剂来支持有益微生物并抑制病原物种。

抗菌作用通常通过整合金属NPs（如银、氧化锌）、壳聚糖、植物基化合物或生物表面活性剂来实现。这些制剂通过破坏微生物膜、干扰代谢或抑制生物膜形成起作用。天然抗菌剂，如精油或多酚，由于其可生物降解性和比合成替代品更低的毒性而日益受到青睐。

与此同时，可持续性问题正在推动向环保和循环材料的创新。研究人员已证明成功使用农业工业废物（如葡萄果渣、花生皮、石榴皮）作为纺织品的天然染料和生物活性来源，从而能够在赋予抗菌和抗氧化效果的同时实现生物废物的增值。

此外，具有抗菌活性的治疗性纺织品通过整合抗菌和抗氧化功能来减少炎症和支持健康的微生物组，在管理皮肤失调方面显示出前景。然而，微生物组安全性评估的标准化模型以及全面的临床研究对于探索和验证这些材料的长期效果仍然是必要的。

在这方面，一个日益关注和创新的领域是生物活性纺织品与皮肤微生物组之间的相互作用。虽然许多抗菌织物对病原体有效，但它们也可能损害有益微生物，如表皮葡萄球菌，其在皮肤稳态和免疫调节中起着至关重要的作用。这导致越来越强调开发能够保护甚至促进共生微生物种群同时选择性靶向病原体的微生物组安全纺织品。

注入益生元的纺织品代表了另一种方法，其中材料含有选择性支持有益微生物的物质。例如，应用于皮肤模型或融入生物材料的短链低聚果糖（scFOS）已被证明可以促进表皮葡萄球菌，同时抑制痤疮角质杆菌和金黄色葡萄球菌。该策略与设计增强皮肤屏障功能同时最小化炎症和机会性感染的微生物组友好产品的努力相一致。

多功能性也是该领域的中心主题。新兴的生物活性纺织品不限于一种功能，而是通常结合抗菌、抗氧化、抗炎和湿度调节特性。例如，富含抗坏血酸或其他抗氧化剂的纤维素基伤口敷料不仅表现出强大的生物相容性，而且具有增强的愈合能力，突出了此类纺织品的治疗潜力。

4 Evaluation strategies for antimicrobial bioactive textiles: a 1D conceptual framework

为促进抗菌生物活性纺织品的系统开发和评估，一维评估模型已被广泛使用。在此背景下，一维模型代表一个线性的、逐步的概念框架，其中纺织材料通过日益复杂和生物学相关的检测进行逐步评估。这个经典的一维流程从基本抗菌筛选开始，逐步通过机理表征、功能验证，最终达到生物学相关性。

测试生物活性纺织品在一维模型上抗菌活性的第一阶段涉及传统的体外抗菌筛选，使用标准化微生物检测来评估其对临床相关病原体的直接影响。这些包括琼脂扩散法（评估抑菌圈）、菌落形成单位（CFU）计数和肉汤稀释技术。这些方法提供定性和定量见解，作为筛选此类材料抗菌性能的关键步骤。这些检测评估微生物与纺织材料直接接触条件下的微生物生长抑制，从而能够全面评估材料对常见病原体（如金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、肺炎克雷伯菌和白色念珠菌）的抑制潜力。

在初步筛选之后，表现出抗菌活性的材料经过高级机理检测以进一步阐明抗菌机制。这些包括区分活细胞与非活细胞的活/死荧光显微镜、代谢活性检测（例如，3-(4,5-二甲基噻唑-2-基)-2,5-二苯基四唑溴化物 - MTT、刃天青还原）、三磷酸腺苷（ATP）定量以评估微生物存活率，以及定量实时PCR（qPCR）以量化微生物DNA负荷。这些方法对于评估生物活性纺织品对生物膜形成和持久性的影响特别有用，解决了慢性皮肤感染和抗菌素耐药性（AMR）中的关键挑战。

在流程的第三阶段，功能性能评估超越浮游微生物抑制。生物膜形成检测评估纺织品是否能抑制微生物粘附和定植。使用2,2-二苯基-1-苦基肼基（DPPH）和2,2'-联氮-双-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸（ABTS）自由基清除检测测量抗氧化特性，以确定纺织品中和活性氧（ROS）的能力，这些活性氧参与炎症和延迟愈合。这种多功能性增强了抗菌纺织品在临床和日常使用环境中的适用性。

然而，传统的抗菌评估通常针对与皮肤伤口感染和医院交叉感染相关的病原体，即革兰氏阳性细菌（如金黄色葡萄球菌、化脓性链球菌）、革兰氏阴性细菌（如大肠杆菌、铜绿假单胞菌、肺炎克雷伯菌）和机会性真菌（如白色念珠菌）。鉴于对AMR的日益关注，最近的研究还纳入多重耐药（MDR）菌株，如耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）、耐万古霉素肠球菌（VRE）和耐碳青霉烯类铜绿假单胞菌，以评估生物活性纺织品在对抗持久性感染方面的功效。

在这方面，许多抗菌纺织品，特别是那些浸渍了银、铜、氧化锌、抗生素和抗炎药物的纺织品，已显示在常规体外抗菌检测中减少皮肤相关病原体。例如，涂有含有抗炎药（布洛芬）和抗生素（左氧氟沙星或诺氟沙星）的二氧化硅NPs的棉织物，设计用于伤口愈合，使用标准琼脂扩散检测对金黄色葡萄球菌表现出显著的抗菌活性。类似地，掺入氧化锌NPs的聚酰胺织物对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌表现出显著的抗菌效果，支持其在医疗和卫生应用中的潜在用途。

在另一个例子中，通过用壳聚糖和Cu₂O/CuO纳米结构涂覆棉/泥炭混纺织物开发了抗菌纳米复合材料纺织品，其中没食子酸作为还原剂。处理过的织物显示出对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的增强抗菌活性。同样，使用结合壳聚糖和百里香精油以及矿物填料（如二氧化硅、氧化锌和二氧化钛）的生物活性配方的棉织物对各种微生物（包括金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和枯草芽孢杆菌）表现出强大的抗菌活性。除了其抗菌特性外，这些生物活性织物还表现出阻燃活性和可生物降解性。根据作者的说法，此类多功能生物活性纺织品在军事和医疗背景下的先进应用中具有前景。

尽管合成抗菌剂以其强效且通常广谱的活性而闻名，但它们融入纺织材料引发了显著的环境和健康问题。许多这些化合物与潜在的人类毒性和生态毒理学风险相关，从而构成严重的可持续性挑战。例如，在洗涤过程中，这些制剂可能从纺织纤维中浸出并进入水生生态系统，在那里它们可能破坏微生物群落并对水生生物产生毒性作用。这种意外的环境释放不仅对生态平衡产生负面影响，而且引发了关于合成抗菌剂在纺织材料应用中广泛使用的担忧。

这些限制凸显了对更安全、更可持续的抗菌替代品日益增长的需求，这些替代品既可生物降解又生物相容。天然制剂，包括生物聚合物、植物来源化合物和绿色合成NPs，正成为有前景的解决方案，提供抗菌特性同时最小化环境和健康相关风险。其中，壳聚糖、蜂蜜和植物基产品，即芦荟、精油和各种植物提取物，在融入纺织材料时已显示出对病原细菌和酵母（如枯草芽孢杆菌、大肠杆菌、铜绿假单胞菌、痤疮角质杆菌、金黄色葡萄球菌和白色念珠菌）的广谱抗菌活性。

例如，用含有蜂胶和蜂蜜的生物溶液处理的棉织物，无论是否使用钾明矾作为媒染剂，都对金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌、痤疮角质杆菌和大肠杆菌表现出显著的抗菌效果。除了其抗菌特性外，这些纺织品显示出强大的抗氧化活性，实现超过90%的ABTS自由基清除。这些发现强调了蜂巢衍生产品（如蜂胶和蜂蜜）作为日常个人护理应用的多功能天然制剂的潜力。它们融入可重复使用产品（如面膜）不仅增强了抗菌和抗氧化保护，而且符合可持续性和循环产品设计的原则。

另一个例子研究了在存在各种媒染剂（特别是铝和铜）的情况下用苏木提取物染色的棉织物。这些生物活性织物不仅显示出对金黄色葡萄球菌和肺炎克雷伯菌的强大抗菌活性（这两种是从医护人员制服中经常分离的常见病原体），而且对MRSA超级细菌具有更高的抗菌活性。基于这些结果，作者建议将苏木染色纺织品整合到医院环境中，包括患者服装、床单和医护制服，以降低交叉感染风险并加强感染控制策略。

尽管一些天然制剂基生物活性纺织品具有前景的抗菌性能，但一个关键限制仍然存在：它们在重复洗涤后耐久性降低和有效性减弱。因此，需要进一步研究专注于提高耐洗牢度和长期功能稳定性，以实现在临床和个人护理环境中更广泛的现实世界采用。

具有抗生物膜特性的生物活性纺织品代表了另一个日益增长的关注领域，特别是在医疗和卫生应用中。这些材料通常用能够抑制生物膜形成微生物（即金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、肺炎克雷伯菌和白色念珠菌）的粘附、定植和增殖的抗菌剂功能化。这在医疗环境中尤为关键，因为生物膜可能导致持续性皮肤感染并降低常规治疗的有效性。在生物活性纺织品中探索的各种抗菌功能中，抗生物膜活性对于皮肤伤口应用特别重要，因为预防微生物生物膜形成对于促进愈合和降低慢性感染风险至关重要。

虽然现有研究为生物活性纺织品抑制病原微生物以及抗生物膜活性提供了宝贵见解，但它们对皮肤共生微生物群的影响仍然 largely unexplored。关于此类材料对表皮葡萄球菌（人类皮肤微生物组的主要成员，在维持皮肤稳态中起关键作用）的影响的信息有限。这一知识差距引发了关于抗菌纺织品对表皮葡萄球菌和其他有益皮肤微生物可能产生的意外后果的担忧。解决这个问题对于开发既能有效抗菌又能保持皮肤微生物平衡的微生物组友好纺织品至关重要。

5 Transitioning bioactive textiles to 2D skin models

在使用一维微生物检测进行初步抗菌筛选之后，一些生物活性纺织品通常使用二维细胞培养模型进行评估。二维模型在评估生物活性纺织材料（特别是那些旨在与人体皮肤直接接触的材料）的生物相容性方面很有用。这些二维模型通常由人类皮肤角质形成细胞或人类真皮成纤维细胞单层组成，为细胞活力、增殖、代谢活性、ROS和早期生物相容性提供基本见解。

在这个阶段，一些研究致力于评估具有初步细胞毒性评估的生物活性纺织品抗菌活性。在生物相容性方面，大多数抗菌纺织品在使用间接或直接接触二维人类皮肤细胞模型测试时显示无细胞毒性或中等细胞毒性作用。例如，负载银NPs并结合酮康唑和β-环糊精的棉织物对关键皮肤病原体（包括白色念珠菌、黑曲霉、金黄色葡萄球菌和大肠杆菌）表现出强大的抗真菌和抗菌活性。使用人类皮肤成纤维细胞单层通过间接方法评估细胞毒性，显示孵育24小时后无细胞毒性作用。根据作者的说法，这些发现支持了生物活性纺织材料用于皮肤接触的安全性，并突出了其在皮肤病学和个人护理应用中的潜力。同样，涂有聚乙烯醇和壳聚糖双层系统并含有龙牙草提取物的棉纱布显示出有效抑制金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌生长。使用人类真皮成纤维细胞单层通过直接接触方法评估细胞毒性，显示孵育1、3和7天后无细胞毒性作用，表明随时间推移具有持续生物相容性。

尽管这些研究证明了开发对知名皮肤病原体具有有效抗菌特性且具有可接受生物相容性的生物活性纺织品的可行性，但它们通常未能评估此类材料对皮肤常驻微生物群成员的更广泛影响。具体而言，缺乏调查这些材料是选择性抑制病原微生物还是无意中破坏对皮肤健康至关重要的共生微生物种群。此外，它们在调节病原体和有益微生物之间平衡方面的潜力，即在皮肤病症（与微生物组失调相关的病理状况）的背景下，仍然 largely unexplored。

尽管存在这些空白，针对皮肤微生物组失调（即AD）的生物活性纺织品在经过仅最低限度的细胞毒性测试（通常限于二维细胞培养的短期检测）后经常进入临床试验。这种做法凸显了临床前验证中的关键缺陷，并强调了在临床转化之前需要通过广泛使用先进体外模型（如三维重建人类皮肤）更全面地评估它们对人类皮肤微生物组的影响。

6 3D skin models: essential tools for evaluating the impact of bioactive textiles on the skin microbiome

尽管广泛使用，传统的二维培养系统无法完全捕捉和再现人类皮肤的结构和生理复杂性。这一限制阻碍了关键参数的综合评估，无法预测关键功能结果，包括组织渗透、屏障完整性、细胞-细胞、细胞-微生物、细胞-材料相互作用、微生物组影响和调节、免疫反应、伤口愈合能力和组织再生。因此，二维组织模型被认为是不可靠的临床前测试工具。确实，为确保生物活性材料的安全有效临床转化，必须首先准确复制天然皮肤微环境，特别是其细胞组成、结构组织和动态生物相互作用。在此背景下，三维人类皮肤模型已成为生理相关平台，更准确地模拟人类皮肤的关键特性，包括其结构和功能。此外，支持此类多组分三维体外模型设计的自下而上方法使它们成为研究病理状况和测试创新生物材料和疗法的安全性和功效的合适候选者。例如，结合来自免疫系统的细胞（如促炎巨噬细胞）的健康皮肤模型可能成为伤口愈合相关研究的可靠病理平台，能够模拟慢性皮肤伤口特有的 prolonged inflammation and oxidative stress。另一方面，用特定细菌菌株（浮游或多物种形式）污染此类三维模型导致开发适合研究创新抗菌疗法功效的病理平台。

6.1 Skin explants

皮肤是人体最大的器官，起着基本作用，如作为保护性物理屏障、控制体温调节、提供感觉、维持稳态和支持免疫。它由三层组成：表皮、真皮和皮下组织，并包含不同的细胞类型。为研究其复杂结构及与外部试剂的相互作用，皮肤外植体（即来自供体的天然组织部分）被认为是最真实的三维皮肤模型。

最常见的是，皮肤外植体来自整形手术或尸体，在这两种情况下，都需要适当的伦理批准才能用于研究。通常，皮肤外植体来自腹部、胸部或背部皮肤，因为它们是最丰富的供体部位。可以区分两种类型的皮肤外植体：全层和部分厚度皮肤外植体。前者包含表皮和真皮层，并以所有皮肤细胞类型为特征，保证了它们的生理和功能互连的准确表示。另一方面，它受到一些限制，如血管和神经系统丢失。尽管存在这些缺点，全层皮肤外植体被认为是研究导致皮肤疾病的机制的相关生理模型。不同的是，部分厚度皮肤外植体由完整表皮和部分下层真皮组成。然而，该模型仅捕获人类皮肤复杂性的部分，因为内皮细胞、黑素细胞和朗格汉斯细胞在培养条件下随时间逐渐丢失。

无论皮肤外植体类型如何，它们被认为是评估个人护理产品的功效和皮肤吸收及其对皮肤感染、代谢、免疫反应、黑素生成和刺激的影响的有前景的工具。这些模型的相关性通过几项在各种实验环境中使用皮肤外植体的研究得到进一步强调。

例如，Eberlin等人使用皮肤外植体评估各种皮肤疾病（即光老化、皮肤屏障疾病、AD）和物质通过皮肤的渗透，使用免疫荧光、免疫检测和组学平台研究皮肤组织与环境因素之间的相互作用。另一个例子使用基于全层人类皮肤的离体伤口模型评估聚乙烯吡咯烷酮箔和纳米纤维垫作为环丙沙星递送系统治疗感染伤口。最近，利用三维绵羊皮肤外植体模型研究由节瘤偶蹄形菌引起的厌氧感染。该模型保持组织活力长达28小时，显示细菌侵入表皮并触发炎症反应，证明其研究厌氧皮肤感染的潜力。

尽管皮肤外植体更接近体内环境，但它们以高供体间变异性、可用性和生物学限制为特征。确实，皮肤吸收反应强烈受采集的解剖部位影响，由于角质层厚度、水合作用和脂质组成。

6.2 Epidermal models

人类表皮是一个自我修复的屏障，将我们的内部身体与外部环境分开。其主要作用是保护身体免受脱水、营养损失以及物理、化学和生物危害。关于细胞类型，角质形成细胞是参与表皮屏障产生和维护的主要细胞。在逐步成熟过程中，角质形成细胞改变其形态，从位于基底层中的立方体形状变为角质层中的鳞状形态。其他形态变化包括棘层中棘细胞形状的发展和颗粒层中透明角质颗粒的发展，位于角质屏障下方。表皮中存在的其他细胞类型是默克尔细胞和朗格汉斯细胞。

理解表皮角质形成细胞的细胞群和分化程序朝向皮肤屏障形成，以及外部试剂和药物对皮肤的影响，需要开发可靠的表皮模型。然而，此类模型部分再现皮肤，仅由表皮层组成，不考虑真皮层和免疫细胞。商业上，市场上有几种表皮模型可用，如EpiSkin^?、SkinEthic^?、EpiDerm^?，这些对于研究皮肤辐射、腐蚀、渗透、紫外线损伤、细菌粘附和表皮渗透性很有用。Poumay等人开发了一个完全分化的培养表皮，锚定在聚碳酸酯过滤器上。获得的模型成功揭示了特征性形态，具有基底层、棘层、颗粒层和角质化表皮层，通过组织学分析、免疫荧光染色和电子显微镜证实。因此，提出的模型显示了研究细胞生物学、毒理学测试和药物皮肤吸收机制的前景。

实际上，表皮模型代表了理解皮肤生理学、刺激性和渗透性的重要体外工具。由于缺乏真皮层，它们代表了人类皮肤结构的简化近似。人类皮肤的更真实表示通过更复杂的模型实现，如下节所述。

6.3 Full-thickness skin equivalents

全层皮肤等效物（FTSEs）是三维体外模型，更真实地再现表皮和真皮层，分别通过角质形成细胞和成纤维细胞的成熟获得。具体而言，FTSEs的工程化包括（i）成纤维细胞接种随后真皮层成熟；（ii）角质形成细胞接种随后表皮层成熟；和（iii）建立气液界面（ALI）以允许表皮层分层和角质化。

FTSEs可以分为无支架和基于支架的三维模型：在第一种情况下，皮肤细胞在支持物上逐层接种，不使用任何额外材料，并允许其沉积自己的细胞外基质（ECM）；在后者情况下，细胞嵌入水凝胶基配方中，其作为模拟天然ECM的水合环境起作用。例如，为了工程化真皮，成纤维细胞通常接种在由天然来源聚合物（如胶原蛋白/纤维蛋白水凝胶）制备的水凝胶中。关于表皮，由于几个不同的层，发展更复杂。

基于真皮皮肤层重建方法，FTSE模型也可以分为三类：胶原基、去表皮真皮和自组装皮肤替代物。第一种涉及在由胶原蛋白和真皮成纤维细胞组成的真皮基质上接种表皮角质形成细胞。胶原蛋白凝胶不仅作为支持，而且提供营养并保证细胞-细胞和细胞-基质相互作用。该模型确保优异的生物相容性和细胞粘附。然而，它显示有限的机械强度和使用寿命短。第二种模型由脱细胞人类皮肤组成，用作支持角质形成细胞附着和增殖的真皮替代物。最后模型由角质形成细胞和成纤维细胞组成，不添加外源性细胞外基质材料。真皮成纤维细胞培养直至汇合，分泌其细胞外基质形成真皮片。然后角质形成细胞接种在这些堆叠的真皮片顶部，在那里它们经历分化和角质化。通过在FTSEs内添加不同细胞类型，可以研究这些细胞在皮肤健康和皮肤疾病中的作用。

Mertsching等人证明了该模型在各种应用中的多功能性。首先，他们研究了不同测试化合物对FTSE的刺激作用。其次，他们通过引入各种肿瘤细胞系将皮肤等效物用作体外肿瘤模型。此外，他们通过将细菌培养在FTSE上模拟感染将模型用作疾病平台，并通过机械地在表面创建划痕作为伤口模型。

因此，考虑到其三维组织和组成，FTSE模型比先前描述的模型更可靠。然而，它们也呈现一些缺点，如高成本、长期培养的适用性有限以及缺乏血管化系统。

6.4 Skin-on-a-chip platforms

在先进三维皮肤模型设计中一种有前景的替代方法是微流体系统的集成。传统的三维构建体无法准确复制人类皮肤，不仅因为它们由有限数量的细胞类型组成，而且由于缺乏血管化网络。血管的缺失限制了营养物和药物的灌注，导致不能准确反映真实生理条件的结果。动态培养允许重建更生理受控环境，定义物理和生化参数，如流动、力和化学梯度。

在这方面，Mohamadi等人证明微流体皮肤系统可以通过比较静态和动态培养条件在机械强度、水吸附、皮肤形态、基因表达和活检寿命方面更好地复制生理环境。关于微流体系统的架构，已实施两种不同策略：

i. 转移式皮肤芯片。

ii. 原位皮肤芯片。

在第一种方法中，来自离体人类皮肤活检或体外生成的人类皮肤等效物的