一种新型微流控系统，用于三维表皮和全层皮肤培养，以评估纳米颗粒的安全性

《Advanced Healthcare Materials》：A Novel Microfluidic System for 3D Epidermis and Full-Thickness Skin Growth for Nanoparticle Safety Assessment

纳米颗粒皮肤毒性评估的微流控芯片模型开发及验证。通过动态灌注和模块化设计构建表皮和全厚度皮肤模型，发现钛二氧化钛纳米颗粒显著降低屏障功能（32.4%）、代谢活性（12.1%），增加通透性（2.9%），并引发早期炎症反应。模型相比传统静态模型更精确，为纳米安全性评估提供工具。

　　纳米材料在日常生活中广泛应用，如空气污染、化妆品、纹身墨水和智能纺织品等。这些材料长期接触皮肤可能引发一系列不良反应，包括加速老化、皮肤炎、湿疹和增加黑色素瘤的风险。然而，传统的体外模型在预测纳米材料毒性方面存在局限，同时缺乏统一的评估标准。为了克服这些挑战，研究人员开发了一种新型的“皮肤芯片”（Skin-on-Chip, SoC）系统，旨在更真实地模拟人体皮肤的生理环境，从而提高毒性评估的准确性。这种模型能够实现动态灌流和模块化结构，支持仅表皮（EoC）和全厚度皮肤（FT SoC）两种不同的皮肤结构，使研究者可以更全面地分析纳米材料对皮肤的影响。

皮肤芯片模型的设计基于微流体技术，通过精确的结构组装和流体流动控制，实现了与体内环境相似的生理条件。该系统由三个聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）层组成，分别代表皮肤的不同层次，如表皮、真皮和皮下组织。中间层设计为微流体通道，用于提供持续的营养和氧气供应，同时促进废物的排出。顶部的细胞培养室与底部的微流体通道通过多孔聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）膜连接，以模拟皮肤屏障的渗透特性。此外，芯片还配备了可拆卸的跨上皮电导率（TEER）系统，可以实时监测皮肤屏障功能的变化。这些设计显著提高了模型的生理相关性，使得研究者能够更准确地评估纳米材料对皮肤屏障完整性、代谢活性和渗透性的影响。

在实验中，研究人员选择了二氧化钛（TiO?）纳米颗粒作为测试对象。结果显示，TiO?纳米颗粒对皮肤屏障功能产生了显著影响，包括屏障完整性降低32.4%、代谢活性下降12.1%、渗透性增加2.9%。这些变化与皮肤组织中化学趋化因子的上调相关，表明纳米颗粒可能引发了早期的中度炎症反应。这些发现进一步证明了皮肤芯片模型在纳米毒理学研究中的潜在价值，尤其是在评估纳米材料对皮肤的毒性时，其生物复杂性使其比传统模型更具敏感性。

传统的体外模型通常采用静态培养方式，这导致细胞营养分布不均、废物积累和缺乏生理剪切应力，从而影响细胞的存活、分化和炎症反应。而皮肤芯片通过动态灌流模拟了体内环境，使细胞能够维持更长时间的活性和功能。此外，皮肤芯片模型还支持不同厚度的皮肤结构，使其能够更全面地研究纳米材料在皮肤中的渗透、积累和炎症信号传导过程。相比之下，传统的体外模型无法准确反映这些动态过程，因此在评估纳米材料对皮肤的毒性时存在局限。

此外，皮肤芯片模型还具备模块化设计，可以灵活地用于不同的实验需求。例如，研究者可以在同一平台上构建仅表皮或全厚度皮肤模型，从而提高实验的可重复性和可扩展性。同时，该模型通过可拆卸的TEER系统，使得对皮肤屏障功能的长期监测成为可能，这在纳米毒理学研究中具有重要意义。通过这种方式，研究人员可以更全面地评估纳米材料对皮肤的影响，从而为纳米材料的安全性评估提供更可靠的数据支持。

皮肤芯片模型的开发还结合了多种先进的分析技术，如流体动力学模拟、电导率测量、代谢活性评估和渗透性分析。这些技术不仅能够帮助研究人员更精确地评估纳米材料对皮肤的影响，还能提供更全面的生物学数据。例如，通过流体动力学模拟，研究人员能够预测纳米颗粒在皮肤模型中的剪切应力分布，从而优化模型的结构设计。而通过TEER测量，可以评估皮肤屏障的完整性，而代谢活性和渗透性分析则提供了关于细胞功能和皮肤屏障破坏的直接证据。

在炎症反应的研究中，皮肤芯片模型展示了比传统模型更强的敏感性。通过对细胞因子和趋化因子的分析，研究人员发现TiO?纳米颗粒在皮肤芯片模型中引发了显著的炎症反应，而传统模型则未能有效捕捉这一变化。这表明皮肤芯片模型能够更准确地模拟纳米材料在皮肤中的作用机制，从而为纳米材料的安全评估提供更可靠的依据。

尽管皮肤芯片模型在许多方面优于传统模型，但仍存在一些局限性。例如，当前使用的HaCaT细胞系无法形成完整的角质层，这可能影响模型对皮肤屏障功能的模拟。因此，研究人员正在探索使用更具代表性的细胞系，如能够形成角质层的N/TERT-2G细胞系，以提高模型的生理相关性和功能完整性。此外，未来的研究还需要进一步优化纳米颗粒的分散方法，以确保其在实验条件下的稳定性，并探索不同纳米材料对皮肤的毒性机制。

综上所述，皮肤芯片模型为纳米材料的安全性评估提供了一种更先进、更可靠的工具。它能够模拟人体皮肤的复杂结构和功能，同时支持动态灌流和模块化设计，使研究人员能够更全面地分析纳米材料对皮肤的影响。这一模型不仅有助于理解纳米材料在皮肤中的作用机制，还为纳米材料的安全性评估提供了新的思路和方法。随着技术的不断发展和优化，皮肤芯片模型有望在未来的纳米毒理学研究和安全性评估中发挥更大的作用。