基于3D生物打印的跨肤色光学仿体构建及其在生物医学光学中的应用
Wonjun Yim, Jiajing Zhou, Lekshmi Sasi, Jiayu Zhao, Justin Yeung, Yong Cheng, Zhicheng Jin, Wade Johnson, Ming Xu, Jorge Palma-Chavez, Lei Fu, Baiyan Qi, Maurice Retout, Nisarg J. Shah, Jinhye Bae, Jesse V. Jokerst | Advanced Materials 2023 | DOI: 10.1002/adma.202206385
标签: #3D生物打印 #皮肤光学仿体 #光声成像 #黑色素纳米颗粒 #医疗器械校准
一、做什么 🔬
研究背景：肤色差异（Fitzpatrick分型）直接改变光在人体组织中的吸收与散射路径。黑色素含量与微观分布的变异导致血氧仪、可穿戴心率传感器、光学相干断层扫描等设备在深肤色人群中信号衰减严重，临床误诊率显著偏高。传统组织仿体多采用均质染料或单一浓度吸光材料，无法复现真实表皮中黑色素颗粒的尺寸多态性与聚集相态，导致光学医疗器械缺乏覆盖全肤色的标准化校准基准。
核心问题：
- 能否通过合成聚多巴胺纳米颗粒精确模拟真实人体黑色素的尺寸分布与聚集状态？
- 3D生物打印技术能否构建出光学参数与真实人体表皮高度匹配的跨肤色多层仿体？
- 不同肤色仿体对光声成像、荧光成像及光热治疗等生物医学光学模态的信号干扰程度如何量化？
研究模型：基于GelMA生物墨水的3D生物打印多层皮肤仿体（覆盖Fitzpatrick I-VI型肤色）。
技术路线：
- 合成黑色素制备：调控多巴胺投料量（2–4 mg/ml）合成70、120、300、500 nm四种尺寸的聚多巴胺（PDA）纳米颗粒，并通过反应条件诱导颗粒形成不同聚集态。
- 光学参数测定：采用积分球结合加-减算法测定各仿体在UVA至近红外波段的吸收系数与约化散射系数。
- 3D生物打印构建：将含不同浓度/尺寸PDA的GelMA墨水逐层打印，构建含薄层黑色素模拟表皮的仿生结构。
- 多模态光学验证：在680、800、1064 nm波长下测试光声成像、荧光成像与光热成像的信号强度，并与真实人体尸体皮肤数据对比。
二、发现什么 📊
核心发现1：合成黑色素尺寸与聚集态直接决定光声信号强度与光学仿体肤色匹配度
图1：3D生物打印皮肤仿体构建流程及光声信号定量分析显示，黑色素尺寸增大、聚集态形成与浓度提升分别使光声信号提升3–450倍、2–10.5倍与1.3–8倍，Fitz. 5仿体信号较Fitz. 2提升3.5倍。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 合成70、120、300、500 nm四种尺寸的聚多巴胺（PDA）纳米颗粒，通过调控反应条件诱导颗粒聚集；将不同尺寸、聚集态及浓度的PDA掺入GelMA水凝胶，利用3D生物打印构建模拟Fitzpatrick I-VI型肤色的多层仿体；在680 nm波长下采集光声信号，并与Fitz. 2和Fitz. 5真实人体尸体皮肤进行对比。 |
| 发现什么 | 光声信号强度随黑色素物理参数显著变化：增大颗粒尺寸使信号提升3–450倍；诱导颗粒聚集使信号提升2–10.5倍；提高浓度使信号提升1.3–8倍。Fitz. 5仿体的光声信号强度达到Fitz. 2仿体的3.5倍，与真实尸体皮肤数据完全一致。仿体在可见光至近红外波段的吸收系数与约化散射系数与真实人体表皮误差<10%。 |
| 说明什么 | 黑色素的尺寸分布与聚集相态是决定皮肤光学响应的核心变量，而非单纯的浓度指标。该仿体成功复现了跨肤色人群的光学异质性，为光声成像、荧光成像及光热治疗等设备的肤色校准提供了可量化、可重复的标准化基准工具。 |
三、说明什么 💡
领域意义：过去光学医疗器械的校准多依赖单一肤色或均质光学材料，导致深肤色人群在血氧监测、光学成像中出现系统性偏差。该研究首次将黑色素纳米颗粒的尺寸、聚集态与3D生物打印结合，建立了覆盖Fitzpatrick全分型的光学仿体标准。学界对“肤色偏差源于单纯色素浓度”的认知被修正，黑色素微观物理结构（尺寸与聚集）对光传输的调制作用成为新共识。
临床/转化价值：
- 为FDA/CE等监管机构提供跨肤色光学设备的标准化测试平台，缩短医疗器械审批周期。
- 指导可穿戴设备（智能手表、指夹式血氧仪）算法优化，通过仿体数据训练肤色补偿模型，降低深肤色用户的误诊率。
- 为光动力/光热治疗提供剂量校准依据，避免深肤色患者因表皮过度吸热导致的灼伤风险。
与我们产品的关联：该研究核心依赖高精度3D生物打印构建多层仿生结构，并需对打印后的仿体进行长期光学稳定性与微观结构表征。我们的3D生物打印平台可直接用于复现此类含纳米颗粒的复杂水凝胶结构；高分辨率成像与光谱分析设备可用于验证仿体光学均匀性。
与我们的产品
| 产品 | 关联度 | 应用场景 |
|---|---|---|
| Cellink BIO X / BIO X6 | ⭐⭐⭐⭐⭐ | 直接用于复现该研究中的GelMA/PDA多层皮肤仿体打印，支持高精度挤出与多材料切换，可快速构建Fitzpatrick I-VI型标准化光学测试模块。 |
| 3Brain HD-MEA / CorePlate | ⭐ | 该研究聚焦光学特性而非电生理信号，MEA平台不直接适用。若后续开发含活细胞（如黑素细胞/角质形成细胞）的动态肤色响应模型，可用于监测细胞代谢与电活动。 |
| Celvivo | ⭐⭐ | 若需将光学仿体置于活体微环境进行长期光热/光动力毒性评估，Celvivo的活体成像舱可提供稳定的温控与实时光学监测环境。 |
| SIEVEWELL | ⭐⭐ | 用于高通量筛选不同PDA浓度/聚集态对光热转换效率的影响，支持多孔板并行光学参数测定，加速仿体配方优化。 |
参考文献
- Yim W, Zhou J, Sasi L, Zhao J, Yeung J, Cheng Y, Jin Z, Johnson W, Xu M, Palma-Chavez J, Fu L, Qi B, Retout M, Shah NJ, Bae J, Jokerst JV. 3D-bioprinted phantom with human skin phototypes for biomedical optics. Adv Mater. 2023;35(3):e2206385. DOI: 10.1002/adma.202206385
- Sjoding MW, Dickson RP, Iwashyna TJ, Gay SE, Valley TS. Racial bias in pulse oximetry measurement. N Engl J Med. 2020;383(25):2477-2478. DOI: 10.1056/NEJMc2029240
- Mantri Y, Jokerst JV. Impact of skin tone on photoacoustic oximetry and tools to minimize bias. Biomed Opt Express. 2022;13(2):875-887. DOI: 10.1364/BOE.448307
- Lee H, Dellatore SM, Miller WM, Messersmith PB. Mussel-inspired surface chemistry for multifunctional coatings. Science. 2007;318(5849):426-430. DOI: 10.1126/science.1147241
- Kang HW, Lee SJ, Ko IK, Kengla C, Yoo JJ, Atala A. A 3D bioprinting system to produce human-scale tissue constructs with structural integrity. Nat Biotechnol. 2016;34(3):312-319. DOI: 10.1038/nbt.3413
转发语：肤色差异导致血氧仪和光学成像设备在深肤色人群中误差显著。这篇论文用3D生物打印做出了覆盖Fitzpatrick全分型的皮肤光学仿体，把黑色素尺寸和聚集态对光信号的干扰量化到了具体倍数，给医疗器械的肤色校准提供了现成的标尺。做光学设备研发和算法优化的团队可以直接拿去用。
联系人：李东伟
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