Research status and development of scaffold materials for skin tissue engineering

Scaffold materials play a key role in the construction of artificial skin. They can be divided into synthetic and biological types according to their chemical properties. The former mainly studies the development of polyester scaffold materials with biological activity through surface biomimetic technology; the latter mainly studies the use of cross-linking or composite with polymer membranes to improve the mechanical properties of collagen, and the use of chemical methods to modify chitosan to improve the permeability and vascularization rate of decellularized dermal matrix. New research focuses are: the interaction mechanism between the surface of scaffold materials and cells, the preparation of structural biomimetic scaffold materials and composite scaffold materials. Keywords: skin tissue engineering; scaffold materials; polyester; chitosan; collagen With the development of tissue engineering for more than 20 years, the design of third-generation biomaterials has gradually become the mainstream of research, that is, controlling the interaction between materials and cells at the molecular level to induce specific cell responses [1]. The research and optimization of skin tissue engineering scaffold materials is one of the important research contents of artificial skin. According to their chemical properties, they can be divided into synthetic and biological types, each of which has its own advantages and disadvantages. This paper reviews the current status and development of each type and proposes its new research focus. 2 Synthetic skin tissue engineering scaffold materials At present, synthetic scaffold materials are mainly polyester scaffold materials such as polylactide, polylactone, polyhydroxyalkanoate, and polycarbonate. Among them, polylactic acid (PLA), poly-L-lactic acid (PLLA), polyglycolic acid (PGA), and copolymers of lactic acid and glycolic acid (PLGA) are hot research topics and have been approved by the US FDA for use in artificial skin [2]. Nam et al. used ammonium bicarbonate as a porogen to prepare a high-porosity PLLA porous sponge scaffold with an average internal pore size of about 200 μm. They also used a dioxane/water solvent system to regulate various parameters of thermally induced phase separation to prepare scaffold materials such as PLLA, PLGA, and PDLLA with different pore sizes [3]. Advanced Tissue Science, Inc. in the United States uses polylactic acid as a scaffold material to culture fibroblasts isolated from neonatal foreskin to form an active artificial dermis TransCyte, which has been approved by the FDA for use in 2nd to 3rd degree burns [4]. In China, Wang Xinwen et al. inoculated skin fibroblasts into porous polylactic acid sponges to construct tissue-engineered dermis and observed the growth, proliferation and secretion of cells on the material. The experiment proved that polylactic acid can support the normal physiological metabolism and secretion of skin fibroblasts[5]. Wang Shenguo et al. synthesized polyester scaffold materials such as polyglycolide-lactide (PLGA) and polylactide-caprolactone-polyethylene glycol (PCLE) by molecular design and random or block copolymerization of a certain proportion of lactic acid (or lactide) with glycolide and caprolactone. After bulk and surface modification, their cell affinity was significantly improved[6]. Synthetic scaffold materials have high tensile strength, easy control of degradation rate and microstructure during the synthesis process, and easy large-scale production. However, their biggest disadvantage is the lack of cell recognition signals, which is not conducive to cell adhesion and activation of specific genes. With the understanding of the interaction between cells and extracellular matrix, people have come to realize that integrins play an important role in the adhesion and migration of cells and scaffold materials, cell life and death, and morphology[7]. A new research direction for synthetic scaffold materials is to enhance their cell surface activity through biomimetic engineering technology of biomaterials. For example, a certain method is used to graft the specific recognition site of the cell membrane surface receptor (glycine-arginine-aspartic acid sequence), namely the RGD sequence, onto the surface of synthetic materials to increase the cell biological activity on the surface of synthetic scaffold materials [8]. 3 Biological skin tissue engineering scaffold materials Collagen gel and collagen sponge are classic artificial skin scaffold materials, but their disadvantage is poor mechanical properties. The artificial skin product Integra developed by Integra Life Science in the United States has a lower layer of 2mm thick bovine collagen and amino polysaccharide porous membrane and an upper layer of 0.22mm thick silicone rubber membrane. This product has been widely clinically tested in the treatment of third-degree or more severe burns, and it can significantly shorten the healing time of the wound [9]. The artificial skin Apligraf developed by Organogenesis uses collagen extracted from bovine tendon collagen as a scaffold material, in which fibroblasts are cultured. It is an artificial skin with a double-layer structure, but its disadvantage is poor mechanical properties and is not easy to operate [10]. In China, Yang Jun et al. mixed collagen extracted from fresh pig skin with chondroitin sulfate and prepared collagen sponge membrane by vacuum drying. They used this as a scaffold material to carry out in vitro culture experiments of epidermal cells. The results showed that human epidermal cells can grow, proliferate and fuse into sheets on this collagen sponge scaffold material [11]. The research focus of collagen membrane is mainly on improving its mechanical properties by cross-linking or compounding with polymer membrane. Recently, Sang Bong Lee et al. prepared collagen sponge containing β-glucan, cross-linked it with 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide, and studied its effect on the growth of fibroblasts and epidermal cells [12]. S. Suzuki et al. prepared artificial skin by attaching a layer of silicone to a layer of collagen sponge. The thickness was only 0.2 mm, but it could achieve high mechanical strength and the skin contraction caused by surgery was small.