Искусственная кожа - Википедия - Artificial skin

Искусственная кожа это коллаген каркас, который вызывает регенерацию кожа у млекопитающих, таких как человек. Этот термин использовался в конце 1970-х - начале 1980-х годов для описания нового метода лечения массивных ожоги. Позже было обнаружено, что лечение глубоких кожных ран у взрослых животных и людей с помощью этого каркаса вызывает регенерацию дерма.[1] Он был коммерчески разработан под названием IntegraTM и используется у пациентов с массивными ожогами во время пластическая хирургия кожи, а также при лечении хронических кожных ран.[2]

В качестве альтернативы, термин «искусственная кожа» иногда используется для обозначения подобной коже ткани, выращенной в лаборатории, хотя эта технология все еще далека от того, чтобы быть пригодной для использования в области медицины. «Искусственная кожа» также может относиться к гибкой полупроводник материалы, которые могут чувствовать прикосновение для тех, кто протезы конечностей, (тоже экспериментальный).

Фон

Кожа самая большая орган в тело человека.[3] Кожа состоит из трех слоев: эпидермиса, дермы и жирового слоя, также называемого гиподермой. Эпидермис - это внешний слой кожи, который удерживает жизненно важные жидкости и вредные бактерии из организма. Дерма - это внутренний слой кожи, который содержит кровеносные сосуды, нервы, волосяные фолликулы, масло и потовые железы.[4] При сильном повреждении больших участков кожи человеческий организм подвергается воздействию обезвоживание и инфекции что может привести к смерти.

Традиционные способы борьбы с большими потерями кожи заключались в использовании кожных трансплантатов пациента (аутотрансплантаты), неродственного донора или трупа. Первый подход имеет недостаток, заключающийся в том, что может быть недостаточно кожи, в то время как последний страдает возможностью отказ или инфекция. До конца двадцатого века кожные трансплантаты создавались из собственной кожи пациента. Это стало проблемой, когда кожа была сильно повреждена, что сделало невозможным лечение тяжелораненых пациентов только аутотрансплантатами.[5]

Регенерированная кожа: открытие и клиническое использование

Процесс восстановления кожи был изобретен доктором Иоаннисом В. Яннасом (в то время доцентом отделения волокон и полимеров, кафедра машиностроения, в Массачусетский Институт Технологий ) и доктором Джоном Ф. Берком (тогдашним руководителем персонала Института Шрайнерс Бернс в Бостоне, Массачусетс). Их первоначальная цель состояла в том, чтобы найти раневое покрытие, которое защитило бы тяжелые кожные раны от инфекции за счет ускорения закрытия раны. Было приготовлено несколько видов трансплантатов из синтетических и натуральных полимеров и протестировано на модели морских свинок. К концу 1970-х годов стало очевидно, что первоначальная цель не была достигнута. Вместо этого эти экспериментальные трансплантаты обычно не влияли на скорость закрытия раны. В одном случае, однако, конкретный тип коллагенового трансплантата привел к значительной задержке закрытия раны.[6] Тщательное изучение гистологических образцов показало, что трансплантаты, которые задерживают закрытие раны, индуцируют синтез новой дермы de novo в месте повреждения вместо образования рубца, что является нормальным результатом спонтанной реакции заживления ран. Это была первая демонстрация регенерации ткани (дермы), которая не регенерируется сама по себе, у взрослого млекопитающего.[7][8][9][10][11][12] После первоначального открытия дальнейшие исследования привели к составу и изготовлению трансплантатов, которые были оценены в клинических испытаниях.[11][13] Эти трансплантаты были синтезированы как привитой сополимер микрофибриллярного коллагена I типа и гликозаминогликана, хондроитин-6-сульфата, изготовлены в пористые листы с помощью сублимационной сушки, а затем сшиты дегидротермальной обработкой.[14] В конечном итоге было обнаружено, что контроль структурных особенностей коллагенового каркаса (средний размер пор, скорость разложения и химический состав поверхности) является критическим предварительным условием его необычной биологической активности. В 1981 г. Берк и Яннас доказали, что их искусственная кожа работает на пациенты от 50 до 90 процентов ожоги, значительно повышая шансы на выздоровление и улучшая качество жизни.[15][16] Джон Ф. Берк также утверждал в 1981 году: «[Искусственная кожа] мягкая и податливая, а не жесткая и твердая, в отличие от других веществ, используемых для покрытия обгоревшей кожи».[17]

Массачусетскому технологическому институту было выдано несколько патентов на создание трансплантатов на основе коллагена, которые могут вызывать регенерацию дермы. Патент США 4 418 691 (6 декабря 1983 г.) был процитирован Национальным залом славы изобретателей в качестве ключевого патента, описывающего изобретение процесса регенерации кожи (Inductees Natl Inventors Hall of Fame, 2015[18]). Позднее эти патенты были переведены в коммерческий продукт (Integra TM) компанией Integra LifeSciences Corp., основанной в 1993 году. Трансплантаты Integra TM получили одобрение FDA в 1996 году и с тех пор применяются во всем мире для лечения пациентов, которым требуется новая кожа для лечения. массивные ожоги, пациенты, перенесшие пластические операции на коже, пациенты с хроническими кожными ранами, а также другие люди, страдающие определенными формами рака кожи. В клинической практике на место повреждения помещается тонкий трансплантат, изготовленный из активного коллагенового каркаса. , который затем покрывается тонким слоем силиконового эластомера, который защищает рану от бактериальной инфекции и обезвоживания. В трансплантат можно засеять аутологичные клетки (кератиноциты), чтобы ускорить закрытие раны, однако присутствие этих клеток не требуется для регенерации дермы.[10] Пересадка кожных ран с помощью IntegraTM приводит к синтезу нормальной васкуляризированной и иннервируемой дермы de novo с последующей реэпителизацией и образованием эпидермиса. Хотя ранние версии каркаса не были способны регенерировать волосяные фолликулы и потовые железы, более поздние разработки С.Т. Бойса и его сотрудников привели к решению этой проблемы.[19]

Механизм регенерации с использованием активного коллагенового каркаса в значительной степени выяснен. Каркас сохраняет регенеративную активность при условии, что он был приготовлен с соответствующими уровнями удельной поверхности (размер пор в диапазоне 20-125 мкм), скорости разложения (период полураспада 14 ± 7 дней) и химических свойств поверхности (плотности лигандов для интегринов. α1β1 и α2β1 должны превышать примерно 200 мкл лигандов α1β1 и α2β1).[20] Была выдвинута гипотеза, что специфическое связывание достаточного количества сократительных клеток (миофибробластов) на поверхности каркаса, происходящее в пределах узкого временного окна, необходимо для индукции регенерации кожи в присутствии этого каркаса.[21] Исследования кожных ран были распространены на перерезанные периферические нервы, и объединенные данные подтверждают общий механизм регенерации кожи и периферических нервов с использованием этого каркаса.[22]

Дальнейшие исследования

Исследования искусственной кожи постоянно ведутся. Новые технологии, такие как аутологичный спрей на кожу произведено Авита Медикал,[23] проходят испытания в стремлении ускорить выздоровление и минимизировать рубцы.

В Институт Фраунгофера для межфазной инженерии и биотехнологии работает над тем, чтобы полностью автоматизированный процесс изготовления искусственной кожи. Их цель - простая двухслойная кожа без кровеносных сосудов, которую можно использовать для изучения взаимодействия кожи с потребительскими товарами, такими как кремы и лекарства. Они надеются в конечном итоге создать более сложную кожу, которую можно будет использовать при трансплантации.[24]

Ханна Вендт и группа ее коллег из отделения пластической хирургии кисти и реконструктивной хирургии Медицинской школы Ганновера, Германия, нашли метод создания искусственной кожи с использованием паучий шелк. Однако до этого искусственная кожа выращивалась с использованием таких материалов, как коллаген. Эти материалы не казались достаточно прочными. Вместо этого Вендт и ее команда обратились к паучьему шелку, который, как известно, в 5 раз прочнее, чем Кевлар. Шелк добывается путем «доения» шелковых желез пауков с золотым шаром. По мере сбора шелк наматывали на катушку, а затем из него вплетали прямоугольную стальную раму. Стальной каркас имел толщину 0,7 мм, и полученное плетение было легко обрабатывать или стерилизовать. Клетки кожи человека были добавлены к сетчатому шелку, и было обнаружено, что они процветают в среде, обеспечивающей питательные вещества, тепло и воздух. Однако в настоящее время использование паучьего шелка для выращивания искусственной кожи в массовых количествах нецелесообразно из-за утомительного процесса сбора паучьего шелка.[25]

Австралийские исследователи в настоящее время ищут новый инновационный способ создания искусственной кожи. Это позволит производить искусственную кожу быстрее и эффективнее. Полученная кожа будет толщиной всего 1 миллиметр и будет использоваться только для восстановления эпидермиса. Они также могут сделать кожу толщиной 1,5 сантиметра, что позволит дерме при необходимости восстановиться. Это потребует Костный мозг от пожертвования или от тела пациента. Костный мозг будет использоваться в качестве «семени» и будет помещен в трансплантаты для имитации дермы. Это было протестировано на животных и доказано, что работает с кожей животных. Профессор Мейтц сказал: «В Австралии кто-то с полный ожог до 80% площади их тела имеет все шансы выжить после травмы ... Однако качество их жизни остается под вопросом, поскольку в настоящее время мы не можем заменить обожженную кожу нормальной кожей … Мы стремимся к тому, чтобы боль выживания того стоила, путем разработки эквивалента живой кожи ».[26]

Синтетическая кожа

Еще одна форма «искусственной кожи» создана из гибкой полупроводник материалы, которые могут чувствовать прикосновение для тех, кто протезы конечностей.[27][28] Ожидается, что искусственная кожа увеличит робототехника в выполнении рудиментарных работ, которые считались бы деликатными и требовали чувствительного «прикосновения».[27][29] Ученые обнаружили, что при нанесении слоя резины с двумя параллельными электродами, которые хранят электрические заряды внутри искусственной кожи, можно обнаружить небольшое давление. При приложении давления электрический заряд в резине изменяется, и это изменение регистрируется электродами. Однако пленка настолько мала, что при давлении на кожу молекулам некуда двигаться и они запутываются. Молекулы также не могут вернуться к своей первоначальной форме при снятии давления.[30] Недавнее развитие техники синтетической кожи было достигнуто путем придания свойств изменения цвета тонкому слою кремния с помощью искусственных выступов, которые отражают очень определенную длину волны света. Регулируя промежутки между этими выступами, можно управлять цветом, который будет отражаться кожей.[31] Эта технология может использоваться в масках с изменяющимся цветом и в датчиках, которые могут обнаруживать незаметные дефекты в зданиях, мостах и ​​самолетах.

3D принтеры

Мадридский университет Карлоса III, Центр энергетики, Экологические и технологические исследования, Больница General Universitario Gregorio Marañón и BioDan Group создал 3D-биопринтер, способный создавать человеческую кожу, которая функционирует точно так же, как настоящая кожа.[32]

Рекомендации

  1. ^ Гарфейн, Э. (2009-01-01), Оргилл, Деннис; Бланко, Карлос (ред.), «2 - Продукты для замены кожи и рынки», Биоматериалы для лечения потери кожи, Серия изданий Woodhead по биоматериалам, издательство Woodhead Publishing, стр. 9–17, ISBN  9781845693633, получено 2019-10-23
  2. ^ Winfrey, M.E .; Cochran, M .; Хегарти, М. Т. (январь 1999 г.). «Новая технология в ожоговой терапии: искусственная кожа INTEGRA». Измерения интенсивной терапии. 18 (1): 14–20. Дои:10.1097/00003465-199901000-00003. ISSN  0730-4625. PMID  10639995.
  3. ^ Дахия, Р. С. (2012). Роботизированное тактильное зондирование. Springer. п. 265. ISBN  978-94-007-0578-4.
  4. ^ http://www.discoveriesinmedicine.com/Apg-Ban/Artificial-Skin.html
  5. ^ "Как делают искусственную кожу ?: Информация от". Answers.com. Получено 2013-10-17.
  6. ^ И.В. Яннас (1981). Дайнин (ред.). «Использование искусственной кожи в лечении ран». Хирургическая рана: 170–191.
  7. ^ И.В. Яннас; Дж. Ф. Берк (1980). «Дизайн искусственной кожи I. Основные принципы дизайна». J. Biomed. Mater. Res. 14 (1): 65–81. Дои:10.1002 / jbm.820140108. PMID  6987234.
  8. ^ И.В. Яннас; Дж. Ф. Берк; М. Варпехоски; П. Стасикелис; Е.М.Скрабут; Д. Оргилл; Д.Дж. Giard (1981). «Оперативная, долговременная функциональная замена кожи». Пер. Являюсь. Soc. Артиф. Междунар. Органы. 27: 19–22. PMID  7036496.
  9. ^ И.В. Яннас; Дж. Ф. Берк; Д.П. Оргилл; Е.М.Скрабут (1982). «Ткань раны может использовать полимерный шаблон для синтеза функционального расширения кожи». Наука. 215 (4529): 174–176. Дои:10.1126 / science.7031899. PMID  7031899.
  10. ^ а б И.В. Яннас Э. Ли; Д.П. Оргилл; Е.М.Скрабут; Г.Ф. Мерфи (1989). «Синтез и характеристика модельного внеклеточного матрикса, который вызывает частичную регенерацию кожи взрослых млекопитающих». Proc. Natl. Акад. Sci. Соединенные Штаты Америки. 86 (3): 933–937. Дои:10.1073 / пнас.86.3.933. ЧВК  286593. PMID  2915988.
  11. ^ а б Дж. Ф. Берк; И.В. Яннас; W.C.Q. Jr .; C.C. Бондок; W.K. Юнг (1981). «Успешное использование физиологически приемлемой искусственной кожи при лечении обширной ожоговой травмы». Анна. Surg. 194 (4): 413–428. Дои:10.1097/00000658-198110000-00005. ЧВК  1345315. PMID  6792993.
  12. ^ Г.Ф. Мерфи; Д.П. Оргилл; И.В. Яннас (1990). «Частичная регенерация дермы индуцируется биоразлагаемыми коллаген-гликозаминогликановыми трансплантатами». Лаборатория. Вкладывать деньги. 62: 305–313. PMID  2314050.
  13. ^ Д.А. Хаймбах; А. Лутерман; Дж. Берк; A. Cram; Д. Херндон; Дж. Хант; М. Джордан; У. Макманус; Л. Солем; Г. Уорден; и другие. (1988). «Искусственная дерма при больших ожогах». Анна. Surg. 208 (3): 313–320. Дои:10.1097/00000658-198809000-00008. ЧВК  1493652. PMID  3048216.
  14. ^ И.В. Яннас; Дж. Ф. Берк; П.Л. Гордон; К. Хуанг; Р.Х. Рубинштейн (1980). «Дизайн искусственной кожи II: Контроль химического состава». J. Biomed. Mater. Res. 14 (2): 107–131. Дои:10.1002 / jbm.820140203. PMID  7358747.
  15. ^ Вителло, Пол. «Доктор Джон Ф. Берк, умер в возрасте 89 лет; созданная синтетическая кожа». Получено 2018-07-30.
  16. ^ Сингх, Раджат (27 июля 2015 г.). «приключения: искусственная кожа». приключения. Получено 2018-07-30.
  17. ^ Альтман, Лоуренс К. «В БОСТОНЕ РАЗРАБОТАНА ИСКУССТВЕННАЯ КОЖА ДЛЯ ЖЕРТВ С ОБЖОГОМ». Получено 2018-07-30.
  18. ^ «Иоаннис Яннас будет введен в Национальный зал славы изобретателей».
  19. ^ П. Шривирианонт; К.А. Линч; К.Л. Макфарланд; D.M. Supp; S.T. Бойс (2013). «Характеристика развития волосяных фолликулов в искусственных заменителях кожи». PLOS One. 8 (6): 65664. Дои:10.1371 / journal.pone.0065664. ЧВК  3684595. PMID  23799033.
  20. ^ Д.С. Церанис; Soller E.C .; Буйдаш М.К .; Итак, P.T.C .; Яннас И.В. (2015). «C Количественная оценка химического состава поверхности в пористых коллагеновых биоматериалах на месте». Анналы биомедицинской инженерии. 44 (3): 803–815. Дои:10.1007 / s10439-015-1445-х. ЧВК  4791220. PMID  26369635.
  21. ^ Яннас, Иоаннис. Яннас И.В. Регенерация тканей и органов у взрослых (второе изд.). Нью-Йорк: Спрингер.
  22. ^ E.C. Soller; Д.С. Церанис; К. Миу; P.T. So & I.V. Яннас (2012). «Общие особенности оптимальных коллагеновых каркасов, которые нарушают сокращение раны и усиливают регенерацию как периферических нервов, так и кожи». Биоматериалы. 33 (19): 4783–91. Дои:10.1016 / j.biomaterials.2012.03.068. PMID  22483241.
  23. ^ Гравиц, Лорен (5 ноября 2009 г.). «Распыление на клетки кожи для лечения ожогов». Обзор технологий. Получено 15 февраля, 2010.
  24. ^ Fraunhofer-Gesellschaft (19 мая 2009 г.). «Искусственная кожа, произведенная в полностью автоматизированном процессе». Science Daily. Получено 15 февраля, 2010.
  25. ^ «Искусственная кожа из паучьего шелка: новости открытия». News.discovery.com. 2011-08-10. Получено 2013-10-17.
  26. ^ «Новая форма искусственной кожи человека». News-medical.net. Получено 2013-10-17.
  27. ^ а б Dahiya, Ravinder S .; Валле, Маурицио (13 марта 2019 г.). «Роботизированное тактильное зондирование: технологии и система». Springer, Нидерланды - через www.springer.com.
  28. ^ Стинхейзен, Джули (12 сентября 2010 г.). Материалы «искусственной кожи» могут ощущать давление ». Рейтер. Yahoo News. В архиве из оригинала 16 сентября 2010 г.. Получено 14 сентября 2010.
  29. ^ Дахия, Равиндер; Моника Гори (14 апреля 2010 г.). «Исследование отпечатков пальцев». Журнал нейрофизиологии. 104 (1): 1–3. Дои:10.1152 / jn.01007.2009. PMID  20393056.
  30. ^ «Новая искусственная кожа может сделать протезы и роботов более чувствительными». е! Новости науки. 2010-09-13. Получено 2013-10-17.
  31. ^ Л. Чжу; Дж. Капраун; Дж. Феррара; Си Джей Чанг-Хаснайн (март 2015 г.). «Гибкие фотонные метаструктуры для перестраиваемой окраски». Optica. 2 (3): 255–8. Дои:10.1364 / OPTICA.2.000255.
  32. ^ «Трехмерный биопринтер для печати на коже человека». ScienceDaily.