Искусственная кожа - это коллагеновый каркас, который вызывает регенерацию кожи у млекопитающих, таких как человек. Этот термин использовался в конце 1970-х - начале 1980-х годов для описания нового метода лечения массивных ожогов . Позже было обнаружено, что лечение глубоких кожных ран у взрослых животных и людей с помощью этого каркаса вызывает регенерацию дермы . [1] Он был коммерчески разработан под названием «Интегра» и используется у пациентов с массивными ожогами, во время пластических операций на коже и при лечении хронических кожных ран. [2]
В качестве альтернативы, термин «искусственная кожа» иногда используется для обозначения кожеподобной ткани, выращенной в лаборатории, хотя эта технология все еще далека от того, чтобы быть жизнеспособной для использования в области медицины. «Искусственная кожа» может также относиться к гибким полупроводниковым материалам, которые могут ощущать прикосновение для людей с протезами конечностей (также экспериментально).
Задний план
Кожа является самым большим органом в организме 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] Серьезное повреждение больших участков кожи подвергает человеческий организм обезвоживанию и инфекциям, которые могут привести к смерти.
Традиционные способы борьбы с большими потерями кожи заключались в использовании кожных трансплантатов от пациента (аутотрансплантаты), от неродственного донора или трупа. Первый подход имеет недостаток, заключающийся в том, что может быть недостаточно кожи, в то время как последний страдает возможностью отторжения или инфицирования. До конца двадцатого века кожные трансплантаты создавались из собственной кожи пациента. Это стало проблемой, когда кожа была сильно повреждена, что сделало невозможным лечение серьезно травмированных пациентов только аутотрансплантатами. [5]
Регенерированная кожа: открытие и клиническое использование
Процесс для стимулирования регенерации кожи был изобретен доктором Иоаннисом В. Яннасом (в то время доцентом отделения волокон и полимеров факультета машиностроения Массачусетского технологического института ) и доктором Джоном Ф. Берк (в то время руководителем сотрудники Института Шрайнерса Бернса 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 природных 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, превращены в пористые листы с помощью сублимационной сушки, а затем сшиты путем дегидротермической обработки. [14] Контроль структурных особенностей коллагенового каркаса (средний размер пор, скорость разложения и химический состав поверхности) в конечном итоге оказался критическим условием его необычной биологической активности. В 1981 году Берк и Яннас доказали, что их искусственная кожа действует на пациентов с ожогами от 50 до 90 процентов , значительно улучшая 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 сгоревшей 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 как ключевой патент, описывающий изобретение процесса регенерации кожи (Зал славы изобретателей Inductees Natl, 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, те, кто подвергается пластической хирургии кожи, пациенты с хроническими кожными ранами, а также другие люди, страдающие определенными формами рака кожи. В клинической практике тонкий лист трансплантата, изготовленный из активного коллагенового каркаса, помещается на место повреждения, которое затем покрывается тонким листом силиконового эластомера, который защищает место раны 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 Integra TM 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 ST Boyce и соавторов 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 приблизительно 200 мкл лигандов α1β1 и α2β1). [20] Было высказано предположение, что специфическое связывание достаточного количества сократительных клеток (миофибробластов) на поверхности каркаса, происходящее в течение 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 аутологичных спрей на коже производимого Avita Medical , [23] испытываются в усилиях , направленных на ускорение заживления и свести к минимуму образование рубцов.
Институт Фраунгофера для межфазной инженерии и биотехнологии работает в направлении полностью автоматизированный процесс производства 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, кистевой и реконструктивной хирургии Медицинской школы Ганновера, Германия, нашли метод создания искусственной кожи с использованием паучьего шелка . 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 кевлара . 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 иметь толщину 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. Для этого потребуется 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 Майц сказал: «В Австралии кто-то с полный ожог до 80 процентов 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
Другая форма «искусственной кожи» была создана из гибких полупроводниковых материалов, которые могут ощущать прикосновение для людей с протезами конечностей . [27] [28] Ожидается, что искусственная кожа дополнит робототехнику при выполнении рудиментарных работ, которые будут считаться деликатными и требуют чувствительного «прикосновения». [27] [29] Ученые обнаружили, что при нанесении слоя резины с двумя параллельными электродами, которые накапливают 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 надавливании 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 сделано путем придания свойств изменения цвета тонкому слою кремния с помощью искусственных гребней, которые отражают очень определенную длину волны света. Регулируя промежутки между этими выступами, можно управлять цветом, который будет отражаться кожей. [31] Эта технология может быть использована в камуфляже с изменяющимся цветом и в датчиках, которые могут обнаруживать незаметные в противном случае дефекты в зданиях, мостах и самолетах.
3D принтеры
Мадридский университет Карлоса III , Центр энергетических , экологических и технологических исследований , Общая больница Университарио Грегорио Мараньон и BioDan Group создали трехмерный биопринтер, способный создавать человеческую кожу, которая функционирует точно так же, как настоящая кожа. [32]
Рекомендации
- ^ Гарфейн, Э. (2009-01-01), Оргилл, Деннис; Бланко, Карлос (ред.), «2 - Продукты и рынки для замены кожи» , Биоматериалы для лечения потери кожи , Серия публикаций Woodhead по биоматериалам, Издательство Woodhead, стр. 9–17, ISBN 9781845693633, получено 23.10.2019
- ^ Уинфри, Мэн; Cochran, M .; Хегарти, MT (январь 1999 г.). «Новая технология в ожоговой терапии: искусственная кожа INTEGRA». Измерения интенсивной терапии . 18 (1): 14–20. DOI : 10.1097 / 00003465-199901000-00003 . ISSN 0730-4625 . PMID 10639995 .
- ^ Дахия, RS (2012). Роботизированное тактильное зондирование . Springer. п. 265. ISBN 978-94-007-0578-4.
- ^ http://www.discoveriesinmedicine.com/Apg-Ban/Artificial-Skin.html
- ^ «Как делают искусственную кожу ?: Информация от» . Answers.com . Проверено 17 октября 2013 .
- ^ IV Яннас (1981). Дайнин (ред.). «Использование искусственной кожи в лечении ран». Хирургическая рана : 170–191.
- ^ IV Яннас; Дж. Ф. Берк (1980). «Дизайн искусственной кожи I. Основные принципы дизайна». J. Biomed. Матер. Res . 14 (1): 65–81. DOI : 10.1002 / jbm.820140108 . PMID 6987234 .
- ^ IV Яннас; Дж. Ф. Берк; М. Варпехоски; П. Стасикелис; Е.М. Скрабут; Д. Оргилл; DJ Giard (1981). «Оперативная, долговременная функциональная замена кожи». Пер. Являюсь. Soc. Артиф. Междунар. Органы . 27 : 19–22. PMID 7036496 .
- ^ IV Яннас; Дж. Ф. Берк; DP Orgill; Е.М. Скрабут (1982). «Ткань раны может использовать полимерный шаблон для синтеза функционального расширения кожи». Наука . 215 (4529): 174–176. DOI : 10.1126 / science.7031899 . PMID 7031899 .
- ^ а б IV Яннас Э. Ли; DP Orgill; Е.М. Скрабут; Г. Ф. Мерфи (1989). «Синтез и характеристика модельного внеклеточного матрикса, который вызывает частичную регенерацию кожи взрослых млекопитающих» . Proc. Natl. Акад. Sci. США . 86 (3): 933–937. DOI : 10.1073 / pnas.86.3.933 . PMC 286593 . PMID 2915988 .
- ^ а б Дж. Ф. Берк; IV Яннас; WCQ Jr .; CC Bondoc; У. К. Юнг (1981). «Успешное использование физиологически приемлемой искусственной кожи при лечении обширной ожоговой травмы» . Аня. Surg . 194 (4): 413–428. DOI : 10.1097 / 00000658-198110000-00005 . PMC 1345315 . PMID 6792993 .
- ^ Г.Ф. Мерфи; DP Orgill; IV Яннас (1990). «Частичная регенерация дермы вызывается биоразлагаемыми коллаген-гликозаминогликановыми трансплантатами». Лаборатория. Инвестируйте . 62 : 305–313. PMID 2314050 .
- ^ Д.А. Хаймбах; А. Лутерман; Дж. Берк; A. Cram; Д. Херндон; Дж. Хант; М. Джордан; В. Макманус; Л. Солем; Г. Уорден; и другие. (1988). «Искусственная дерма при больших ожогах» . Аня. Surg . 208 (3): 313–320. DOI : 10.1097 / 00000658-198809000-00008 . PMC 1493652 . PMID 3048216 .
- ^ IV Яннас; Дж. Ф. Берк; П.Л. Гордон; К. Хуанг; Р. Х. Рубинштейн (1980). «Дизайн искусственной кожи II: Контроль химического состава». J. Biomed. Матер. Res . 14 (2): 107–131. DOI : 10.1002 / jbm.820140203 . PMID 7358747 .
- ^ Вителло, Пол. «Доктор Джон Ф. Берк, умер в возрасте 89 лет; созданная синтетическая кожа» . Проверено 30 июля 2018 .
- ^ Сингх, Раджат (27 июля 2015 г.). «Приключения: искусственная кожа» . приключения . Проверено 30 июля 2018 .
- ^ Альтман, Лоуренс К. «В БОСТОНЕ СООБЩАЕТСЯ О РАЗРАБОТКЕ ИСКУССТВЕННОЙ КОЖИ ДЛЯ ЖЕРТВ С ОЖОГОМ» . Проверено 30 июля 2018 .
- ^ «Иоаннис Яннас будет введен в Национальный зал славы изобретателей» .
- ^ П. Шривирианонт; К.А. Линч; К.Л. Макфарланд; DM Supp; С. Т. Бойс (2013). «Характеристика развития волосяных фолликулов в искусственных заменителях кожи» . PLOS One . 8 (6): 65664. DOI : 10.1371 / journal.pone.0065664 . PMC 3684595 . PMID 23799033 .
- ^ Д.С. Церанис; Soller EC; Буйдаш МС; Итак, PTC; Яннас IV (2015). «C Количественная оценка химии поверхности в пористых коллагеновых биоматериалах на месте» . Анналы биомедицинской инженерии . 44 (3): 803–815. DOI : 10.1007 / s10439-015-1445-х . PMC 4791220 . PMID 26369635 .
- ^ Яннас, Иоаннис. Яннас И.В. Регенерация тканей и органов у взрослых (второе изд.). Нью-Йорк: Спрингер.
- ^ EC Soller; Д.С. Церанис; К. Миу; П. Т. Со и И. В. Яннас (2012). «Общие черты оптимальных коллагеновых каркасов, которые нарушают сокращение раны и усиливают регенерацию как периферических нервов, так и кожи». Биоматериалы . 33 (19): 4783–91. DOI : 10.1016 / j.biomaterials.2012.03.068 . PMID 22483241 .
- ^ Гравиц, Лорен (5 ноября 2009 г.). «Распыление на клетки кожи для лечения ожогов» . Обзор технологий . Проверено 15 февраля 2010 года .
- ^ Fraunhofer-Gesellschaft (19 мая 2009 г.). «Искусственная кожа, произведенная в полностью автоматизированном процессе» . Science Daily . Проверено 15 февраля 2010 года .
- ^ «Искусственная кожа из паучьего шелка: Новости открытия» . News.discovery.com. 2011-08-10 . Проверено 17 октября 2013 .
- ^ «Новая форма искусственной кожи человека» . News-medical.net . Проверено 17 октября 2013 .
- ^ а б Dahiya, Ravinder S .; Валле, Маурицио (13 марта 2019 г.). «Роботизированное тактильное зондирование: технологии и системы» . Springer, Нидерланды - через www.springer.com.
- ^ Стинхейзен, Джули (12 сентября 2010 г.). Материалы «искусственной кожи» могут ощущать давление » . Рейтер . Yahoo News. Архивировано 16 сентября 2010 года . Проверено 14 сентября 2010 года .
- ^ Дахия, Равиндер; Моника Гори (14 апреля 2010 г.). «Исследование отпечатков пальцев». Журнал нейрофизиологии . 104 (1): 1–3. DOI : 10,1152 / jn.01007.2009 . PMID 20393056 .
- ^ «Новая искусственная кожа может сделать протезы и роботов более чувствительными» . е! Новости науки. 2010-09-13 . Проверено 17 октября 2013 .
- ^ Л. Чжу; Дж. Капраун; Дж. Феррара; CJ Chang-Hasnain (март 2015). «Гибкие фотонные метаструктуры для перестраиваемой окраски» . Optica . 2 (3): 255–8. DOI : 10.1364 / OPTICA.2.000255 .
- ^ «Трехмерный биопринтер для печати на коже человека» . ScienceDaily .