Umělá kůže - Artificial skin - Wikipedia

Umělá kůže je kolagen lešení, které indukuje regeneraci kůže u savců, jako jsou lidé. Tento termín byl používán koncem sedmdesátých a začátku osmdesátých let k popisu nové léčby masivních látek popáleniny. Později bylo zjištěno, že ošetření hlubokých kožních ran u dospělých zvířat a lidí pomocí tohoto lešení indukuje regeneraci dermis.^[1] Byl vyvinut komerčně pod názvem IntegraTM a používá se u pacientů s masivním popálením během plastická chirurgie kůže a při léčbě chronických kožních ran.^[2]

Alternativně se termín „umělá kůže“ někdy používá k označení tkáně podobné pokožce pěstované v laboratoři, ačkoli tato technologie je stále ještě daleko od toho, aby byla použitelná v lékařství. „Umělá kůže“ může také odkazovat na flexibilní polovodič materiály, které mohou cítit dotek pro ty, s nimiž protetické končetiny, (také experimentální).

Pozadí

Kůže je největší orgán v Lidské tělo.^[3] Kůže se skládá ze tří vrstev, epidermis, dermis a tukové vrstvy, nazývané také hypodermis. Epiderma je vnější vrstva kůže, která udržuje z těla důležité tekutiny a škodlivé bakterie. Dermis je vnitřní vrstva kůže, která obsahuje krevní cévy, nervy, vlasové folikuly, olej a potní žlázy.^[4] Těžké poškození velkých ploch kůže vystavuje lidský organismus dehydratace a infekce což může mít za následek smrt.

Tradičním způsobem řešení velkých ztrát kůže bylo použití kožních štěpů od pacienta (autotransplantáty) nebo od nepříbuzného dárce nebo mrtvoly. První přístup má tu nevýhodu, že nemusí být k dispozici dostatek kůže, zatímco druhý přístup má možnost odmítnutí nebo infekce. Až do konce dvacátého století byly kožní štěpy konstruovány z pacientovy vlastní kůže. To se stalo problémem, když byla kůže značně poškozena, což znemožňovalo léčbu těžce zraněných pacientů pouze autografty.^[5]

Regenerovaná kůže: objev a klinické použití

Proces vyvolání regenerace v kůži vynalezl Dr. Ioannis V. Yannas (tehdejší odborný asistent v divizi vláken a polymerů, katedra strojního inženýrství, Massachusetts Institute of Technology ) a Dr. John F. Burke (tehdejší vedoucí štábu v Shriners Burns Institute v Bostonu, Massachusetts). Jejich původním cílem bylo objevit kryt rány, který by chránil těžká poranění kůže před infekcí urychlením uzavření rány. Bylo připraveno a testováno několik druhů štěpů ze syntetických a přírodních polymerů na zvířecím modelu morčete. Na konci 70. let bylo zřejmé, že původního cíle nebylo dosaženo. Místo toho tyto experimentální štěpy obvykle neměly vliv na rychlost uzavření rány. V jednom případě však určitý typ kolagenového štěpu vedl k významnému zpoždění uzavření rány.^[6] Pečlivé studium histologických vzorků odhalilo, že štěpy, které zpozdily uzavření rány, indukovaly v místě poranění syntézu nové dermis de novo, místo aby vytvářely jizvu, což je normální výsledek reakce spontánního hojení ran. Jednalo se o první demonstraci regenerace tkáně (dermis), která se u dospělého savce sama neregeneruje.^{[7][8][9][10][11][12]} Po počátečním objevu vedl další výzkum ke složení a výrobě štěpů, které byly hodnoceny v klinických studiích.^[11][13] Tyto štěpy byly syntetizovány jako roubovaný kopolymer z mikrofibrilárního kolagenu typu I a glykosaminoglykanu, chondroitin-6-sulfátu, zpracovány do porézních listů lyofilizací a poté zesítěny dehydrotermálním zpracováním.^[14] Nakonec bylo shledáno, že kontrola strukturních vlastností kolagenového lešení (průměrná velikost pórů, rychlost degradace a povrchová chemie) je kritickým předpokladem jeho neobvyklé biologické aktivity. V roce 1981 Burke a Yannas dokázali, že jejich umělá kůže funguje pacientů s 50 až 90 procenty popáleniny, což výrazně zvyšuje šance na uzdravení a improvizovanou kvalitu života.^[15][16] John F. Burke také tvrdil, v roce 1981, „[Umělá kůže] je měkká a poddajná, není tuhá a tvrdá, na rozdíl od jiných látek používaných k zakrytí spálené kůže.“^[17]

Několik patentů bylo uděleno MIT na vytváření štěpů na bázi kolagenu, které mohou vyvolat regeneraci dermis. US Pat. 4 418 691 (6. prosince 1983) byl citován síní slávy národních vynálezců jako klíčový patent popisující vynález procesu pro regenerovanou pokožku (Síň slávy vynálezců Natl Inventors, 2015^[18]). Tyto patenty byly později převedeny na komerční produkt (IntegraTM) společností Integra LifeSciences Corp., která byla založena v roce 1993. Štěpy IntegraTM obdržely schválení FDA v roce 1996 a od té doby se celosvětově používají k léčbě pacientů, kteří potřebují k ošetření novou kůži masivní popáleniny, ti, kteří podstupují plastické operace kůže, a pacienti s chronickými ranami na kůži i další, kteří trpí určitými formami rakoviny kůže. V klinické praxi se na místo poranění umístí tenký štěp vyrobený z aktivního kolagenového lešení. , který je poté pokryt tenkou vrstvou silikonového elastomeru, který chrání místo rány před bakteriální infekcí a dehydratací. Štěp může být zaočkován autologními buňkami (keratinocyty), aby se urychlilo uzavření rány, avšak přítomnost těchto buněk není pro regeneraci dermis nutná.^[10] Roubování kožních ran pomocí IntegraTM vede k syntéze normální vaskularizované a inervované dermis de novo, po které následuje reepitelizace a tvorba epidermis. Ačkoli časné verze lešení nebyly schopné regenerovat vlasové folikuly a potní žlázy, pozdější vývoj S. T. Boyce a spolupracovníků vedl k řešení tohoto problému.^[19]

Mechanismus regenerace pomocí aktivního kolagenového lešení byl do značné míry objasněn. Lešení si zachovává regenerační aktivitu za předpokladu, že bylo připraveno s příslušnými hladinami specifického povrchu (velikost pórů v rozmezí 20 - 125 um), rychlostí degradace (poločas degradace 14 ± 7 dní) a povrchovými chemickými vlastnostmi (hustoty ligandů pro integriny α1β1 a α2β1 musí překročit přibližně 200 μΜ ligandů α1β1 a α2β1).^[20] Byla vyslovena hypotéza, že pro indukci regenerace kůže v přítomnosti tohoto lešení je nutné specifické navázání dostatečného počtu kontraktilních buněk (myofibroblastů) na povrch lešení, ke kterému dochází v úzkém časovém okně.^[21] Studie s kožními ranami byly rozšířeny na transekované periferní nervy a kombinované důkazy podporují společný mechanismus regenerace kůže a periferních nervů pomocí tohoto lešení.^[22]

Další výzkum

Neustále se provádí výzkum na umělé pokožce. Novější technologie, například autologní nastříkat na kůži produkovaný Avita Medical,^[23] jsou testovány ve snaze zrychlit léčení a minimalizovat jizvy.

The Fraunhoferův institut pro mezifázové inženýrství a biotechnologie se plně snaží Automatizovaný proces výroby umělé kůže. Jejich cílem je jednoduchá dvouvrstvá kůže bez krevních cév, kterou lze použít ke studiu interakce pokožky se spotřebními výrobky, jako jsou krémy a léky. Doufají, že nakonec vytvoří složitější kůži, kterou lze použít při transplantacích.^[24]

Hanna Wendt a tým jejích kolegů z Oddělení plastické, ruční a rekonstrukční chirurgie na Lékařské škole v Hannoveru v Německu našli metodu pro vytváření umělé kůže pomocí pavoučí hedvábí. Před tím se však umělá kůže pěstovala pomocí podobných materiálů kolagen. Tyto materiály se nezdály dostatečně silné. Místo toho se Wendt a její tým obrátili na pavoučí hedvábí, o kterém je známo, že je 5krát silnější než Kevlar. Hedvábí se sklízí „dojením“ hedvábných žláz zlatých pavouků. Hedvábí bylo při sklizni navinuto a poté bylo tkané do obdélníkového ocelového rámu. Ocelový rám měl tloušťku 0,7 mm a výsledná vazba se snadno manipulovala nebo sterilizovala. Buňky lidské kůže byly přidány do hedvábného hedvábí a bylo zjištěno, že vzkvétají v prostředí poskytujícím živiny, teplo a vzduch. V současné době však není použití pavoučího hedvábí k pěstování umělé kůže ve velkém množství praktické kvůli zdlouhavému procesu sběru hedvábného pavouka.^[25]

Australští vědci v současné době hledají nový inovativní způsob výroby umělé kůže. Tak by se umělá kůže vytvořila rychleji a efektivněji. Vyrobená kůže by měla tloušťku pouze 1 milimetr a byla by použita pouze k obnově pokožky. Mohou také vytvořit kůži o tloušťce 1,5 centimetru, což by v případě potřeby umožnilo dermis se sama opravit. To by vyžadovalo kostní dřeň z daru nebo z těla pacienta. Kostní dřeň by byla použita jako „semeno“ a byla by umístěna do štěpů napodobujících dermis. To bylo testováno na zvířatech a bylo prokázáno, že pracuje se zvířecí kůží. Profesor Maitz řekl: „V Austrálii někdo s popáleniny v plné tloušťce až na 80 procent jejich povrchu těla mají všechny vyhlídky na přežití zranění ... Kvalita jejich života však zůstává diskutabilní, protože v současné době nejsme schopni nahradit spálenou pokožku normální kůží … Zavázali jsme se zajistit, aby bolest přežití stála za to, a to vytvořením ekvivalentu živé kůže. “^[26]

Syntetická kůže

Další forma „umělé kůže“ byla vytvořena z pružnosti polovodič materiály, které mohou cítit dotek pro ty, s nimiž protetické končetiny.^[27][28] Předpokládá se, že umělá kůže zesílí robotika při provádění základních prací, které by byly považovány za choulostivé a vyžadovaly by citlivý „dotek“.^[27][29] Vědci zjistili, že nanesením vrstvy gumy na dvě paralelní elektrody, které uchovávají elektrické náboje uvnitř umělé kůže, lze detekovat malé množství tlaku. Když je vyvíjen tlak, mění se elektrický náboj v kaučuku a změna je detekována elektrodami. Film je však tak malý, že při působení tlaku na pokožku se molekuly nemají kam pohnout a zapletou se. Molekuly se také po odstranění tlaku nevrátí do původního tvaru.^[30] Nedávný vývoj v oblasti techniky syntetické kůže byl učiněn přidělením vlastností měnících barvu tenké vrstvě křemíku pomocí umělých vyvýšenin, které odrážejí velmi specifickou vlnovou délku světla. Vyladěním mezer mezi těmito hřebeny lze ovládat barvu odráženou kůží.^[31] Tuto technologii lze použít v kamuflážích a senzorech s barevným posunem, které dokážou detekovat jinak nepostřehnutelné vady budov, mostů a letadel.

3D tiskárny

Universidad Carlos III de Madrid, Centrum pro energii, Environmentální a technologický výzkum, Nemocnice General Universitario Gregorio Marañón a Skupina BioDan vytvořil 3D biotiskárnu schopnou vytvořit lidskou kůži, která funguje přesně jako skutečná kůže.^[32]

Reference