Искусственная кожа в медицине

Основная статья: Тело человека

2024

Создана первая в мире искусственная кожа с рецепторами

Ученые из Университета Цинхуа в Китае разработали первую в мире искусственную кожу, оснащенную рецепторами, способными имитировать ощущения человеческой кожи. Об этом сообщили 7 июня 2024 года в университете. Этот прорыв был достигнут благодаря созданию бионической трехмерной архитектуры, которая воспроизводит пространственное расположение механорецепторов, обнаруженных в коже человека.

Новая «электронная кожа», разработанная под руководством профессора Чжан Ихуэя, включает в себя три слоя, аналогичных слоям человеческой кожи: эпидермис, дерму и подкожную клетчатку. Эпидермис повторяет текстуру поверхности кожи, дерма содержит большинство датчиков и рецепторов, а подкожная клетчатка имитирует нижележащие ткани. Такая конструкция позволяет искусственной коже чувствовать давление, трение и деформацию, что ранее было недоступно для существующих технологий.

𝓲

TechXplore

По данным исследовательской группы, разработанная система способна воспринимать и анализировать модули упругости и форму объекта через простой контакт. Это стало возможным благодаря интеграции трехмерной электронной оболочки с передовыми алгоритмами машинного обучения. Разработка уже была опубликована в научном журнале Science 30 мая 2024 года.Чекап для искусственного интеллекта: зачем и как тестировать ИИ-решения?

Как отметил профессор Чжан Ихуэй, вдохновленный природой дизайн электронной кожи с трехмерной архитектурой (3DAE-skin) имитирует работу медленно адаптирующихся механорецепторов, таких как клетки Меркеля и тельца Руффини, что позволяет устройству точно измерять различные виды механических воздействий. Эта технология открывает новые горизонты для применения в протезировании, обеспечивая более естественное осязание для людей с ампутированными конечностями, а также в робототехнике, расширяя тактильные возможности гуманоидов.

По словам ученых, 3DAE-оболочка демонстрирует превосходные характеристики в измерении нормальной силы, силы сдвига и деформации. Это первая в своем роде система, в которой чувствительные компоненты расположены в трехмерной схеме, что значительно повышает точность и надежность измерений.^[1]

Хирургия без шрамов: «Живую» кожу начали печатать прямо на рану

1 марта 2024 года американские исследователи из Пенсильванского университета сообщили о разработке новой технологии, которая позволяет печатать «живую» кожу непосредственно на ране. При этом обеспечивается возможность реконструкции покрова без шрамов.

Отмечается, что реконструктивная хирургия в случае травмы лица или головы обычно приводит к образованию рубцов или необратимому выпадению волос. Анатомически кожа состоит из трех слоев: внешнего (видимого) эпидермиса, средней дермы и самого глубокого слоя — гиподермы. Последний из перечисленных слоев включает соединительную ткань и жировую составляющую. Гиподерма обеспечивает структуру и защитную поддержку черепа; кроме того, в нее проникают корни волосяных фолликулов. Именно гиподерма напрямую участвует в процессе превращения стволовых клеток в жир, и этот процесс имеет решающее значение для нескольких жизненно важных функций, включая заживление ран. Он также играет роль в циклическом развитии волосяных фолликулов, включая рост волос.

𝓲

Unsplash

Ранее исследователи использовали два разных вида биочернил для одновременной 3D-печати твердых и мягких тканей для заживления ран. В новой работе специалисты извлекли из жировой ткани пациентов, перенесших операцию, внеклеточный матрикс — сеть молекул и белков, которые придают ткани структуру и стабильность. Это стало первым компонентом биочернил. В качестве второго элемента послужили стволовые клетки, взятые из жировой ткани. Третьим звеном стал раствор для свертывания крови, содержащий фибриноген, который помогал другим компонентам связываться с местом повреждения.

Каждый компонент загружался в отдельный отсек биопринтера. В результате, ученые смогли одновременно печатать смесь матрицы и фибриногена вместе со стволовыми клетками с точным контролем. Процесс осуществляется непосредственно на месте травмы с целью формирования гиподермы, которая способствует заживлению ран и образованию волосяных фолликулов. Установлено, что совместная доставка матрикса и стволовых клеток имеет решающее значение для формирования гиподермы. После биопечати слоев гиподермы и дермы внешний эпидермис сформировался сам по себе, что обеспечило почти полное заживление раны в течение двух недель.^[2]

2023

Представлена растягивающаяся электронная кожа для роботизированных протезов

26 октября 2023 года канадские исследователи из Университета Британской Колумбии совместно с японскими специалистами из компании Honda сообщили о создании растягивающейся электронной кожи с высокой чувствительностью к воздействию. Ожидается, что разработка найдет применение в робототехнике и медицине — например, в протезах нового поколения с тактильной обратной связью и в роботах, контактирующих с людьми.

Представленное покрытие содержит фиксированные и скользящие опоры, которые позволяют ему изгибаться и морщиться, имитируя характеристики естественной человеческой кожи. За тактильное восприятие отвечают датчики на основе силиконовой резины. Сенсорный слой использует слабые электрические поля для обнаружения объектов даже на расстоянии. Технология дает возможность регистрировать силы, действующие как на поверхность электронной кожи, так и вдоль нее.

Специалисты разработали растягивающуюся электронную кожу с высокой чувствительностью к воздействию

Наш датчик может воспринимать несколько типов сил, позволяя протезу или роботизированной руке реагировать на физические воздействия с высокой точностью и аккуратностью, — говорит доктор Мирза Сакиб Сарвар (Mirza Saquib Sarwar), один из авторов исследования.

Роботизированный манипулятор, покрытый кожей нового типа, способен удерживать хрупкие предметы, такие как яйцо или стеклянный стакан с водой, не раздавливая и не роняя их. Исследователи подчеркивают, что разработанные датчики просты в изготовлении, что позволяет организовать массовое производство при сравнительно небольших затратах. Вместе с тем участники проекта признают, что человеческая кожа имеет на кончиках пальцев в сто раз больше чувствительных точек, нежели электронная. В дальнейшем по мере совершенствования технологий изготовления сенсоров чувствительность растягивающегося покрытия будет повышаться.^[3]

Создаваемая при помощи биопечати кожа быстро и эффективно заживляет раны

4 октября 2023 года американские исследователи из Института регенеративной медицины Уэйк Форест (WFIRM) сообщили о разработке биопечатной кожи, которая ускоряет заживление ран и поддерживает здоровую реконструкцию внеклеточного матрикса. Это открывает путь к полному восстановлению участков кожи, поврежденных в результате ожогов или серьезных травм.

Технологии регенерация кожи разрабатываются многими научными коллективами. Однако доступные материалы для трансплантации либо являются временными, либо имеют лишь некоторые характеристики нормальной кожи, что приводит к образованию рубцов. Вместе с тем создание кожи полной толщины представляет собой очень сложную задачу — именно ее и решают специалисты WFIRM.

Разработана искусственная кожа, которая ускоряет заживление ран и поддерживает здоровую реконструкцию внеклеточного матрикса

В рамках исследования выполнена биопечать всех шести основных типов первичных клеток человека, присутствующих в коже. В качестве биочернил применялись специализированные гидрогели. Ученые создали многокомпонентную кожу полной толщины, содержащую три слоя, присутствующие в нормальной ткани человека: эпидермис, дерму и гиподерму.

В ходе проведенных экспериментов на биопечатной коже сформировались кровеносные сосуды, характерные узоры и нормальная структура тканей. Предложенный подход способствует улучшению заживления ран, уменьшению сокращения кожи и увеличению выработки коллагена, что помогает снизить образование рубцов.

Комплексное заживление кожи является серьезной клинической проблемой, затрагивающей миллионы людей во всем мире, но возможности медицины ограничены. Полученные результаты показывают, что создание биоинженерной кожи человека полной толщины возможно. При этом разработанная технология способствует более быстрому заживлению и более естественному результату, — сказал Энтони Атала (Anthony Atala), один из руководителей проекта.[4]

Создана искусственная человеческая кожа, которая «чувствует» температуру и нажим

18 мая 2023 года американские исследователи из Стэнфордского университета (SU) сообщили о разработке электронной кожи нового типа, которая способна «чувствовать» температуру и оказываемое давление. В перспективе технология может помочь вернуть тактильную чувствительность людям, получившим тяжёлые травмы или обширные ожоги. Подробнее здесь.

2022

Разработка Пермского Политеха поможет выращивать кожу

Разработка Пермского Политеха поможет выращивать кожу. Об этом университет сообщил 11 ноября 2022 года. Подробнее здесь.

Анонс электронной кожи. С ее помощью роботы смогут «видеть»

В начале июля 2022 года исследователи из Университета Глазго разработали фоточувствительную кожу, способную позволить роботам воспринимать свет. Хотя обычно фотоприемники из арсенида галлия печатают на жестких поверхностях, инженерам впервые удалось прикрепить их к гибкой поверхности.

Новая форма гибкого фотодетектора может позволить роботам будущего обнаруживать свет за пределами человеческого зрения. Инженеры использовали разработанный метод печати микроскопических полупроводников из арсенида галлия на гибкой пластиковой поверхности. Их материал обладает характеристиками, эквивалентными лучшим традиционным фотодетекторам на рынке, и способен выдерживать сотни циклов сгибания и разгибания.

Создана электронная кожа. С ее помощью роботы смогут «видеть»

По словам разработчиков, в будущем этот тип светочувствительного гибкого материала может придать новые способности роботам. Например, механические руки, используемые для производства в светочувствительных средах, могут стать способными определять, когда условия меняются, и безопасность или эффективность их работы ставится под угрозу. Гибкие фотодетекторы широкого спектра могут также найти применение в широком спектре технологий беспроводной связи, где быстрая скорость передачи и отклика, которую мы испытали, всегда востребована.

В статье исследователи описывают, как они разработали технологию, которая позволяет коже обнаруживать свет в широком диапазоне электромагнитного спектра. Работа основывается на предыдущих исследованиях группы, в которых они разработали метод печати кремниевых схем непосредственно на поверхности гибкого пластика, что позволило создать высокопроизводительную сгибаемую электронику. Арсенид галлия используется во многих электронных приложениях для создания высокопроизводительной электроники. Однако в основном они создавались на жестких поверхностях, но команда ученых из Шотландии одними из первых нашли способ использовать арсенид галлия на гибкой подложке.

Ученые адаптировали существующую систему рулонной печати для печати электроники из арсенида галлия на гибкой поверхности с помощью массивов проводов шириной 15 мкм. Это позволило им создать новый тип гибкого фотодетектора, способного воспринимать свет от ультрафиолетового диапазона, видимой части спектра до инфракрасного и все это при крайне низком энергопотреблении. Система способна сверхбыстро реагировать на свет: ей требуется всего 2,5 мс для измерения света и 8 мс для восстановления. Производительность не уступает лучшим негибким фотодетекторам, доступным на июль 2022 года. Чтобы проверить долговечность системы, исследователи из Университета Глазго подвергли материал тщательному испытанию в машине, предназначенной для сгибания и скручивания сотни раз. В течение 500 циклов материал не продемонстрировал значительных потерь в производительности.^[5]

2020: Создана искусственная кожа, чувствующая прикосновения и боль

В начале сентября 2020 года исследователи представили электронную искусственную кожу, которая чувствует боль и прикосновения. предполагается, что новая технология найдет свое применение в протезировании, робототехнике и кожной трансплантации.

Прототип, разработанный командой из Университета RMIT в Мельбурне, может в электронном виде воспроизводить ощущение боли. Устройство имитирует почти мгновенную обратную связь и способно реагировать на болезненные ощущения с той же скоростью, с какой нервные сигналы поступают в мозг. Исследователи отмечают, что создание прототипа стало значительным шагом вперед в области биомедицинских технологий и интеллектуальной робототехники следующего поколения.

Представлена искусственная кожа, чувствующая прикосновения и боль

До сих пор электронные технологии не могли реалистично имитировать чувство боли, испытываемое человеком. Но наша искусственная кожа мгновенно реагирует, когда давление, жара или холод достигают болезненного порога. Это важный шаг в развитии сложных систем обратной связи, необходимых нам для создания действительно интеллектуальных протезов и интеллектуальной робототехники, - отметил ведущий исследователь проекта профессор Мадху Бхаскаран (Madhu Bhaskaran).

Помимо прототипа болевого датчика, исследовательская группа также разработала электронные устройства, которые могут реагировать на изменения температуры и давления. Таким образом, для передачи ключевых функций чувствительности кожи в электронной форме были разработаны три функционирующих прототипа. В их основе лежит технология эластичной электроники, сочетающая оксидные материалы с биосовместимым силиконом для создания прозрачной, небьющейся и пригодной для носки электроники. В будущем такая искусственная кожа может стать вариантом неинвазивных кожных трансплантатов в случаях, когда традиционный подход нежизнеспособен или не работает.^[6]

2019: Нанокожа для ран

Искусственная кожа, которая заживляет раны и в будущем будет использоваться вместо всех перевязочных материалов (пластыри, бинты и т.д.).

Основной компонент новой искусственной кожи — белок, который помогает ранам заживать быстрее, при этом минимизируя шрамы. Материал, который используется, способствует выработке коллагена - белка, необходимого для заживления ран в человеческом теле.

Эксперименты показали, что раны при использовании новой «кожи» заживают эффективнее и в три раза быстрее.

2018: Портативный 3D-принтер для печати искусственной кожи прямо на человеке

В мае 2018 года исследователи из Университета Торонто (University of Toronto) представили портативный 3D-принтер для печати кожи, предназначенный для лечения глубоких ожоговых ран. Группа исследователей отмечает, что это первое устройство, которое формирует и располагает распечатанный образец ткани непосредственно на месте ожога всего за пару минут.

Портативный 3D-принтер для печати искусственной кожи прямо на человеке

У пациентов с глубокими ожогами могут быть сильно повреждены все три слоя кожи - эпидермис, дерма и подкожная клетчатка. Для лечения таких ран используется трансплантация кожи, при которой здоровая кожа пациента с поверхностным эпидермисом и частью дермы прививается на обширную раневую поверхность. Однако для пластики требуется достаточно большой объем здоровой кожи пациента, который не всегда возможно получить, а «неприкрытые» раны заживают очень плохо. Хотя разработано несколько видов заменителей кожи для подобной пластики, их применение ограничено, поскольку большинство современных 3D-биопринтеров громоздки, дороги и работают слишком медленно.

Исследователи из университета Торонто полагают, что их портативный принтер позволит более широко использовать 3D-печать в лечении таких ран. Портативное устройство весит менее килограмма и не требует стадии инкубации или высокой квалификации специалиста. Биочернила в нем представлены биоматериалами на основе белковых соединений, в том числе коллагена, основного белка дермы, и фибрина, белка, участвующего в заживлении ран. Кроме того, принтер можно настроить под определенные характеристики пациента и самой раны.

Результаты исследования, возглавляемого аспирантом Навидом Хаким (Navid Hakimi) под руководством доцента факультета прикладных наук Акселя Гюнтера (Axel Guenther) в сотрудничестве с доктором Марком Йешке (Marc Jeschke), директором ожогового центра и профессора иммунологии, недавно были опубликованы в журнале «Lab on a Chip». Ученые уже начали клинические испытания 3D-принтера и рассчитывают внедрить устройство на массовом уровне.^[7]

2016: План создания банка кожи в России

В конце ноябре 2016 года стало известно о создании в России банка человеческой кожи, которую иммунная система пациентов будет воспринимать как свою. Об этом пишут «Известия».

Подразделение Федерального медико-биологического агентства — ФНКЦ физико-химической медицины (ФНКЦ ФХМ) — разработало технологию выращивания искусственной кожи с пониженной иммуногенностью, необходимой для лечения ожоговых пациентов.

В Россию создают банк человеческой кожи, которую иммунная система пациентов будет воспринимать как свою

Один из наших проектов — это подготовка образцов или препаратов кожи, которые будут обладать очень низкой иммуногенностью, — говорит глава ФНКЦ ФХМ Вадим Говорун. — Современные генно-клеточные технологии позволяют вырастить кожу, не вызывающую иммунного ответа. Препарат изготавливается из клеток одних людей, а лечить будет других, не вызывая отторжения организмом. Таким образом мы сможем избежать основную проблему, возникающую при трансплантации органов.

Говорун утверждает, что замороженная кожа сможет храниться длительный срок, поскольку ее клетки после разморозки в культуральной среде оживают, делая кожу пригодной для пересадки. В исследовательском центре отмечают, что реализованных аналогов разработки на сегодняшний момент не существует.

В ФНКЦ хотят поставить производство препаратов такой кожи на поток, чтобы ее можно было хранить впрок и использовать по мере необходимости — например, пострадавшим от ожогов пациентов, когда нет времени на выращивание трансплантатов из клеток самих пациентов или нет возможности пересадить его собственную кожу.

По данным Росстата, в России ежегодно фиксируется около 300 тысяч случаев термических и химических ожогов. Это составляет около 7% от всех случаев поверхностных травм.

К середине 2017 года, после прохождения клинических испытаний и начала массового производства препарата, планируется создать федеральный банк кожи. ^[8]

Новые технологии в здравоохранении

См. также

• 3D-печать в медицине
• 3D-принтеры (мировой рынок)
• 3D-печать в медицине (мировой рынок)

Примечания