Искусственная кожа

<час />

Фон

Кожа, самый большой орган человеческого тела, защищает тело от болезней и физических повреждений и помогает регулировать температуру тела. Он состоит из двух основных слоев:эпидермиса и дермы. Эпидермис, или внешний слой, состоит в основном из клеток:кератиноцитов, меланоцитов и лангерганса. Дерма, состоящая в основном из волокон соединительной ткани, таких как коллаген, обеспечивает питание эпидермиса.

Когда кожа серьезно повреждена в результате болезни или ожогов, организм не может действовать достаточно быстро, чтобы производить необходимые замещающие клетки. Раны, такие как кожные язвы у диабетиков, могут не зажить, и конечности необходимо ампутировать. Жертвы ожогов могут умереть от инфекции и потери плазмы. Кожные трансплантаты были разработаны как способ предотвратить такие последствия, а также исправить деформации. Еще в шестом веке <малый> до нашей эры. , Индуистские хирурги занимались реконструкцией носа, пересадив кожные лоскуты из носа пациента. Гаспаре Тальякоццо, итальянский врач, принес эту технику в западную медицину в шестнадцатом веке.

До конца двадцатого века кожные трансплантаты конструировались из собственной кожи пациента (аутотрансплантаты) или кожи трупа (аллотрансплантаты). Инфекция или, в случае кожи трупа, отторжение были первоочередными проблемами. В то время как кожа, пересаженная от одной части тела пациента к другой, не подвержена отторжению, трансплантаты кожи от донора к реципиенту отторгаются более агрессивно, чем любые другие тканевые трансплантаты или трансплантаты. Хотя кожа трупа может обеспечить защиту от инфекции и потери жидкости во время начального периода заживления пострадавшего от ожога, часто требуется последующая трансплантация собственной кожи пациента. Врач ограничен тем, какая кожа доступна пациенту, что является явным недостатком в случае тяжелых ожогов.

В середине 1980-х годов исследователи-медики и инженеры-химики, работающие в области клеточной биологии и производства пластмасс, объединили свои усилия для разработки тканевой инженерии, чтобы снизить количество инфекций и отторжения. Одним из катализаторов тканевой инженерии стала растущая нехватка органов, доступных для трансплантации. В 1984 году хирург Гарвардской медицинской школы Джозеф Ваканти поделился своим разочарованием по поводу нехватки доступной печени со своим коллегой Робертом Лангером, инженером-химиком из Массачусетского технологического института. Вместе они размышляли, можно ли вырастить новые органы в лаборатории. Первым шагом было воспроизвести производство тканей организмом. Лангер пришел к идее создания биоразлагаемых каркасов, на которых можно было бы выращивать клетки кожи с использованием фибробластов, клеток, выделенных из донорской крайней плоти новорожденного, удаленной во время обрезания.

В варианте этой методики, разработанной другими исследователями, извлеченные фибробласты добавляются к коллагену, волокнистому белку, содержащемуся в соединительной ткани. Когда соединение нагревается, коллаген образует гель и захватывает фибробласты, которые, в свою очередь, располагаются вокруг коллагена, становясь компактными, плотными и волокнистыми. Через несколько недель кератиноциты, также извлеченные из донорской крайней плоти, засеваются на новую кожную ткань, где они создают эпидермальный слой.

Искусственный кожный трансплантат имеет несколько преимуществ по сравнению с трансплантатом, полученным от пациента и трупов. Устраняет необходимость в тканях. печатает. Искусственную кожу можно производить в больших количествах и замораживать для хранения и транспортировки, делая ее доступной по мере необходимости. Каждая культура проверяется на патогены, что значительно снижает вероятность заражения. Поскольку искусственная кожа не содержит иммуногенных клеток, таких как дендритные клетки и эндотелиальные клетки капилляров, она не отторгается организмом. Наконец, время реабилитации значительно сокращается.

Сырье

Сырье, необходимое для производства искусственной кожи, делится на две категории:биологические компоненты и необходимое лабораторное оборудование. Большая часть донорской кожной ткани поступает из крайней плоти новорожденного, удаленной во время обрезания. Одна крайняя плоть может дать достаточно клеток, чтобы сделать четыре акра прививочного материала. Фибробласты отделяются от дермального слоя донорской ткани. Фибробласты помещаются в карантин, пока их проверяют на вирусы и другие инфекционные патогены, такие как IIV, гепатиты B и C и микоплазмы. Записывается история болезни матери. Фибробласты хранят в стеклянных флаконах и замораживают в жидком азоте при -94 ° F (-70 ° C). Флаконы хранят замороженными до тех пор, пока фибробласты не понадобятся для выращивания культур. В коллагеновом методе кератиноциты также извлекаются из крайней плоти, тестируются и замораживаются.

Если фибробласты должны расти на сетчатых каркасах, полимер создается путем объединения молекул молочной кислоты и гликолевой кислоты, тех же элементов, которые используются для создания растворяющихся швов. Соединение подвергается химической реакции, приводящей к более крупной молекуле, состоящей из повторяющихся структурных единиц.

В методе коллагена небольшое количество бычьего коллагена извлекается из сухожилия разгибателя молодых телят. Коллаген смешивают с кислым питательным веществом и хранят в холодильнике при температуре 39,2 ° F (4 ° C).

Лабораторное оборудование включает стеклянные флаконы, трубки, роллерные флаконы, картриджи для прививки, формы и морозильные камеры.

Производственный
процесс

Процесс изготовления обманчиво прост. Его основная функция - заставить извлеченные фибробласты поверить в то, что они находятся в человеческом теле, чтобы они могли общаться друг с другом естественным образом, создавая новую кожу.

Метод возведения лесов из сетки

• 1 Фибробласты оттаивают и разрастаются. Фибробласты переносятся из флаконов в роллерные флаконы, напоминающие литровые бутылки из-под газировки. Бутылки переворачивают на бок в течение трех-четырех недель. Скручивание обеспечивает циркуляцию кислорода, необходимого для процесса роста.
• 2 Клетки переносятся в систему культивирования. Клетки извлекаются из роликовых бутылок, объединяются с богатой питательными веществами средой, пропускаются через трубки в тонкие кассетные биореакторы, в которых размещаются биоразлагаемые сетчатые каркасы, и стерилизуются электронно-лучевым излучением. Когда клетки попадают в кассеты, они прикрепляются к сетке и начинают расти. Клетки перемещаются туда и обратно в течение трех-четырех недель. Каждый день остатки клеточной суспензии удаляются и добавляются свежие питательные вещества. Кислород, pH, поток питательных веществ и температура контролируются системой культивирования. По мере того как новые клетки создают слой кожи, полимер распадается.
• 3 Цикл роста завершен. Когда рост клеток на сетке завершен, ткань промывают более богатой питательными веществами средой. Добавлен криопротектор. Кассеты хранятся индивидуально, маркируются и замораживаются.

Коллагеновый метод

• 4 Клетки переносятся в систему культивирования. К фибробластам добавляется небольшое количество холодного коллагена и питательной среды, примерно 12% объединенного раствора. Смесь разливают по формам и дают ей нагреться до комнатной температуры. Когда коллаген нагревается, он превращается в гель, захватывая фибробласты и вызывая рост новых клеток кожи.
• 5 Добавлены кератиноциты. Через две недели после добавления коллагена к фибробластам извлеченные кератиноциты размораживают и высевают на новую кожную кожу. Им дают расти в течение нескольких дней, а затем подвергают воздействию воздуха, заставляя кератиноциты образовывать слои эпидермиса.
• 6 Цикл роста завершен. Новая кожа хранится в стерильных контейнерах до тех пор, пока она не понадобится.

Будущее

Медицинские работники используют технологию искусственной кожи для реконструкции органов. Есть надежда, что эта так называемая инженерная структурная ткань, например, когда-нибудь заменит пластиковые и металлические протезы, которые в настоящее время используются для замены поврежденных суставов и костей. Уши и носы будут реконструированы путем посева хрящевых клеток на полимерную сетку. Регенерация тканей груди и уретры в настоящее время изучается в лаборатории. Благодаря этой технологии возможно, что однажды печень, почки и даже сердце будут выращены из человеческих тканей.