인공 피부

인공피부는 인간과 같은 포유류의 피부 재생을 유도하는 콜라겐 골격이다.이 용어는 1970년대 후반과 1980년대 초반에 대량 화상에 대한 새로운 치료법을 설명하기 위해 사용되었다.성인 동물과 사람의 깊은 피부 상처를 이 골격으로 치료하면 진피 ^[1]재생이 유발된다는 사실이 나중에 밝혀졌다.이것은 Integra라는 이름으로 상업적으로 개발되었으며 대량 화상 환자, 피부 성형 수술, 만성 피부 ^[2]상처 치료에 사용됩니다.

또는 "인공 피부"라는 용어는 실험실에서 자란 피부와 같은 조직을 지칭하는 데 사용되기도 하지만, 이 기술은 의료 분야에서 사용하기에는 아직 한참 멀었다.'인공 피부'는 의족을 착용한 사람에게도 촉각을 감지할 수 있는 유연한 반도체 소재(실험용)를 지칭할 수 있다.

배경

피부는 인체에서 ^[3]가장 큰 기관이다.피부는 표피, 진피, 그리고 피하라고도 불리는 지방층의 세 층으로 구성되어 있다.표피는 중요한 액체와 해로운 박테리아를 몸 밖으로 내보내는 피부 외피층이다.진피는 혈관, 신경, 모낭, 기름,^[4] 땀샘을 포함하는 피부 내층이다.피부의 넓은 부위에 심각한 손상이 발생하면 인간 유기체가 탈수 및 감염에 노출되어 사망에 이를 수 있다.

많은 양의 피부 손실을 다루는 전통적인 방법은 환자(자동 이식) 또는 관련 없는 기증자 또는 시체로부터 피부 이식편을 사용하는 것이었다.전자의 접근법은 충분한 피부가 없을 수 있다는 단점이 있는 반면, 후자는 거부반응이나 감염의 가능성에 시달린다.20세기 후반까지 피부이식은 환자 자신의 피부로 이루어졌다.이는 피부가 광범위하게 손상되었을 때 문제가 되어 자가 이식만으로 ^[5]심각한 부상을 입은 환자를 치료할 수 없게 되었다.

재생 피부: 발견 및 임상 사용

피부의 재생을 유도하는 공정이 박사에 의해 발명되었다.요안니스 5세야나스(당시 매사추세츠공대 기계공학부 섬유 및 폴리머 부문 조교수)와 존 F 박사.버크(당시 매사추세츠 주 보스턴에 있는 슈라이너스 번즈 연구소의 비서실장).그들의 초기 목표는 상처 봉합을 가속화함으로써 심각한 피부 상처를 감염으로부터 보호하는 상처 덮개를 발견하는 것이었다.합성 고분자와 천연 고분자로 만들어진 여러 종류의 이식편들이 실험용 기니피그 동물 모형으로 준비되었다.1970년대 후반에는 원래의 목표에 도달하지 못한 것이 분명했다.대신, 이러한 실험 이식편들은 일반적으로 상처 폐쇄 속도에 영향을 미치지 않았다.그러나 한 사례에서는 특정 유형의 콜라겐 이식편이 창상 ^[6]폐쇄를 상당히 지연시켰다.조직학 샘플에 대한 세심한 연구 결과, 상처 폐쇄를 지연시킨 이식편이 자발적 상처 치유 반응의 정상적인 결과인 흉터를 형성하는 대신 손상 부위에 새로운 진피 드 노보의 합성을 유도한 것으로 밝혀졌다.성체 ^{[7][8][9][10][11][12]}포유류에서 스스로 재생되지 않는 조직(더미)의 재생을 최초로 시연했다.최초 발견 후, 추가 연구는 임상 ^[11][13]시험에서 평가된 이식편의 구성과 제작으로 이어졌다.이들 그래프트는 미세섬유 타입 I 콜라겐과 글리코사미노글리칸의 그라프트 공중합체로 합성되어 동결건조하여 다공질 시트로 제작되고 탈수열처리에 ^[14]의해 가교되었다.콜라겐 골격의 구조적 특징(평균 모공 크기, 분해 속도 및 표면 화학)의 제어는 결국 비정상적인 생물학적 활동에 대한 중요한 전제 조건인 것으로 밝혀졌다.1981년 Burke와 Yannas는 인공피부가 50-90%의 화상을 입은 환자들에게 효과가 있다는 것을 증명하여 회복의 가능성을 크게 ^[15][16]향상시키고 삶의 질을 향상시켰다.존 F. 버크는 1981년 "인공 피부는 불에 탄 피부를 ^[17]덮는 데 사용되는 다른 물질들과는 달리 부드럽고 유연하며 딱딱하지 않다"고 주장했다.

진피 재생을 유도할 수 있는 콜라겐 기반 이식편을 만드는 것에 대해 MIT에 몇 가지 특허가 부여되었다.미국 특허 4,418,691(1983년 12월 6일)은 미국 국립 발명가 명예의 전당에 의해 재생 피부(유도자 Natl)의 발명을 설명하는 핵심 특허로 인용되었습니다.발명가 명예의 전당, 2015^[18]).이 특허들은 1989년에 ^[19]설립된 Integra LifeSciences Corp.에 의해 상용 제품으로 변환되었다.Integra 피부 재생 템플릿은 1996년에 FDA 승인을 받았으며, FDA는 같은 ^[20]해에 "중요한 의료 기기 혁신"으로 이름을 올렸습니다.그 이후로, 그것은 심각한^[21] 화상과 외상성 피부 ^[22]상처를 치료하기 위해 새로운 피부를 필요로 하는 환자들,^[23] 피부의 성형수술을 받고 있는 사람들, 그리고 특정한 형태의 피부암을 ^[24]가진 다른 사람들을 치료하기 위해 세계적으로 적용되었다.

임상 실무에서는 활성 콜라겐 골격으로 제조된 얇은 이식 시트가 상처 부위에 배치되고, 상처 부위를 세균 감염 및 탈수로부터 보호하는 얇은 실리콘 엘라스토머 시트로 덮여 있습니다.그래프트는 상처 폐쇄를 가속화하기 위해 자가 세포(각질 세포)로 씨앗을 뿌릴 수 있지만, 진피 ^[10]재생을 위해 이러한 세포의 존재가 필요하지 않다.피부 상처를 Integra로 이식하는 것은 정상적인 혈관화 및 내부 진피 de novo의 합성으로 이어지며, 그 후 다시 상피화 및 표피 형성으로 이어집니다.발판의 초기 버전은 모낭과 땀샘을 재생시킬 수 없었지만, 이후 S에 의해 개발되었습니다.T Boyce와 동료들은 이 ^[25]문제를 해결하도록 이끌었다.

활성 콜라겐 골격을 이용한 재생 메커니즘이 크게 명확해졌다.비계는 특정 표면(20~125 µm 범위의 포자 크기), 분해 속도(분해 반감기 14 ± 7일) 및 표면 화학적 특징(인테그린 α1β1 및 α2β1의 리간드 밀도가 약 200μμμμα1β1 및 α2β1 리간드를 ^[26]초과해야 함)의 적절한 수준으로 제조된 경우 재생 활동을 유지한다.이 ^[27]골격의 존재 하에서 피부 재생을 유도하기 위해서는 좁은 시간 내에 발판 표면에서 충분한 수의 수축성 세포(근섬유아세포)의 특정 결합이 필요하다는 가설이 있다.피부에 상처가 있는 연구는 교차된 말초신경으로 확장되었으며, 결합된 증거는 이 ^[28]골격을 사용하는 피부와 말초신경의 공통 재생 메커니즘을 뒷받침한다.

추가 조사

인공피부에 대한 연구는 끊임없이 이루어지고 있다.Avita ^[29]Medical에 의해 생산된 자동 스프레이 온 피부와 같은 새로운 기술은 치유를 가속화하고 흉터를 최소화하기 위한 노력으로 테스트되고 있습니다.

Fraunhofer Institute for Interface Engineering and Biotechnology는 인공 피부를 만들기 위한 완전히 자동화된 과정을 위해 노력하고 있다.그들의 목표는 피부가 크림이나 의약품과 같은 소비자 제품과 어떻게 상호작용하는지를 연구하는데 사용될 수 있는 혈관이 없는 단순한 2층 피부이다.그들은 결국 ^[30]이식에 사용될 수 있는 더 복잡한 피부를 생산하기를 희망한다.

독일 하노버 의과대학 성형, 손 및 재건외과 Hanna Wendt와 그녀의 동료들은 거미줄을 사용하여 인공 피부를 만드는 방법을 발견했다.그러나 그 이전에는 콜라겐과 같은 물질을 사용하여 인공피부를 키웠다.이 재료들은 충분히 강하지 않은 것 같았다.대신 웬트와 그녀의 팀은 케블라보다 5배나 강한 것으로 알려진 거미줄로 눈을 돌렸다.이 비단은 황금색 거미줄의 비단샘을 "젖을 짜서" 수확한다.비단은 수확할 때 감겨서 직사각형 모양의 철골틀로 짜여졌다.철골 프레임의 두께는 0.7mm로, 그 결과 짜임새가 취급이나 살균이 용이했습니다.그물코에 인간의 피부세포가 첨가되어 영양소, 따뜻함, 공기를 제공하는 환경에서 번성하는 것으로 밝혀졌다.그러나 이때 거미줄을 이용해 인공피부를 대량으로 키우는 것은 거미줄을 ^[31]채취하는 과정이 지루해 실용적이지 않다.

호주의 연구원들은 현재 인공 피부를 만드는 새롭고 혁신적인 방법을 찾고 있다.이것은 더 빠르고 효율적인 방법으로 인공피부를 만들어 낼 것이다.생산된 피부는 두께가 1mm에 불과하고 표피를 재건하는 데만 사용됩니다.그들은 또한 피부를 1.5밀리미터 두께로 만들 수 있는데, 이것은 진피가 필요할 때 스스로 회복될 수 있게 해줄 것이다.이것은 기증이나 환자의 몸에서 나온 골수를 필요로 할 것이다.골수는 "씨앗"으로 사용될 것이고, 진피를 모방하기 위해 이식편 안에 배치될 것입니다.이것은 동물에게 실험되었고 동물의 가죽에 효과가 있는 것으로 증명되었다.메이츠 교수는 "호주에서는 체표면적의 80%에 이르는 전두께 화상을 입은 사람이 부상을 당해도 살아남을 가능성이 충분히 있다"고 말했다.그러나 현재 화상을 입은 피부를 정상적인 피부로 대체할 수 없기 때문에 그들의 삶의 질은 여전히 의문으로 남아 있습니다.우리는 살아있는 피부와 ^[32]동등한 것을 개발함으로써 생존의 고통이 가치가 있음을 보증하기 위해 노력하고 있습니다."

합성 피부

또 다른 형태의 인공피부는 유연한 반도체 재질로 만들어졌으며 이는 ^[33][34]의족을 가진 사람들에게 촉각을 감지할 수 있다.인공피부는 섬세한 것으로 간주되고 민감한 "터치"^[33][35]를 필요로 하는 기초적인 작업을 수행하는 데 있어 로보틱스를 강화할 것으로 기대됩니다.과학자들은 인공 피부 내부에 전하를 저장하는 두 개의 평행한 전극을 가진 고무 층을 적용함으로써 미량의 압력을 감지할 수 있다는 것을 발견했다.압력이 가해지면 고무의 전하가 변화하고 전극에 의해 그 변화가 감지됩니다.하지만, 그 막은 너무 작아서 피부에 압력이 가해지면, 분자들은 움직일 곳이 없어지고 엉켜 버린다.압력이 ^[36]제거되면 분자도 원래 모양으로 돌아가지 못한다.실리콘의 얇은 층에 매우 특정한 빛의 파장을 반사하는 인공 능선의 도움을 받아 색변화 특성을 부여함으로써 합성 피부 기술의 최근 개발이 이루어졌다.이 융기 사이의 간격을 조정함으로써 피부에 반사되는 색을 ^[37]제어할 수 있다.이 기술은 건물, 교량 및 항공기에서 감지할 수 없는 결함을 탐지할 수 있는 색 변환 위장 및 센서에 사용될 수 있습니다.

3D 프린터

Universidad Carlos III de Madrid, Center for Energy, Environmental and Technology Research, Hospital General Gregorio Marn, BioDan Group은 실제 ^[38]피부와 정확히 같은 기능을 하는 인간의 피부를 만들 수 있는 3D 바이오프린터를 개발했습니다.

레퍼런스