Piel artificial - Artificial skin
La piel artificial es un andamio de colágeno que induce la regeneración de la piel en mamíferos como los humanos. El término se utilizó a fines de la década de 1970 y principios de la de 1980 para describir un nuevo tratamiento para quemaduras masivas . Más tarde se descubrió que el tratamiento de heridas cutáneas profundas en animales adultos y humanos con este andamio induce la regeneración de la dermis . Se ha desarrollado comercialmente con el nombre de Integra y se utiliza en pacientes con quemaduras masivas, durante la cirugía plástica de la piel y en el tratamiento de heridas cutáneas crónicas.
Alternativamente, el término “piel artificial” a veces se usa para referirse a tejido similar a la piel cultivado en un laboratorio, aunque esta tecnología aún está bastante lejos de ser viable para su uso en el campo médico. La 'piel artificial' también puede referirse a materiales semiconductores flexibles que pueden detectar el tacto de las personas con prótesis (también experimental).
Fondo
La piel es el órgano más grande del cuerpo humano . La piel está formada por tres capas, la epidermis , la dermis y la capa de grasa, también llamada hipodermis. La epidermis es la capa externa de la piel que mantiene los fluidos vitales dentro y las bacterias dañinas fuera del cuerpo. La dermis es la capa interna de la piel que contiene vasos sanguíneos, nervios, folículos pilosos, grasa y glándulas sudoríparas. El daño severo en grandes áreas de la piel expone al organismo humano a la deshidratación y las infecciones que pueden resultar en la muerte.
Las formas tradicionales de tratar las grandes pérdidas de piel han sido el uso de injertos de piel del paciente (autoinjertos) o de un donante no familiar o de un cadáver. El primer enfoque tiene la desventaja de que puede no haber suficiente piel disponible, mientras que el segundo tiene la posibilidad de rechazo o infección. Hasta finales del siglo XX, los injertos de piel se construían a partir de la propia piel del paciente. Esto se convirtió en un problema cuando la piel se había dañado extensamente, lo que hacía imposible tratar a los pacientes con lesiones graves únicamente con autoinjertos.
Piel regenerada: descubrimiento y uso clínico
Un proceso para inducir la regeneración en la piel fue inventado por el Dr. Ioannis V.Yannas (entonces profesor asistente en la División de Fibras y Polímeros, Departamento de Ingeniería Mecánica, en el Instituto de Tecnología de Massachusetts ) y el Dr. John F. Burke (entonces jefe de personal del Shriners Burns Institute en Boston, Massachusetts). Su objetivo inicial era descubrir una cubierta para heridas que protegiera las heridas cutáneas graves de las infecciones al acelerar el cierre de las heridas. Se prepararon y probaron varios tipos de injertos hechos de polímeros sintéticos y naturales en un modelo animal de cobaya. A finales de la década de 1970 era evidente que no se había alcanzado el objetivo original. En cambio, estos injertos experimentales normalmente no afectaron la velocidad de cierre de la herida. En un caso, sin embargo, un tipo particular de injerto de colágeno provocó un retraso significativo en el cierre de la herida. El estudio cuidadoso de las muestras histológicas reveló que los injertos que retrasaron el cierre de la herida indujeron la síntesis de nueva dermis de novo en el sitio de la lesión, en lugar de formar una cicatriz, que es el resultado normal de la respuesta de curación espontánea de la herida. Esta fue la primera demostración de regeneración de un tejido (dermis) que no se regenera por sí solo en el mamífero adulto. Después del descubrimiento inicial, la investigación adicional condujo a la composición y fabricación de injertos que se evaluaron en ensayos clínicos. Estos injertos se sintetizaron como un copolímero de injerto de colágeno microfibrilar tipo I y un glucosaminoglicano, condroitin-6-sulfato, fabricado en láminas porosas mediante liofilización y luego reticulado mediante tratamiento deshidrotermal. Finalmente se descubrió que el control de las características estructurales del andamio de colágeno (tamaño medio de poro, tasa de degradación y química de la superficie) era un requisito previo crítico para su inusual actividad biológica. En 1981, Burke y Yannas demostraron que su piel artificial funcionaba en pacientes con quemaduras del 50 al 90 por ciento , mejorando enormemente las posibilidades de recuperación y la calidad de vida improvisada. John F. Burke también afirmó, en 1981, "[La piel artificial] es suave y flexible, no rígida ni dura, a diferencia de otras sustancias que se usan para cubrir la piel quemada".
Se otorgaron varias patentes al MIT para la creación de injertos a base de colágeno que pueden inducir la regeneración de la dermis. La patente estadounidense 4.418.691 (6 de diciembre de 1983) fue citada por el National Inventors Hall of Fame como la patente clave que describe la invención de un proceso para la piel regenerada (Inductees Natl. Inventors Hall of Fame, 2015). Estas patentes fueron posteriormente traducidas en un producto comercial por Integra LifeSciences Corp., una compañía fundada en 1989. La plantilla de regeneración dérmica de Integra recibió la aprobación de la FDA en 1996, y la FDA la incluyó como un "avance significativo en dispositivos médicos" en el mismo año. Desde entonces, se ha aplicado en todo el mundo para tratar a pacientes que necesitan piel nueva para tratar quemaduras masivas y heridas cutáneas traumáticas, a los que se someten a cirugía plástica de la piel, así como a otros que padecen determinadas formas de cáncer de piel.
En la práctica clínica, se coloca una lámina de injerto delgada fabricada a partir del andamio de colágeno activo en el sitio de la lesión, que luego se cubre con una lámina delgada de elastómero de silicona que protege el sitio de la herida de la infección bacteriana y la deshidratación. El injerto se puede sembrar con células autólogas (queratinocitos) para acelerar el cierre de la herida, sin embargo, la presencia de estas células no es necesaria para regenerar la dermis. El injerto de heridas cutáneas con Integra conduce a la síntesis de dermis normal vascularizada e inervada de novo, seguida de reepitelización y formación de epidermis. Aunque las primeras versiones del andamio no eran capaces de regenerar los folículos pilosos y las glándulas sudoríparas, los desarrollos posteriores de ST Boyce y sus colaboradores llevaron a la solución de este problema.
El mecanismo de regeneración que utiliza un andamio de colágeno activo se ha aclarado en gran medida. El armazón retiene la actividad regenerativa siempre que se haya preparado con niveles adecuados de la superficie específica (tamaño de poro en el rango de 20-125 µm), tasa de degradación (vida media de degradación 14 ± 7 días) y características químicas de la superficie (densidades de ligando para integrinas α1β1 y α2β1 deben exceder aproximadamente 200 μΜ ligandos α1β1 y α2β1). Se ha planteado la hipótesis de que se requiere la unión específica de un número suficiente de células contráctiles (miofibroblastos) en la superficie del armazón, que se produce dentro de una ventana de tiempo estrecha, para la inducción de la regeneración de la piel en presencia de este armazón. Los estudios con heridas en la piel se han extendido a los nervios periféricos seccionados, y la evidencia combinada respalda un mecanismo de regeneración común para la piel y los nervios periféricos que utilizan este andamio.
Más investigación
Continuamente se realizan investigaciones sobre piel artificial. Se están probando tecnologías más nuevas, como una piel en aerosol autóloga producida por Avita Medical , en un esfuerzo por acelerar la curación y minimizar las cicatrices.
El Instituto Fraunhofer de Ingeniería Interfacial y Biotecnología está trabajando hacia un proceso totalmente automatizado para producir piel artificial. Su objetivo es una piel simple de dos capas sin vasos sanguíneos que se pueda utilizar para estudiar cómo interactúa la piel con los productos de consumo, como cremas y medicamentos. Esperan producir eventualmente una piel más compleja que pueda usarse en trasplantes.
Hanna Wendt y un equipo de sus colegas del Departamento de Cirugía Plástica, de la Mano y Reconstructiva de la Escuela de Medicina de Hannover, Alemania, han encontrado un método para crear piel artificial utilizando seda de araña . Antes de esto, sin embargo, se cultivaba piel artificial utilizando materiales como el colágeno . Estos materiales no parecían lo suficientemente fuertes. En cambio, Wendt y su equipo recurrieron a la seda de araña, que se sabe que es 5 veces más fuerte que el Kevlar . La seda se cosecha "ordeñando" las glándulas de seda de las arañas de telaraña dorada. La seda se enrollaba a medida que se cosechaba y luego se tejía en un marco de acero rectangular. El marco de acero tenía un grosor de 0,7 mm y el tejido resultante era fácil de manipular o esterilizar. Se agregaron células de piel humana a la malla de seda y se descubrió que florecían en un entorno que proporciona nutrientes, calor y aire. Sin embargo, en este momento, el uso de seda de araña para hacer crecer piel artificial en cantidades masivas no es práctico debido al tedioso proceso de cosechar la seda de araña.
Los investigadores australianos están buscando actualmente una forma nueva e innovadora de producir piel artificial. Esto produciría piel artificial de forma más rápida y eficaz. La piel producida tendría solo 1 milímetro de grosor y solo se usaría para reconstruir la epidermis. También pueden hacer que la piel tenga un grosor de 1,5 centímetros, lo que permitiría que la dermis se reparara a sí misma si fuera necesario. Esto requeriría médula ósea de una donación o del cuerpo del paciente. La médula ósea se usaría como una "semilla" y se colocaría en los injertos para imitar la dermis. Esto se ha probado en animales y se ha demostrado que funciona con piel de animal. El profesor Maitz dijo: "En Australia, alguien con una quemadura de espesor total hasta el 80 por ciento de su superficie corporal tiene todas las posibilidades de sobrevivir a la lesión ... Sin embargo, su calidad de vida sigue siendo cuestionable ya que, en la actualidad, no podemos reemplazar la piel quemada con piel normal ... Estamos comprometidos a garantizar que el dolor de la supervivencia valga la pena, mediante el desarrollo de un equivalente de piel viva ".
Piel sintética
Se ha creado otra forma de "piel artificial" a partir de materiales semiconductores flexibles que pueden sentir el tacto de las personas con prótesis . Se prevé que la piel artificial aumente la robótica en la realización de trabajos rudimentarios que se considerarían delicados y requerirían un "toque" sensible. Los científicos descubrieron que al aplicar una capa de goma con dos electrodos paralelos que almacenaban cargas eléctricas dentro de la piel artificial, se podían detectar pequeñas cantidades de presión. Cuando se ejerce presión, la carga eléctrica en la goma cambia y los electrodos detectan el cambio. Sin embargo, la película es tan pequeña que cuando se aplica presión sobre la piel, las moléculas no tienen dónde moverse y se enredan. Las moléculas tampoco regresan a su forma original cuando se elimina la presión. Se ha realizado un desarrollo reciente en la técnica de la piel sintética impartiendo las propiedades de cambio de color a la capa delgada de silicio con la ayuda de crestas artificiales que reflejan una longitud de onda de luz muy específica. Al ajustar los espacios entre estas crestas, se puede controlar el color que reflejará la piel. Esta tecnología se puede utilizar en camuflajes de cambio de color y sensores que pueden detectar defectos imperceptibles en edificios, puentes y aviones.
Impresoras 3D
La Universidad Carlos III de Madrid , el Centro de Investigaciones Energéticas , Ambientales y Tecnológicas , el Hospital General Universitario Gregorio Marañón y el Grupo BioDan crearon una bioimpresora 3D capaz de crear piel humana que funciona exactamente como lo hace la piel real.