人造皮肤,皮肤损伤者的福音

2015-12-03 中国科学报 中国科学报

皮肤是人体最大的器官,它不仅肩负着防止“外敌”入侵的使命,还承担防止体内水分、电解质等其他物质丢失的任务。一般情况下,如果皮肤受到较轻的损伤都可以自我恢复,但如果遭遇横祸,比如大面积或深度的烧伤、烫伤等,皮肤的自愈能力往往无法快速发挥作用,需要植皮。事实上,即便是植皮,也需要经历痛苦的过程才能完成。况且皮肤移植的方式是“拆东墙,补西墙”,即把患者身上健康的皮肤取下来移植到烧伤部位,但这种方法会



皮肤是人体最大的器官,它不仅肩负着防止“外敌”入侵的使命,还承担防止体内水分、电解质等其他物质丢失的任务。一般情况下,如果皮肤受到较轻的损伤都可以自我恢复,但如果遭遇横祸,比如大面积或深度的烧伤、烫伤等,皮肤的自愈能力往往无法快速发挥作用,需要植皮。

事实上,即便是植皮,也需要经历痛苦的过程才能完成。况且皮肤移植的方式是“拆东墙,补西墙”,即把患者身上健康的皮肤取下来移植到烧伤部位,但这种方法会引起新的伤疤。特别是遇到身体大面积的烧伤,正常皮肤所剩无几时,植皮也显得困难非常。而且在恢复期间,创口也容易发生感染,且如果没有皮肤的保护,重度烧伤者会出现严重脱水。

为了应对这种情况,挽救皮肤大面积损伤者的痛苦,科学家开始将想办法寻找自体皮肤的替代品。

人造皮肤与电子皮肤

皮肤看起来是薄薄的一层,里面却富含血管、淋巴管,并含有汗腺、皮脂腺等附属器官。所以皮肤的替代品也需要拥有这些功能,更重要的是,它还能够促进自身肌肉与皮肤的生长。

上世纪50年代,上海第二医科大学的外科专家张涤生教授开始着手研究人造皮肤。1961 年,他和学生们率先发明了一种人造皮肤。它使用极细的绢纺制成,在一种特制的药水中浸泡后,配上特制的药膏,然后敷在病人伤口上,取得了良好的效果。几乎同时,美国一位叫白克的医师与麻省理工学院的亚诺斯教授合作,前后花了20 年时间试验,终于发明了人造皮肤。它由硅橡胶薄膜和胶原/硫酸软骨素多孔材料制作而成。其中,硅橡胶薄膜起到临时表皮的作用,其表面还模仿皮肤的毛孔制作了一定数量的微孔,让空气自由出入。而胶原和硫酸软骨素则分别来自牛腱和鲨鱼软骨,能够支持皮肤细胞的生长。

经过不断完善,白克的研究不仅救活了许多烧伤的病人,也开创了烫伤医学的新时代。现在的人造皮肤包括两层:表层和里层。表层是由一种硅橡胶薄膜制成的,能阻挡细菌的进攻。里层是一种特殊的培养基,能帮助受伤的皮肤生长。

比较而言,“电子皮肤其实是种可延展柔性传感器材料”。浙江大学高分子科学与工程学系教授马列告诉《中国科学报》记者,电子皮肤的应用领域也更倾向于可穿戴设备和机器人。

最早在2003年,日本东京大学的研究团队利用低分子有机物——并五苯分子制成薄膜,通过其表面密布的压力传感器,实现了电子皮肤感知压力。对比电子皮肤,它的结构更简单,可被加工成各种形状,能像衣服一样附着在设备表面,能够让机器人感知到物体的地点和方位以及硬度等信息。

不仅需要柔软的特性,电子皮肤想要模拟、还原甚至取代机体皮肤,首先要具备感觉和触觉,即与人体皮肤一样感知不同外界压力,畅通传导触觉信号的最基本功能。例如,由中国研究人员使用碳纳米管传感器制成的高灵敏度皮肤,甚至可感知到20毫克蚂蚁的重量。同时,研究人员也在电子皮肤的延展性上进行开拓研究,并渴望这种材料不仅满足机器人,也能满足人类自己。

人造皮肤接近人类自身的皮肤,但是不具备电子皮肤中的传感功能,如果可以将电子软件与人造皮肤相结合会碰撞出什么样的火花呢?

人造电子皮肤:1+1>2

“电子皮肤是像皮肤一样柔软的传感器,可以知道温度和湿度,但不具备修复缺损皮肤的功能。人造皮肤则更多应用于医学中,将其放在皮肤缺损处,会刺激皮肤新生,是基于再生医学的原理。”马列解释道。

为了将两者的优势叠加,实现“强强联手”,浙江大学的科研人员制作了人造电子皮肤。“人造电子皮肤就是将具有传感功能的柔性电子皮肤与具有皮肤再生功能的人造皮肤复合,形成以人造皮肤为下层、柔性电子皮肤为上层的仿皮肤双层结构。”马列讲解到,“人造电子皮肤再生系统既能实现缺损皮肤的再生修复,又能在修复再生的过程中,对创面区温度、湿度、压力乃至其他化学生物信号进行监测,并根据再生修复需要,给予必要的功能。”

这个过程实现了材料学与信息科学、计算机科学的交叉应用,其中电子皮肤的部分负责传递纱布包裹下创口的感染、愈合等情况,省去了医生打开纱布查看创面的步骤,还可以检测人体的体温等数值;人造皮肤的部分则负责让皮肤再生。

浙江大学计算机科学与技术学院副教授李石坚根据皮肤生长过程的传感数据,包括温度、压力、皮肤阻抗、血氧变化以及心电信号等进行数据挖掘,建立起人造皮肤生长模型。电子皮肤由此“推断”伤口状态是“正常”、“炎症程度”还是“生长程度”,给医生提供建议。然后,这一结果被集成到一个手机App应用软件中,用户可通过此软件监控伤口状况,并控制植入系统工作。

“人造电子皮肤的应用前景很广,特别是针对人体大面积或深度缺损以及特殊部位烧伤的情况。”马列对记者表示。

在人体的皮肤组织中,头面部皮肤比其他部位的皮肤组成更精细,比如眼周皮肤就比其他地方的皮肤略薄,如果只是简单的植皮,很可能让修复过的眼周看起来并不自然。但如果是通过人造电子皮肤重生的眼周皮肤则可以避免这样的问题。

前景可以预见

“目前,在大鼠和巴马小型猪上进行的动物实验,科研人员已经验证了人造电子皮肤拥有促进真皮组织生长和皮肤再生的功能,并可以监护和控制皮肤生长的情况,然后根据监控信息实现对伤口状况的判断。随着伤口逐渐愈合,再生材料被不断吸收,电子器件部分自然从伤口剥离。”马列说道,“虽然在动物实验中,我们只尝试过创面面积约4平方厘米的皮肤监测与修复,但如果应用在人体大面积皮肤修复中,或可以采用多个材料‘打补丁’的形式解决。”

目前,人造电子皮肤依然在研究阶段,“我们研究的关键是将再生系统与柔性传感系统有机地整合,并确保在复杂的再生修复创面,系统的再生功能与传感执行功能都运作无误。”马列说道,“而且,这套人造电子皮肤再生系统是首个将组织再生材料与柔性电子技术相结合,对未来发展一系列集合生物、材料、信息等多种技术的电子生物混合系统具有重要的启示。”