09:48
Имитаторы Кожи Человека
Кожа — наружный покров организма человека, защищающий тело от широкого спектра внешних воздействий, участвующий в терморегуляции, обменных и многих других процессах, происходящих в человеческом организме. Кроме того, кожа является самым большим человеческим органом чувств, дающим нам возможность ощущать и познавать окружающий нас мир посредством осязания.Площадь кожного покрова может достигать двух квадратных метров, а вес может составлять до 16 процентов общего веса тела.Также, кожа умеет "коммуницировать” – к примеру, в определенных ситуациях она краснеет. Тут в "игру” включаются эластичные волокна, кровеносные и лимфатические сосуды, нервные клетки, датчики холода и тепла, осязательные тельца, клетки иммунной системы, потовые и сальные железы, рецепторы запаха, жировая ткань.
 
 
Именно, в силу своих защитных функций и больших размеров, кожа, как орган чувств, наиболее подвержена всякого рода неблагоприятным воздействиям, начиная от изменений ее структуры в виде различных заболеваний и кончая полным разрушением при травмах, наиболее распространенными из которых являются ожоги. И тут встает вопрос о восстановлении кожи или восстановлении ее функций. Одним из вариантов решения этой проблемы является создание искусственной и синтетической кожи, в получении которых не последнюю роль играют и нанотехнологии.
 
Строение здоровой кожи человека
 
Кожа – это целая тканевая система. Она состоит из трех основных компонентов: эпидермиса, дермы и подкожно-жировой клетчатки. Все это - звенья одной цепи, которые находятся в тесной связи между собой. Эпидермис – самый верхний слой нашей с вами кожи. Именно, он встает на пути негативного влияния на организм микро - и макро факторов. Это своего рода барьер, защищающий нас от вредных биологических, физических, а также механических воздействий. Особенности строения эпидермиса обеспечивают его эластичность, упругость и прочность, а высокие регенеративные свойства способствуют быстрому восстановлению при малейших повреждениях. Эпидермис, в свою очередь, сам состоит из 5 слоев. Каждый из них созревает один в другой, при этом кожа непрерывно обновляется. Полное же обновление клеток эпидермиса происходит в течение 26-28 дней. 
 
Между эпидермисом и дермой (собственно кожей) существует пограничная зона. Дерма состоит из переплетающихся между собой волокон, основные из которых эластические и коллагеновые, именно они обеспечивают коже упругость, способность возвращаться в прежнее состояние после растяжения. Дерма состоит из 2-х слоев. В глубоком слое располагаются кровеносные и лимфатические сосуды, нервные окончания, мышцы, а так же потовые и сальные железы и волосы (фолликулярный аппарат). 
 
И, наконец, гиподерма (подкожно-жировая клетчатка), располагается под дермой и служит своего рода "подушкой”. В тех или иных участках тела она имеет неодинаковую толщину (более или менее выражена) – этим объясняется округлость форм человеческого тела. Роль гиподерма очень велика. Она предохраняет организм от чрезмерного охлаждения и перегрева, защищает от внешних раздражителей, травм, служит "Депо", в котором откладываются запасы жира, расходуемого в случае болезни, голода, беременности. 
 
...Любопытная картина представляется взору, когда рассматриваешь строение кожи под микроскопом. Наружная часть кожи — надкожица, или эпидермис, — состоит из многих слоев клеток, хотя толщина ее и не превышает нескольких десятых долей миллиметра. Первое, что бросается в глаза, — это отсутствие в ней кровеносных сосудов.
 
В основании надкожицы, тесно соприкасаясь друг с другом, словно плитки брусчатой мостовой, расположены клетки. Только этот основной слой надкожицы можно назвать по-настоящему живым и полноценным. Его клетки находятся в непосредственном соседстве с густой сетью кровеносных сосудов, легко получают из крови питательные вещества и кислород и отдают в кровь углекислоту и другие ненужные вещества. 
 
Клетки основного слоя надкожицы в течение всей жизни размножаются делением. Отпочковавшиеся от них молодые клетки сначала оказываются над основным слоем, а затем постепенно оттесняются наружу новыми клетками, образующимися при каждом очередном делении. Старые клетки по мере их удаления от основного слоя все хуже обеспечиваются кислородом и питательными веществами и начинают отмирать. Они делаются плоскими, их вещество перерождается и становится похожим на те роговые образования, из которых состоят ногти и волосы. Поверхность надкожицы состоит из большого количества таких отмерших клеток. Склеиваясь друг с другом, они образуют тонкие пластинки, которые постепенно слущиваются. 
 
Казалось бы, мертвые клетки уже бесполезны для организма. Однако это не так. Они, как тяжелые доспехи средневекового рыцаря, принимают на себя все удары и сохраняют невредимыми живые клетки основного слоя надкожицы. Щит из мертвых клеток не пропускает ни воды, ни растворенных в ней веществ.
 
 
Под плотным слоем живых клеток надкожицы находится собственно кожа. В ней гораздо меньше клеток, и расположены они на значительном расстоянии друг от друга. Пространство между клетками заполнено особым волокнистым веществом, которое придает коже упругость. А сколько здесь кровеносных сосудов, сколько тончайших нервных веточек! 
 
Толщина этого слоя — 1—2 мм. В нем находятся корни волос, сальные и потовые железы. Сюда же подходят чувствительные нервные волокна. Их окончания неодинаковы как по строению, так и по способности избирательно отвечать лишь на определенные раздражители. Такое разнообразие нервных окончаний дает нам возможность раздельно ощущать прикосновение к коже, боль, тепло, холод. 
В наружной части собственно кожи очень много упругих волокон. Но чем дальше от поверхности, тем их становится меньше, ткань делается более рыхлой и в ней начинают появляться клетки, обладающие способностью захватывать из крови частицы жира и накоплять его в таком количестве, что он почти целиком заполняет клетки. Сохраняя жир в виде запаса, клетки могут вновь отдавать его в кровь для нужд организма. 
 
Сначала жировые клетки расположены поодиночке или отдельными маленькими группами, а в глубине кожи их становится все больше и больше, и, наконец, они заполняют целиком всю ткань. Так незаметно кожа переходит в подкожную, или жировую, клетчатку, толщина которой в некоторых местах тела достигает нескольких сантиметров. 
 
Кожа вместе с подкожной клетчаткой ослабляет толчки и удары, направленные на тело. Представьте себе человека, укутанного с ног до головы в толстые мягкие одеяла, В таком облачении можно без боязни подставить грудь под удар боксера или решиться на смелый прыжок, для нашего тела таким одеялом как раз и служат кожа и подкожная клетчатка... 
 
Как работает и питается кожа? 
 
Кожа богато снабжена кровеносными сосудами, образуя сети, которые несут питательные вещества всем составляющим элементам кожного покрова. Нервные волокна так же образует многочисленные сплетения, но могут оканчиваться и свободно, причем распределение и количество нервных элементов на различных участках кожи неодинаково. Именно благодаря нервным образованьям мы чувствуем холод и тепло, давление, осязание, а так же боль. Мышечные волокна в основном представлены гладкими мышцами. Часть из них прикреплена к волосяному фолликулу ниже сальной железы, часть свободно лежит в коже. Другой вид мышц - поперечно-полосатые находятся в области шеи, в коже лица. Именно они отвечают за мимику нашего лица, помогают нам улыбаться, хмуриться, грустить... 
 
 «Придатки» нашей кожи. 
 
К ним относятся потовые и сальные железы, ногти и волосы. Выводные протоки сальных и потовых желез открываются на поверхности кожи в мелких бороздках. Количество пота колеблется в зависимости от температуры тела и окружающей среды, работы или покоя, количества выпитой жидкости. В среднем за сутки при нормальных условиях выделяется ~ 600-900 мл пота. Пот увлажняет кожу, препятствует чрезмерному высыханию ее поверхности, испаряясь, способствует терморегуляции и выводит на поверхность токсины. Жировая пленка, равномерно распределенная на коже, обеспечивает ее эластичность, при недостаточности жировой смазки кожа становится сухой. Сальные железы располагаются преимущественно в тех участках кожи, где имеются волосы. Протоки их открываются в верхней трети волосяного фолликула, но могут быть, и не связаны с ним. Например, на ладонях и подошвах их вообще нет. 
 
Ноготь представляет собой плотную пластинку, поверхность которой в нормальном состоянии гладкая, блестящая, на ней часто видны нежные продольные полоски. Изменения структуры, цвета, формы ногтей говорит о наличии каких-то внутренних заболеваний, нехватке витаминов, минеральных веществ. 
 
Волос и его оболочки, образующие волосяной фолликул, тесно связаны между собой. Волос состоит из стержня, возвышающегося над кожей и корня, располагающегося в фолликуле. Рост волоса в длину происходит за счет луковицы, в основание которой находится волосяной сосочек, образованный кровеносными сосудами. Именно здесь происходит основной обмен веществ. В волосе различают 3 слоя: мозговое вещество, корковое и кутикула. Качественные и количественные характеристики волос сугубо индивидуальны и зависят от множества факторов, а именно: от состояния здоровья, от того, чем человек питается, образа жизни, предрасположенности к тем или иным заболеваниям, вредных привычек, а также от правильного ухода... 
 
 
Стоит отметить, что искусственная и синтетическая кожа – понятия разные. Различие проистекает из общего определения искусственных и синтетических материалов. Искусственные материалы – это материалы, основу которых составляют природные вещества, то есть вещества, уже созданные природой. Человек сам их не создает, а лишь по другому «упаковывает» в готовое изделие, получая при этом материалы с новыми свойствами. Синтетические же материалы создаются человеком из веществ, созданных им самим, в природе не существующих. Примерами могут служить вискоза – искусственный шелк, получаемый из целлюлозы, и капрон – синтетическое волокно, получаемое из синтезированного человеком полимера.
 
Искусственная кожа.
 
Если обратиться к коже, то примером получения искусственной кожи является разработка ученых из университета Гранады (Глобалист), которые создали искусственную человеческую кожу при помощи тканевой инженерии на основе арагозо-фибринного биоматериала. Искусственная кожа была привита мышам и показала оптимальные результаты в плане развития, мейоза и функциональности. Это открытие позволит найти ей клиническое применение, а также применение в лабораторных тестах на тканях, что, в свою очередь, позволит избежать использования лабораторных животных. Более того, открытие может быть использовано при разработке новых подходов к лечению кожных патологий.
 
Исследование проводил Хосе Мария Хименес Родригес (Jos Mara Jimnez Rodrguez) из исследовательской группы тканевой инженерии при факультете гистологии Университета Гранады под руководством профессоров Мигеля Аламиноса Мингоранса (Miguel Alaminos Mingorance), Антонио Кампоса Муноса (Antonio Campos Muoz) и Хосе Мигеля Лабрадор Молина (Jos Miguel Labrador Molina).
 
Исследователи сначала выбрали клетки, которые впоследствии должны были быть использованы для создания искусственной кожи. Затем проанализировали развитие культуры в лабораторных условиях и, в конце концов, провели контроль качества путем прививания тканей мышам. С этой целью были разработаны несколько техник иммунофлуоресцентной микроскопии. Они позволили ученым оценить такие факторы как клеточная пролиферация, наличие маркеров морфологической дифференциации, экспрессия цитокреатина, инволюкрина и филагрина; ангиогенез и рост искусственной кожи в организме реципиента.
 
Для экспериментов исследователи взяли небольшие части человеческой кожи путем биопсии у пациентов после пластических операций в больнице University Hospital Virgen de las Nieves в Гранаде. Естественно, с согласия пациентов.
 
Для создания искусственной кожи был использован человеческий фибрин из плазмы здоровых доноров. Затем исследователи добавили транексамовую кислоту (для предотвращения фибринолиза), хлорид кальция (для предотвращения коагуляции фибрина) и 0,1% арагозы (aragose). Эти заменители были привиты на спины голых мышей с целью наблюдения их развития в естественных условиях.
 
Кожа, созданная в лаборатории, показала хороший уровень биосовместимости. Отторжения, расхождения или инфекции обнаружено не было. Плюс кожа на всех животных в исследовании проявила грануляцию через шесть дней после имплантации. Рубцевание завершилось в следующие двадцать дней.
 
Эксперимент, проведенный в Университете Гранады стал первым в ходе которого искусственная кожа была создана с дермой на основе арагозо-фибринного биоматериала. До сих пор использовались другие биоматериалы вроде коллагена, фибрина, полигликолиевой кислоты, хитозана и т.д.
 
Новый биоматериал «добавил коже сопротивляемости, прочности и эластичности». Была создана более стабильная кожа с функционалом похожим на функционал обычной человеческой кожи.
 
Синтетическая кожа.
 
В плане создания синтетической кожи, применение которой уже не ограничивается дублированием функций натуральной кожи, а простирается вплоть до разработок человекоподобных роботов, то здесь неплохие достижения продемонстрировали ученые Стэнфордского университета.
 
Большинство сенсорных дисплеев, используемых в современных гаджетах, созданы по одному и тому же шаблону. Несколько датчиков, расположенных в стратегически важных местах под тонкой пленкой, обеспечивают необходимую чувствительность к нажатиям. Разместите сверху прозрачный емкостный экран, и в вашем распоряжении окажется полнофункциональный сенсорный интерфейс. Синтетическая «суперкожа», разработанная учеными из Стэнфордского университета, представляет собой нечто принципиально иное. Этот тонкий, эластичный и практически прозрачный материал, способен реагировать на нажатия и прикосновения, даже будучи смятым или скрученным в жгут.
 
«Основой для предлагаемого материала является прозрачная пленка из одностенных углеродных нанотрубок, которая размещается между двумя слоями тонкой и гибкой кремниевой подложки», - объясняет профессор Женан Бао (Zhenan Bao), создатель «суперкожи». После первоначального натяжения, во время которого расположенные случайным образом проводящие нанотрубки упорядочиваются и формируют микроскопические «пружинообразные» структуры. После этого синтетическая кожа может повторно растягиваться в два раза от исходных размеров, не теряя своей изначальной упругости. Даррен Липоми (Darren Lipomi), исследователь, входящий в состав команды Бао, уверяет что в ходе продолжительных испытаний не было выявлено никаких признаков постоянной деформации»...
 
Американские физики создали сверхгибкий материал, способный залечивать царапины и порезы и умеющий распознавать касания, что позволит использовать его в качестве основы для синтетической кожи, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature.
 
«До нашей работы, было сложно даже представить, что мы сможем создать столь гибкий и хорошо проводящий электричество материал, способный залечивать порезы и царапины. Свежий порез „заживал" на этой коже за несколько секунд. Даже человеческая кожа заживает за несколько дней. В общем, я думаю, что это очень круто», — заявили авторы изобретения, чьи слова приводит пресс-служба Школы инженерного дела все того же Стэнфордского университета (США).
 
Группа физиков под руководством Чженань Бао (Zhenan Bao) из Стэнфордского университета уже несколько лет пытается воспроизвести ключевые свойства кожи — гибкость, прочность, высокую чувствительность и способность к заживлению травм — в искусственном материале. Так, в 2010 году Бао и ее коллеги создали гибкий электропроводный материал, способный чувствовать нажатия и прикосновения.
 
В новой работе авторы статьи решили «научить» искусственную кожу самому сложному свойству ее живой прародительницы — способности к самолечению. По их словам, за последние годы другие группы ученых изобрели несколько материалов со способностью к самолечению, однако все из них не проводят ток или обладают крайне неприятными недостатками, не позволяющими использовать их в качестве искусственной кожи.
 
Бао и ее коллеги решили эти проблемы при помощи двух ключевых компонентов — особого углеводородного полимера и нанопорошка из никеля. По словам ученых, углеводородные цепочки обладают сразу несколькими полезными свойствами — они очень гибкие и подвижные по своей природе, что необходимо для самолечения кожи, а также неплохо проводят электрический ток.
 
Частицы никеля реализуют две других задачи — они делают кожу более прочной, а также улучшают ее проводящие свойства, соединяя разрозненные нити полимеров в единый проводник. Смесь из этих двух ингредиентов превращает мягкую полимерную субстанцию, похожую по своей консистенции на конфету-тянучку, в относительно твердый и одновременно гибкий материал.
 
Ученые изготовили тонкий лист из смеси полимера и наночастиц никеля и проверили, как он будет реагировать на порезы. Этот материал великолепно заживляет царапины и разрезы — «рана» на поверхности синтетической кожи исчезает буквально за несколько секунд после сжатия ее сторон и полностью залечивается через 30 минут. По словам физиков, их кожа выдерживает десятки порезов без каких-либо негативных последствий для своей внутренней структуры и свойств.
 
Как отмечают Бао и ее коллеги, новая версия синтетической кожи обладает той же чувствительностью, что и их прежние разработки. К примеру, перчатка из искусственной кожи будет «чувствовать» даже то небольшое давление, которое возникает при рукопожатиях.
 
Эта уникальная особенность позволяет синтетической коже распознавать прикосновения и реагировать на них в скрученном и растянутом состоянии. Кроме того, в отличие от большинства известных сенсорных дисплеев, экран из «суперкожи» способен распознавать силу нажатия, в то время как существующие емкостные дисплеи реагируют лишь на незначительный электрический заряд между кончиком пальца и поверхностью экрана и не способны отличить легкое касание от ударов кувалдой.
 
Имитатор человеческой кожи
 
Группе ученых под руководством Хайке Валлес (Heike Walles) удалось создать аналог человеческой кожи, специально для производства которой была разработана управляемая с помощью компьютера биореакторная система.
 
Модели такой кожи могут использоваться в фармацевтической и косметической промышленности в качестве материала для тестирования новых лекарственных препаратов и косметики – не прибегая к экспериментам на животных.
 
Изобретение уже запатентовано. С конца 2010 года производство двухслойной кожи поставлено на поток. Недавно ученым удалось вживить в нее и кровеносные сосуды. Следующим важным шагом станет выращивание фрагментов более функциональной – уже трехслойной – биоинженерной кожи...
 
 
Конечно, все исследователи полагают, что их изобретения привлечет внимание медиков и других ученых, разрабатывающих протезы ног и рук, в ближайшем будущем. По их словам, сфера применения этого материала этим не ограничивается — прозрачная и растягивающаяся версия кожи может быть приспособлена для работы в качестве сенсора для экранов мобильных устройств и другой техники. 
 
Также можно с легкостью представить себе, к примеру, сверхсовременных роботов, покрытых мягкой и чувствительной к нажатиям пленкой. А когда-нибудь, в далеком будущем высокотехнологичная синтетическая кожа может быть пересажена и живым людям, например, жертвам катастроф, получившим тяжелые ожоги или утратившим какую-либо часть тела. А, если заглянуть еще подальше, то такая "кожа" сможет и оградить от губительного воздействия агрессивной внешней среды, непосредственно на тело и организм человека... Своего рода- кожа- скафандр... Может в таком облачение и представляются людям иномиряне?... 
 
Полноценную кожную ткань смогли вырастить из стволовых клеток биологи из института RIKEN.

"До настоящего времени созданию искусственной кожи препятствовало то, что подобные образцы тканей не содержали в себе важных компонентов, таких как волосяные фолликулы или железы внешней секреции, без которых кожа не способна управлять тепловым режимом тела и исполнять другие функции. Наша кожа обладает всеми этими чертами и ее даже можно использовать в лабораторных тестах вместо животных", - заявил Такаси Цудзи (Takashi Tsuji) из института RIKEN в Кобе (Япония).

Цудзи и его коллеги смогли достичь подобного успеха благодаря особой стратегии "перепрограммирования" стволовых клеток, в рамках которой ученые выращивали не отдельные слои кожи, а так называемое "эмбриоидное тело" - своеобразное подобие зародыша, состоящее из смеси различных типов "заготовок" различных тканей. Ключом для всех этих превращений стал ген Wnt10b, заставивший стволовые клетки превратиться в разные компоненты кожи.

Получив несколько таких "зародышей", ученые имплантировали их в тело мышей, где эти органоиды начали расти и превращаться во взрослые ткани тела. Когда эти эмбрионы выросли до достаточно больших размеров, ученые удалили их, срезали с них кожу и пересадили ее на тело других мышей, кожа которых была повреждена.

Эта операция была полностью успешной - кожа полностью прижилась, и она обладала всеми чертами здорового покрова тела грызуна - на ней было достаточно много волосяных луковиц, потовых желез и других важных компонентов кожи, которые обычно вызывают проблемы при ее выращивании.

3D-принтер, который напечатает человеческую кожу

Группа исследователей из Мадридского университета Карлоса III, Центра по исследованиям в сфере энергетики, окружающей среды и технологий (CIEMAT), а также мадридского Университетского госпиталя Грегорио Мараньона разработали 3D-принтер, который печатает кожу, полностью идентичную человеческой, с использованием биологических материалов.

Как показали исследования, полученная кожа полностью функциональна, и ее можно использовать в медицине и трансплантологии, а также для тестирования косметической продукции и бытовой химии.

Кожа создается с помощью так называемых "биочернил". Как отмечает один из исследователей Хуан Франсиско дел Каньисо, ключевое значение для создания технологии имело понимание того, как именно нужно смешивать и наносить биоматериалы, чтобы клетки могли функционировать. Кожа печатается слой за слоем, повторяя строение настоящей человеческой кожи.

"Распечатанная" кожа, которая, как и человеческая, состоит из эпидермиса и дермы, биологически активна и сама производит коллаген, придающий ей эластичность. Как подчеркивают ученые, если для печати использовать биоматериал от конкретного человека, можно за короткий срок создать кожу, пригодную для трансплантации — например, в случае серьезного ожога.

Фирма BioDan Group, принимавшая участие в разработке, планирует вывод продукта на рынок. В компании отмечают главные преимущества технологии печати кожи: быстрота создания и возможность автоматизации производства...

http://www.pravda.ru/news/science/eureka/02-04-2016/1297127-science-0/
http://news.rambler.ru/16316699/
http://www.rusnor.org/nanoworld/about/7072.htm
http://www.coolreferat.com/
https://news.rambler.ru/video/35930926/?utm_content=news&utm_medium=read_more&utm_source=copylink
Просмотров: 3127 | Добавил: Валерий | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]