La piel artificial es un armazón de colágeno que induce la regeneración de la piel en mamíferos como los humanos. El término se utilizó a finales de la década de 1970 y principios de la de 1980 para describir un nuevo tratamiento para quemaduras graves . Más tarde se descubrió que el tratamiento de heridas cutáneas profundas en animales adultos y humanos con este armazón induce la regeneración de la dermis . [1] Se ha desarrollado comercialmente con el nombre de Integra y se utiliza en pacientes con quemaduras graves, durante la cirugía plástica de la piel y en el tratamiento de heridas cutáneas crónicas. [2]
Alternativamente, el término "piel artificial" a veces se utiliza 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. "Piel artificial" también puede referirse a materiales semiconductores flexibles que pueden percibir el tacto para quienes tienen miembros protésicos (también en fase experimental).
La piel es el órgano más grande del cuerpo humano . [3] 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, aceite y glándulas sudoríparas. [4] El daño severo a grandes áreas de la piel expone al organismo humano a la deshidratación e 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 propio paciente (autoinjertos) o de un donante no emparentado o de un cadáver. El primer método tiene la desventaja de que puede no haber suficiente piel disponible, mientras que el segundo presenta 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 había sido dañada extensamente, lo que hacía imposible tratar a los pacientes gravemente heridos sólo con autoinjertos. [5]
Ioannis V. Yannas (en aquel entonces profesor adjunto de la División de Fibras y Polímeros del Departamento de Ingeniería Mecánica del Instituto Tecnológico de Massachusetts ) y John F. Burke (en aquel entonces jefe de personal del Instituto Shriners Burns de Boston, Massachusetts) inventaron un proceso para inducir la regeneración de la piel. Su objetivo inicial era descubrir una cubierta para heridas que protegiera las heridas cutáneas graves de las infecciones acelerando el cierre de la herida. Se prepararon y probaron varios tipos de injertos hechos de polímeros sintéticos y naturales en un modelo animal de conejillo de indias. A finales de la década de 1970, era evidente que no se había alcanzado el objetivo original. En cambio, estos injertos experimentales normalmente no afectaban a la velocidad del cierre de la herida. Sin embargo, en un caso, un tipo particular de injerto de colágeno provocó un retraso significativo del cierre de la herida. [6] Un estudio cuidadoso de muestras histológicas reveló que los injertos que retrasaban el cierre de la herida inducían 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 mismo en el mamífero adulto. [7] [8] [9] [10] [11] [12] Después del descubrimiento inicial, investigaciones posteriores llevaron a la composición y fabricación de injertos que se evaluaron en ensayos clínicos. [11] [13] Estos injertos se sintetizaron como un copolímero de injerto de colágeno tipo I microfibrilar y un glicosaminoglicano, condroitín-6-sulfato, fabricado en láminas porosas mediante liofilización y luego reticulado mediante tratamiento deshidrotérmico. [14] 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 prerrequisito crítico para su actividad biológica inusual. 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. [15] [16] John F. Burke también afirmó, en 1981, que "[La piel artificial] es suave y flexible, no rígida ni dura, a diferencia de otras sustancias utilizadas para cubrir la piel quemada". [17]
Se otorgaron varias patentes al MIT para la creación de injertos basados en colágeno que pueden inducir la regeneración de la dermis. La patente estadounidense 4.418.691 (6 de diciembre de 1983) fue citada por el Salón Nacional de la Fama de los Inventores como la patente clave que describe la invención de un proceso para la regeneración de la piel (Inductees Natl. Inventors Hall of Fame, 2015 [18] ). Estas patentes fueron posteriormente traducidas a un producto comercial por Integra LifeSciences Corp., una empresa fundada en 1989. [19] La plantilla de regeneración dérmica Integra recibió la aprobación de la FDA en 1996, y la FDA la incluyó en la lista de "Innovación significativa en dispositivos médicos" ese mismo año. [20] Desde entonces, se ha aplicado en todo el mundo para tratar a pacientes que necesitan piel nueva para tratar quemaduras masivas [21] y heridas traumáticas en la piel, [22] aquellos que se someten a cirugía plástica de la piel, [23] así como otros que tienen ciertas formas de cáncer de piel. [24]
En la práctica clínica, se coloca una fina lámina de injerto fabricada a partir del armazón de colágeno activo en el lugar de la lesión, que luego se cubre con una fina lámina de elastómero de silicona que protege el lugar 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. [10] El injerto de heridas de la piel 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 armazón no eran capaces de regenerar los folículos pilosos y las glándulas sudoríparas, los desarrollos posteriores de ST Boyce y colaboradores llevaron a la solución de este problema. [25]
El mecanismo de regeneración que utiliza un andamio de colágeno activo se ha aclarado en gran medida. El andamio conserva la actividad regenerativa siempre que se haya preparado con niveles apropiados de superficie específica (tamaño de poro en el rango de 20-125 μm), tasa de degradación (vida media de degradación de 14 ± 7 días) y características químicas de la superficie (las densidades de ligando para las integrinas α1β1 y α2β1 deben superar aproximadamente los 200 μM de los ligandos α1β1 y α2β1). [26] Se ha planteado la hipótesis de que la unión específica de una cantidad suficiente de células contráctiles (miofibroblastos) en la superficie del andamio, que se produce dentro de una ventana de tiempo estrecha, es necesaria para la inducción de la regeneración de la piel en presencia de este andamio. [27] Los estudios con heridas de la piel se han extendido a nervios periféricos seccionados, y la evidencia combinada respalda un mecanismo de regeneración común para la piel y los nervios periféricos utilizando este andamio. [28]
La fabricación de piel artificial presenta la dificultad de imitar el tejido vivo con un rendimiento biológico y mecánico similar. Como señalan Yannas y Burke, fundadores de Integra, hay tres factores clave que se deben tener en cuenta en la creación de piel artificial: material, propiedades biofisicoquímicas y propiedades mecánicas . [7]
La selección del material es la parte más importante para diseñar piel artificial. Debe ser biocompatible con el cuerpo y tener las propiedades adecuadas para un funcionamiento adecuado. La piel humana está hecha de colágeno tipo I , elastina y glicosaminoglicano . [29] La piel artificial de Integra está hecha de un copolímero compuesto de colágeno y glicosaminoglicano. [7] El colágeno es un polímero hidrófilo cuya degradación y rigidez se pueden controlar mediante el grado de reticulación. Sin embargo, puede ser frágil y susceptible a la descomposición por la enzima colagenasa . Para hacer que el material sea más duro y resistente, se forma un copolímero con glicosaminoglicano (GAG). Los GAG son polisacáridos largos que actúan como amortiguadores. Las matrices de colágeno-GAG (CG) tienen un módulo de elasticidad y una energía necesarios para fracturarse más altos que el colágeno solo, lo que lo convierte en un material más ideal. [7] Normalmente se aplica una capa exterior de silicona a la matriz para que sirva como capa protectora. [30] Otro material que se puede utilizar en la piel sintética es la elastina. [31] La elastina tiene un efecto similar al GAG, ya que reduce la resistencia a la tracción y el módulo de compresión del material al tiempo que aumenta su tenacidad . [31]
El material no solo tiene que ser biocompatible y propicio para la proliferación , sino que también tiene que tener propiedades mecánicas similares a las de la piel real para servir como un sustituto adecuado. La piel es la primera línea de defensa del cuerpo, por lo que está sujeta a muchas agresiones químicas y mecánicas. Como tal, la piel artificial debe ser fuerte y resistente al desgarro por el estiramiento que se produce en la actividad diaria. También debe ser lo suficientemente fuerte como para resistir las suturas de la cirugía. La rigidez se puede controlar de varias formas. Como se mencionó anteriormente, la reticulación a través de métodos químicos o biofísicos. [32] Los métodos químicos producen materiales más fuertes, pero los métodos biofísicos son más propicios para la proliferación celular. [32] Además, se ha observado que la piel es viscoelástica y sufre histéresis : tiene un factor de relajación de la tensión dependiente del tiempo y pasa por un camino separado durante la descarga.
Otro factor importante a tener en cuenta es la humectabilidad del material, es decir, la capacidad de un líquido de mantener el contacto con una superficie sólida. Si la membrana de matriz de CG no humedece adecuadamente el sustrato del lecho de la herida, pueden formarse bolsas de aire que provocarán una infección. [7] La membrana no debe ser demasiado rígida para que pueda cubrir la superficie. Además, las fuerzas de cizallamiento (laterales) o de desprendimiento (normales) pueden desplazar la membrana de modo que se puedan volver a formar bolsas de aire. Esto se puede mitigar añadiendo un enlace adhesivo como una costra entre las dos superficies. Aunque las propiedades mecánicas de la piel sintética no necesitan ser exactamente las mismas que las de la piel humana, las principales que deberían ser similares incluyen el módulo de elasticidad, la resistencia al desgarro y la energía de fractura. [7]
En definitiva, el objetivo de la piel sintética es cerrar la herida y hacer que vuelva a crecer piel nueva. Esto significa que primero se adhiere a la herida y crea un sello hermético donde puede producirse el crecimiento neodérmico . Durante este tiempo, la piel sintética debe degradarse de manera que haya espacio para la piel recién desarrollada. Por lo tanto, la biocompatibilidad y la degradabilidad también se tienen en cuenta en el diseño. [7]
Se realizan investigaciones continuas sobre piel artificial. Se están probando tecnologías más nuevas, como la piel autóloga en aerosol producida por Avita Medical [33] , con el fin de acelerar la curación y minimizar las cicatrices.
El Instituto Fraunhofer de Ingeniería Interfacial y Biotecnología está trabajando en un proceso totalmente automatizado para producir piel artificial. Su objetivo es una piel simple de dos capas sin vasos sanguíneos que pueda usarse para estudiar cómo interactúa la piel con productos de consumo, como cremas y medicamentos. Esperan producir, en el futuro, piel más compleja que pueda usarse en trasplantes. [34]
Hanna Wendt y un equipo de colegas del Departamento de Cirugía Plástica, de Mano y Reconstructiva de la Facultad de Medicina de Hannover, Alemania, han descubierto un método para crear piel artificial utilizando seda de araña . Sin embargo, antes de esto, la piel artificial se cultivaba utilizando materiales como el colágeno . Estos materiales no parecían lo suficientemente fuertes. En su lugar, Wendt y su equipo recurrieron a la seda de araña, que se sabe que es cinco veces más fuerte que el kevlar . La seda se obtiene "ordeñando" las glándulas de seda de las arañas de telaraña dorada. La seda se enrollaba a medida que se recolectaba 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 añadieron células de piel humana a la malla de seda y se descubrió que prosperaban en un entorno que proporcionaba nutrientes, calor y aire. Sin embargo, en este momento, el uso de seda de araña para cultivar piel artificial en cantidades masivas no es práctico debido al tedioso proceso de recolección de seda de araña. [35]
Los investigadores australianos están buscando actualmente una forma nueva e innovadora de producir piel artificial. Esto permitiría producir piel artificial de forma más rápida y eficiente. La piel producida tendría sólo un milímetro de espesor y sólo se utilizaría para reconstruir la epidermis. También se puede hacer la piel con un espesor de 1,5 milímetros, lo que permitiría a la dermis repararse a sí misma si fuera necesario. Para ello se necesitaría médula ósea de una donación o del cuerpo del paciente. La médula ósea se utilizaría como una "semilla" y se colocaría en los injertos para imitar la dermis. Este método se ha probado en animales y se ha demostrado que funciona con la piel animal. El profesor Maitz dijo: "En Australia, una persona con una quemadura de espesor total de hasta el 80 por ciento de la superficie corporal tiene todas las posibilidades de sobrevivir a la lesión... Sin embargo, su calidad de vida sigue siendo cuestionable ya que, por el momento, no podemos reemplazar la piel quemada con piel normal... Estamos comprometidos a garantizar que el dolor de la supervivencia valga la pena, desarrollando un equivalente de piel viva". [36]
Se ha creado otra forma de "piel artificial" a partir de materiales semiconductores flexibles que pueden percibir el tacto para quienes tienen miembros protésicos . [3] [37] Se prevé que la piel artificial aumente la capacidad de la robótica para realizar trabajos rudimentarios que se considerarían delicados y requerirían un "toque" sensible. [3] [38] 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 adónde ir y se enredan. Las moléculas tampoco vuelven a su forma original cuando se retira la presión. [39] Un avance reciente en la técnica de la piel sintética se ha logrado impartiendo las propiedades de cambio de color a la fina capa 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 se refleja en la piel. [40] Esta tecnología se puede utilizar en camuflajes que cambian de color y sensores que pueden detectar defectos que de otro modo serían imperceptibles en edificios, puentes y aviones.
La Universidad Carlos III de Madrid , el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales 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. [41]