Piel artificial

La piel artificial es un soporte de colágeno que induce la regeneración cutánea 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. Posteriormente, se descubrió que el tratamiento de heridas cutáneas profundas en animales adultos y humanos con este soporte induce la regeneración de la dermis. 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.

Alternativamente, el término "piel artificial" se utiliza a veces para referirse a tejido similar a la piel cultivado en un laboratorio, aunque esta tecnología aún está lejos de ser viable para su uso en el campo médico. "Piel artificial" también puede referirse a materiales semiconductores flexibles capaces de percibir el tacto en personas con prótesis (también en fase experimental).La piel es el órgano más grande del cuerpo humano. Está compuesta 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 retiene los fluidos vitales y protege del ingreso de bacterias dañinas. La dermis es la capa interna de la piel que contiene vasos sanguíneos, nervios, folículos pilosos, grasa y glándulas sudoríparas. Un daño severo en grandes áreas de la piel expone al organismo humano a la deshidratación e infecciones que pueden causar la muerte.Las formas tradicionales de tratar grandes pérdidas de piel han consistido en utilizar injertos de piel del propio paciente (autoinjertos), 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 realizaban con la propia piel del paciente. Esto se convirtió en un problema cuando la piel sufría daños extensos, lo que imposibilitaba el tratamiento de pacientes con lesiones graves únicamente con autoinjertos.Ioannis V. Yannas (entonces profesor adjunto de la División de Fibras y Polímeros del Departamento de Ingeniería Mecánica del Instituto Tecnológico de Massachusetts) y John F. Burke (entonces jefe de personal del Instituto Shriners Burns de Boston, Massachusetts) inventaron un proceso para inducir la regeneración cutánea. Su objetivo inicial era descubrir una cubierta para heridas que protegiera las heridas cutáneas graves de infecciones acelerando su cierre. Se prepararon y probaron varios tipos de injertos 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 no solían afectar la velocidad del cierre de la herida. Sin embargo, en un caso, un tipo particular de injerto de colágeno provocó un retraso significativo en el cierre de la herida. Un estudio minucioso de muestras histológicas reveló que los injertos que retrasaban el cierre de la herida inducían la síntesis de nueva dermis de novo en el lugar de la lesión, en lugar de formar cicatriz, que es el resultado normal de la respuesta de cicatrización espontánea de la herida. Esta fue la primera demostración de la regeneración de un tejido (dermis) que no se regenera por sí solo en el mamífero adulto. Tras el descubrimiento inicial, investigaciones posteriores condujeron 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 glicosaminoglicano, el condroitín-6-sulfato, que se fabricaron en láminas porosas mediante liofilización y posteriormente se reticularon mediante tratamiento deshidrotérmico. El control de las características estructurales del armazón de colágeno (tamaño medio de poro, tasa de degradación y química superficial) resultó ser un prerrequisito crítico para su inusual actividad biológica. En 1981, Burke y Yannas demostraron que su piel artificial era eficaz en pacientes con quemaduras del 50 al 90 por ciento, mejorando enormemente las posibilidades de recuperación y la calidad de vida. 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 piel quemada».El MIT obtuvo varias patentes para la creación de injertos 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 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 (Inducidos al Salón Nacional de la Fama de los Inventores, 2015). Estas patentes fueron posteriormente traducidas a un producto comercial por Integra LifeSciences Corp., empresa fundada en 1989. La Plantilla de Regeneración Dérmica Integra recibió la aprobación de la FDA en 1996, y la FDA la clasificó como un "Innovador Avance Significativo en Dispositivos Médicos" ese mismo año. Desde entonces, se ha aplicado en todo el mundo para tratar a pacientes que necesitan piel nueva para tratar quemaduras graves y heridas traumáticas, a quienes se someten a cirugía plástica cutánea y a quienes padecen ciertos tipos de cáncer de piel.En la práctica clínica, se coloca una fina lámina de injerto fabricada a partir del armazón de colágeno activo sobre la zona lesionada, que posteriormente se cubre con una fina lámina de elastómero de silicona que protege la herida de infecciones bacterianas y deshidratación. El injerto puede sembrarse con células autólogas (queratinocitos) para acelerar el cierre de la herida; sin embargo, la presencia de estas células no es necesaria para la regeneración de la dermis. El injerto de Integra en heridas cutáneas conduce a la síntesis de dermis normal, vascularizada e inervada, seguida de la reepitelización y la formación de epidermis. Aunque las primeras versiones del armazón no eran capaces de regenerar los folículos pilosos ni las glándulas sudoríparas, los desarrollos posteriores de S.T. Boyce y colaboradores permitieron resolver este problema.El mecanismo de regeneración mediante un andamio de colágeno activo se ha dilucidado en gran medida. El andamio conserva su actividad regenerativa siempre que se haya preparado con los niveles adecuados 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 superficiales (las densidades de ligando para las integrinas α1β1 y α2β1 deben superar aproximadamente 200 μM de los ligandos α1β1 y α2β1). Se ha planteado la hipótesis de que la unión específica de un número suficiente de células contráctiles (miofibroblastos) a la superficie del andamio, que ocurre dentro de un período de tiempo estrecho, es necesaria para la inducción de la regeneración cutánea en presencia de este andamio. Los estudios con heridas cutáneas se han extendido a nervios periféricos seccionados, y la evidencia combinada respalda un mecanismo de regeneración común para la piel y los nervios periféricos que utilizan este andamio.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 a considerar en la creación de piel artificial: material, propiedades biofisicoquímicas y propiedades mecánicas.La selección del material es fundamental para el diseño de piel artificial. Debe ser biocompatible con el cuerpo y poseer las propiedades adecuadas para su correcto funcionamiento. La piel humana está compuesta de colágeno tipo I, elastina y glicosaminoglicano. La piel artificial de Integra está hecha de un copolímero compuesto de colágeno y glicosaminoglicano. 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 degradación por la enzima colagenasa. Para aumentar la dureza y resistencia del material, 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 de fractura mayores que las de colágeno solo, lo que las convierte en un material ideal. Normalmente se aplica una capa exterior de silicona a la matriz como capa protectora. Otro material que puede utilizarse en piel sintética es la elastina. La elastina tiene un efecto similar al GAG, ya que reduce la resistencia a la tracción y el módulo de compresión del material, a la vez que aumenta su tenacidad.El material no solo debe ser biocompatible y propicio para la proliferación, sino que también debe 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 numerosas agresiones químicas y mecánicas. Por lo tanto, 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 resistente como para resistir las suturas de la cirugía. La rigidez se puede controlar de varias maneras. Como se mencionó anteriormente, la reticulación se realiza mediante métodos químicos o biofísicos. Los métodos químicos producen materiales más resistentes, pero los métodos biofísicos son más propicios para la proliferación celular. Además, se ha observado que la piel es viscoelástica y sufre histéresis: tiene un factor de relajación de la tensión dependiente del tiempo y sigue una ruta independiente durante la descarga.Otro factor importante a considerar es la humectabilidad del material. Esta es la capacidad de un líquido para mantener el contacto con una superficie sólida. Si la membrana de matriz CG no humedece adecuadamente el sustrato del lecho de la herida, pueden formarse bolsas de aire que provoquen una infección. 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 formen bolsas de aire. Esto puede mitigarse añadiendo una unión adhesiva, como una escara o costra, entre ambas superficies. Aunque las propiedades mecánicas de la piel sintética no necesitan ser exactamente iguales a las de la piel humana, las principales que sí deben ser similares incluyen el módulo de elasticidad, la resistencia al desgarro y la energía de fractura.En última instancia, el objetivo de la piel sintética es cerrar la herida y regenerar 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 para que haya espacio para la piel recién desarrollada. Por lo tanto, la biocompatibilidad y la degradabilidad también se consideran en el diseño.La investigación sobre piel artificial se realiza continuamente. Se están probando tecnologías más nuevas, como la piel autóloga en aerosol producida por Avita Medical, para acelerar la cicatrización y minimizar las cicatrices.El Instituto Fraunhofer de Ingeniería Interfacial y Biotecnología trabaja en un proceso totalmente automatizado para la producción de piel artificial. Su objetivo es una piel simple de dos capas sin vasos sanguíneos que pueda utilizarse para estudiar cómo la piel interactúa con productos de consumo, como cremas y medicamentos. Esperan, con el tiempo, producir piel más compleja que pueda utilizarse en trasplantes.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 con seda de araña. Sin embargo, antes de esto, se cultivaba piel artificial con materiales como el colágeno. Estos materiales no parecían lo suficientemente resistentes. En su lugar, Wendt y su equipo recurrieron a la seda de araña, conocida por ser cinco veces más resistente 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 cosechaba y luego se tejía en un marco rectangular de acero. El marco de acero tenía un grosor de 0,7 mm y el tejido resultante era fácil de manipular y esterilizar. Se añadieron células de piel humana a la malla de seda y se observó que prosperaban en un entorno que proporcionaba nutrientes, calor y aire. Sin embargo, actualmente, el uso de seda de araña para cultivar piel artificial en grandes cantidades no es práctico debido al tedioso proceso de recolección.Investigadores australianos buscan actualmente una forma innovadora de producir piel artificial. Esto permitiría producirla con mayor rapidez y eficiencia. La piel producida tendría tan solo 1 milímetro de grosor y se utilizaría exclusivamente para reconstruir la epidermis. También podrían fabricarla con 1,5 milímetros de grosor, lo que permitiría que la dermis se autoreparara si fuera necesario. Esto requeriría médula ósea de una donación o del propio paciente. La médula ósea se utilizaría como "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 piel animal. El profesor Maitz afirmó: «En Australia, una persona con una quemadura de hasta el 80 % de su 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... Nos comprometemos a garantizar que el dolor de la supervivencia valga la pena, desarrollando un equivalente de piel viva».Se ha creado otra forma de "piel artificial" a partir de materiales semiconductores flexibles que pueden percibir el tacto para personas con prótesis. Se prevé que esta piel artificial complemente la robótica para realizar tareas rudimentarias que se considerarían delicadas y requerirían un tacto sensible. Los científicos descubrieron que, al aplicar una capa de caucho con dos electrodos paralelos que almacenaban cargas eléctricas dentro de la piel artificial, se podían detectar pequeñas cantidades de presión. Al ejercer presión, la carga eléctrica del caucho cambia y los electrodos detectan dicho cambio.Sin embargo, la película es tan pequeña que, al aplicar presión sobre la piel, las moléculas no tienen adónde moverse y se enredan. Además, no recuperan su forma original al retirar la presión. Un avance reciente en la técnica de la piel sintética consiste en dotar a la fina capa de silicio de propiedades de cambio de color mediante crestas artificiales que reflejan una longitud de onda de luz muy específica. Ajustando los espacios entre estas crestas, se puede controlar el color que refleja la piel. Esta tecnología se puede utilizar en camuflajes que cambian de color y en sensores que detectan defectos imperceptibles en edificios, puentes y aeronaves.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 con el mismo funcionamiento que la piel real.