ביולוגיים הם מכשירים מיוחדים המספקים סביבה מבוקרת ודינמית לטיפוח רקמות ביולוגיות, כולל עור. בתחום הרפואה רגנרטיבית, הם משמשים פלטפורמות חיוניות עבור הנדסת רקמות עור ויישומים ריפוי הפצעים. על ידי חיקוי מצבים פיזיולוגיים - כגון טמפרטורה, pH, מתח חמצן, אספקת חומרים מזינים, ורמזים מכניים - פונקציות מאפשרות את הצמיחה של תחליף עור פונקציונלי שניתן להשתמש בו כדי לטפל, כוויות כרוניות, כמו גם תכונות מורכבות, קריפטומטריות, תכונות ביולוגיות, קריפטומטריות, וסרטן, כדי לשלב באופן הדוק יותר.

חשיבותם של ביולוגיים בהתחדשות העור

עור, האיבר הגדול ביותר של הגוף האנושי, משמש מחסום מגן נגד פתוגנים, אובדן נוזלים וטראומה מכנית.כאשר ניזוקו קשות - עקב כוויות, טראומה, או תנאים כרוניים - היכולת של הגוף לחדש רקמות פונקציונליות פונקציונליות מוגבלת לעתים קרובות. הנדסת רקמות העור שואפת ליצור תחליף חי שיכול לשחזר את תפקודם ואת המראה האסתטי.

שיקולים חשובים לעור ביולוגי

תכנון ביולוגי עבור חידוש רקמת העור כרוך איזון מגבלות הנדסיות מרובות עם דרישות ביולוגיות.הגורמים הבאים הם מכריעים לפיתוח רקמות מוצלח:

חמצן ואספקה תזונתית

תאים דורשים אספקה רציפה של חמצן וחומרים מזינים כדי לשמור על חילוף החומרים ותמיכה צמיחה. בתרבות סטטית, מגבלות דיפוזיה של חדירה תזונתית ל- 100-200 מיקרומטר, אשר אינו מספיק עבור רקמות עבות. bioreactors חייב לשלב מערכות פיוזיום - או באמצעות רמות קידוד סגורות או באמצעות זרימת מדיה ישירה - כדי להבטיח חמצן והפצת חומרים מזינים בכל המבנה החמצן חייב להיות מוסדר בקפידה כי הן יכולות להיות משולבות (אוקסיביות) באופן חיובי (כלומר, באופן דומה, באופן אוטומטי) באופן דומה, כלומר, כלומר, באופן אוטומטי, כלומר, כלומר, כמו גם אורגניזמים דלקתיים) באופן אוטומטי, כגון מתחמי) וגרם באופן אוטומטי, באופן אוטומטי, כמו גם על מנת לשמור על מנת למנוע גירוי חום (חמצן) באופן אוטומטי) באופן דומה, באופן דומה, באופן אוטומטי, באופן אוטומטי, לחץ דם (חמצן) וזרימי) באופן אוטומטי, באופן דומה, באופן דומה, באופן אוטומטי, באופן אוטומטי, באופן אוטומטי, באופן אוטומטי, באופן אוטומטי, לחץ דם וזרימה (חמצן) סגסוגת חמצן וזרימה) באופן דומה).

⁇ מכנית

עור Native נתון לכוחות מכניים שונים, כולל מתח, דחיסה, ו- Shear. בעור מונדס, החלת רמזים מכניים מתאימים יכול לשפר את יישור התא, ארגון ממטריקס חוץ סלולרי, וכוח רקמות שני סוגים עיקריים של גירוי מכני משמשים:

  • (FLT:0) Cyclic למתוח: FLT:1 סימולציה של מתיחה טבעית של העור במהלך תנועה. למתוח ביולוגיים ליישם זנים uniaxial או biaxial (בדרך כלל 5-20% elongation) כדי לפסלים נגועים תאים, קידום היערכות fibroblastal ו קולגן deposition.
  • (FLT:0) מתח Shear:FLT:1 נגרמה על ידי זרימה נוזלי במערכות היתוך.מדת עשב (0.1-1 dyne / ס"מ2) יכול לשפר את ארגון תא ההמולה עבור prevascularization, אבל עודף Shear יכול להזיק תאים שבריריים.

טמפרטורה ו- pH Control

הטמפרטורה הפיזיולוגית (3 ° C) ו- pH (7.2–7.4) יש לשמור על פעילות תא אופטימלית.ביולוגיים משלבים בדרך כלל פלטפורמות מחוממות, תאים מטופחים במים, או שילוב incubator. pH מוסדר על ידי מערכת ה-Bamminate-CO2 buffering או באמצעות מדיה עם HEPES bu. חיישנים יכול לספק משוב בזמן אמת עבור התאמות אוטומטיות, בנוסף כמה יכולות קירור מתקדמות עבור מינרלים או קירור.

שליטה על יציבות וזיהום

עיצוב אספטי אינו ניתן להשגה בהנדסה רקמות קלינית. Bioreactors חייב להיות בנוי מחומרים שיכולים לעמוד סטריליזציה חוזרת (למשל, autoclaving, gamma irradiation, ethylene oxide oxide oxide) חד-שימוש, תאי ביו-סיבית חד-פעמיים יותר מועדפים כדי לחסל סיכונים חודרים, hydrophobicsic, ו-Strasicsicsics-res (בחודשים) ב-דלקתיים קצרים, אשר יכולים לספק חיישנים לטווח ארוך יותר ויותר).

אינטגרציה Scaffold

תאים צריכים תבנית כדי לארגן לרקמות תלת-ממדיות.ביולוגיים נועדו לעתים קרובות להחזיק פיגומים עשויים פולימרים טבעיים (collagen, fibrin, חומצה היאלורונית) או פולימרים סינתטיים (PLA, PGA, PCL) Scaffold תכונות באופן פעיל, טמפרטורה, נוקשות - אינם מתאימים למשטר ההיתוך הביולוגי והגירוי של ה-Fread, אלא תאים מכניים של בידוד, אך ורק אם כן, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, הם רק תאים מכניים, כלומר, כלומר, הם רק תאים מכניים, כלומר, הם רק אטמוספירה, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, הם רק סגסוגת של אטמוספירה של אטמוספירה של אטמוספירה, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, הם רק אטמוספירה של אטמוספירה של סגסוגת של אטמוספירה של אטמוספירה של אטמוספירה, כלומר, כלומר, כלומר, סגסוגת ביולוגית, כלומר, כלומר, אם כן, אם כן, הם לא רק ⁇ .

סוגים של bioreactors עבור Skin Tissue Engineering

כמה תצורה ביולוגית פותחה, כל אחד עם יתרונות נפרדים עבור יישומים ספציפיים בהתחדשות העור.

רוטט וול ביופרקטורס

במקור פותח על ידי נאס"א למחקרים מיקרו-גרפיים, רוטטקטורים קיר (RWBs) יוצרים סביבה דלת-שברית, דינמי על ידי הפעלת כלי תרבות צילינדרים במהירות אשר מאזן כבידה וכוח צנטריפוגה.תאים לעתים קרובות מושתלים על הסביבה מיקרוקאריירים או חלקיקים פיגומים ונשארים מושעה בתנועה עדינה.

המונחים: bioreactors

ביולוגי פרווזיה משתמשים במשאבה כדי להפיץ מדיום תרבות באופן רציף באמצעות מבנה הפיגום או תא-התאים-הזרום הישיר הזה מספק העברה מסה יעילה, המאפשרת רקמות מעבר למגבלת הפיזור.הם יכולים להיות מוגדרים כסוליום ישר (זרימה דרך הבניין) או היתוך עקיף (זרימתקפה ראשונית סביב הבניין) עבור העור, ביולוגיה הם שימושיים במיוחד עבור פיתוח מקבילה, שבו הם זקוקים מחסנים מתכתביקים ריקים.

המונחים: bioreactors

ביולוגי מתיחה ליישם את המתח מכני מחזורי על מבנים מאוישים תאים.הם נועדו לשפר את התכונות מכניות של העור המונדס על ידי חיקוי המתח הטבוע ברקמות הילידים, בדרך כלל, membra גמישה הנזרע עם fibroblasts או a scaffold עם clamps קצה נוזל כבר נתון כדי לשחזר מחזורי עור מתוחים (למשל, 1 הרץ, 10-20% זה מקדם סגסוגת, 000).

Air-Liquid Interface Bioreactors

עבור הבחנה אפידרמאלית והקמה של אפיתליום מגובש, ממשק אוויר-liquid (ALI) תרבות הוא חיוני.ב-ביולוגיים ALI, המבנה ממוקם על קרום COmeable, כך שהשלב התחתון הוא במגע עם תרבות (הזנת התאים הבסטליים) בעוד הצד העליון הוא חשופים לאוויר.

מיקרו-השפעה ביולוגית Bioreactors

ביולוגיים של מיקרו-השפעה, הידועים גם כמכשירים "Skin-on-a-chip", משתמשים במיקרו-ערוצים כדי לשלוט בזרימה נוזלית וליצור ⁇ של חומרים מזינים, חמצן וגורמים צמיחה.מערכות אלה מצוינות ללימוד אינטראקציות תאי תאים, מנגנוני ריפוי הפצע ובדיקת תרופות בקנה מידה קטן.

מערכות בקרה ובקרה

כדי להבטיח ייצור רקמות עקבי ואיכותי, ביולוגיים מודרניים משלבים חיישנים ולוויות בקרה משוב. פרמטרים מרכזיים מעקב כוללים:

  • (FLT:0)Dold חמצן (DO): חיישנים אופטיים או אלקטרוכימיים מספקים קריאה בזמן אמת, בקרת הזנת יכול להתאים את שערי חליפין הגז כדי לשמור על נקודות סט, בדרך כלל בין 5% ל-20% של ריצוף אוויר בהתאם לעומק הרקמות.
  • (FLT:0)pH:BuildFLT:1 גלאס או transistor חסר רגישות שדה (ISFET) חיישנים למדוד שינויים pH. תוספת אוטומטית של CO2 (עבור buffer דו-קרב) או בסיס (עבור HEPES) שומרת על pH בטווח צר.
  • (FLT:0) Temperature:FLT:1 , Platinum RTDs או thermocouples עם בקרים PID להבטיח טמפרטורה יציבה בתוך 0.1 מעלות צלזיוס.
  • (FLT:0)Glucose and lactate: ההרחבה 1 (Inline biosensors) או sampling תקופתי מאפשר מדידה של פעילות מטבולית.
  • (FLT:0) Pressure ו- Flow rate:FLT:1 עבור מערכות ההיתוך, חיישני הלחץ לזהות clogging או היווצרות ערוץ, בעוד חיישנים זרימה להבטיח משלוח תקשורת עקבי.

פלטפורמות ביולוגי מתקדמות משתמשות בקרים לוגיים הניתנים לתוכנה (PLCs) או תוכנה ייעודית לשינויים בתקשורת, דפוסי גירוי מכניים, וקביעת נתונים.אוטומציה זו מפחיתה את העבודה, מצמצם את השגיאה האנושית ומאפשרת ייצור הדדי של גרגרי עור מהונדסים.שילוב של אלגוריתמים של מכונות לשליטה חיזוי היא אזור מתפתח שיכול לייעל תנאים נוספים בזמן אמת.

תרגום קליני ואתגרי Scale-Up

תרגומים של הנדסת עור מבוססת bioreactor הנדסה מהמעבדה לקליניקה דורשים overcoming מכשולים משמעותיים. הראשון, הייצור חייב לציית לפרקטיקה ייצור טובה (GMP) כדי להבטיח בטיחות המוצר ועקביות. זה כרוך בשימוש בחומרים שאושרו קלינית, אימות פרוטוקולים סטריליזציה 4 בהצלחה, ובקרת איכות יסודית של הרקמה הסופית.

(ב) לקבלת מידע מפורט יותר על היבטים רגולטוריים, ניתן למצוא את ההנחיות של ה- FDA על תחליף לעור: 1 מספק משאב מעולה.בנוסף, סקירה מקיפה של עיצובי ביולוגי ניתן למצוא:2 במאמר זה מ-FLT 3MaterialsFLT:4FLT:5 .

כיוונים עתידיים וטכנולוגיות מתפתחות

הדור הבא של ביולוגיים להתחדשות העור נועד לשפר את המורכבות והפונקציונליות של רקמות.שלוש כיוונים מבטיחים הם:

3D Bioprintingאינטגרציה

Bioprinting מאפשר מיקום מדויק של תאים, גורמי צמיחה, ו biomaterials בשלושה ממדים.כאשר בשילוב עם ביולוגי, מבנים מודפסים ניתן להתבגר בתנאים מבוקרים.לדוגמה, פיגום עור דו-שכבת יכול להיות מודפס עם שכבת עור פיגמית של fibroblasts ב קולגן ושכבה גיאודרמית ספציפית של ktinocytes, ולאחר מכן להציב ב ALI perfusionreas מאפשר גישה מכנית תאים מכניים.

מיקרודיקליקה ו-Orcor-on-a-Chip

ביולוגי מיקרו-השפעה (skin-on-a-chip) מתפתחים לכלול סוגים מרובים של רקמות, כגון vasculature, עצבים ותאים חיסוניים.מערכות אלה יכולות מודל תהליכי ריפוי הפצע, כולל דלקת, אנגוגנזה, ו re-epitialization.הם גם מאפשרים בדיקות סמים באמצעות חישוב גבוה, צמצום הצורך עבור בדיקות בבעלי חיים.

תרופות ומערכת אוטולוגית

באמצעות תאים של המטופל לייצור גרפט עור מפחית אימונוגניות.ביולוגיים נועדו לייצור נקודה-של-טיפול - קטן, נייד, קל לשימוש מכשירים - יכול לאפשר לרופאים לייצר גרציות אוטולוגיות בתוך ימים.מערכות כאלה יחייבו בידוד תאים תקינים, התרחבות מהירה ורכבות אוטומטיות.

אזורים מתעוררים אחרים כוללים את שילוב של biosensors עבור הערכה איכות רקמות בזמן אמת, השימוש של מטבוליות מבוזרת מבוזרת מטבולית decellized כי ניתן להתאים מחדש ביולוגי, ואת הפיתוח של ביולוגיים היברידיים המשלבים את ההיתוך עם גירוי חשמלי כדי לקדם התחדשות עצבי.

(ב) ניתן למצוא את הסקירה הזו של הטכנולוגיה הביולוגית הנוכחית של הביו-לוגיה (FLT:0) בסקירה זו מ-FLT:1Trends in BiotechnologyFLT:2sFLT 3:2, ו-FLT:4 מאמר זה מ-FLT:5 Nature Reviews MaterialsFLT 603: 703FLT 7.

מסקנה

עיצוב ביולוגיים עבור התחדשות העור הוא מאמץ רב תחומי כי גשרים ביולוגיה תאים, חומרים מדע והנדסה מכנית. על ידי העתקה של הסביבה הדינמית של הגוף האנושי, מכשירים אלה מאפשרים ייצור של תחליף עור שיכול לסגור פצעים, לשחזר את הפונקציה, ולהפחית שיקולים קיטור מותאמים אישית -oxygenlfancy, גירוי מכני, סטריליות, ואינטגרציה ספוגה בזהירות את המגוון הביולוגי של סוגים של כלי נגינה גמישים, כמו גם קוסמטיקה רבת המשתנים אחרים של ציוד מכניים, כמו גם , כמו גם סגסוגת חזק יותר קוסמטיקה, כמו אלה יהיה מסוגל להיות מנפחים מורכבים יותר של טכניקות מורכבות יותר של טכניקות מורכבות יותר של טכניקות מורכבות יותר של טכניקות מורכבות יותר של עיצובית.