Исследование биомеханических свойств кожи повысит эффективность ее пересадки

Исследование для определения параметров биомеханических свойств кожи человека, которые будут использованы в том числе при ее трансплантации, провела команда российских ученых, 22 августа сообщает пресс-служба Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ).

В России ежегодно регистрируются более 800 тысяч случаев серьезных ожогов. Если при этом происходят глубокие повреждения кожи, одним из способов восстановления может стать трансплантация кожи. Иногда эту операцию используют при иных травмах и ранениях, удалении опухолей и в косметических целях.

Эффективность таких операций зависит в том числе от подбора подходящих материалов для замены тканей кожи, что, в свою очередь, требует детального изучения ее биомеханических характеристик.

За решение этой задачи взялась команда ученых, в которую, кроме специалистов ПНИПУ, вошли московские ученые из Российского университета медицины (РосУниМед) и НИИ нормальной физиологии им. П. К. Анохина, а также ученые Пермского государственного медицинского университета (ПГМУ) им. акад. Е. А. Вагнера.

Ученые провели экспериментальные исследования свойств кожи человека и существующих моделей для их описания. Полученные результаты будут востребованы при разработке более эффективных методов лечения кожи, в том числе трансплантации.

Кожа, являясь первой линией защиты нашего тела от вредных влияний внешней среды, кроме того, контролирует многие виды обмена между человеческим организмом и внешним миром. Поверхность кожи у взрослого человека имеет площадь до двух квадратных метров, а ее объем составляет около 1/7 части всего тела.

Проведя механические испытания образцов кожи на растяжение, ученые использовали полученные данные для сравнения их с данными различных существующих математических моделей, чтобы определить наиболее точные из них.

Заведующий кафедрой цифровой стоматологии РосУниМед, профессор, доктор медицинских наук Сергей Арутюнов рассказал о проведенных исследованиях:

«Мы использовали образцы кожи спины 7 пациентов — трех мужчин и четырех женщин, в возрасте 89±6 лет без сопутствующих прижизненных заболеваний. Эксперименты на растяжение проводились на универсальной машине для механических испытаний. Образцы зажимались с помощью специально разработанных противоскользящих захватов. Кожу вырезали из тела скальпелем. Каждый экземпляр имел эпидермис, а подлежащую жировую ткань удаляли. Толщина подготовленной кожи в среднем составляла 2,56 мм».

Рассказ профессора дополнил доцент кафедры «Вычислительная математика, механика и биомеханика» ПНИПУ, кандидат физико-математических наук Владислав Никитин, сообщив, что образцы нескольких типов испытывались относительно естественных линий на коже — так называемых линий Лангера. Они располагаются по направлению коллагеновых волокон в дерме.

«Наиболее „мягкими“ по параметрам, — отметил Владислав Никитин, — оказались образцы тканей, вырезанные из кожного покрова перпендикулярно линиям Лангера. Больший модуль упругости продемонстрировали образцы, расположенные косо к таким линиям. При тестировании оказалось, что кожа „жестче“ параллельно им по сравнению с поперечным направлением в 3,5 раза. Таким образом, упругие свойства тканей кожи спины человека, исследованные in vitro, неоднородны и анизотропны».

Исследователи провели сравнение существующих в настоящее время моделей, описывающих поведения кожи и устанавливающих различные параметры этого поведения. Были проанализированы два типа моделей: упругие и гиперупругие.

«В упругих моделях мы рассмотрели экспоненциальную, линейную и билинейную с двумя модулями, — сообщил профессор кафедры нормальной физиологии и медицинской физики РосУниМед, доктор биологических наук Сергей Муслов.

В результате ученые установили, что наименьшее отклонение от значений, которые они получили экспериментально, показала независимо от локализации образцов и их направленности экспоненциальная модель.

«Поскольку в организме человека большинство мягких тканей считаются гиперупругими, мы также исследовали модели этого класса. Для оценки механического поведения кожной ткани лучше всего подошли полиномиальная и модель Веронда-Вестманн», — уточнил Сергей Муслов.

Таким образом, ученые ПНИПУ, изучив совместно с коллегами свойства кожи человека, получили параметры для различных математических моделей и определили, какие из них лучше описывают поведение материала, согласно данным, полученным экспериментально.

«Полученные результаты станут ключом к разработке эффективных методов лечения поврежденных тканей организма при различных травмах и заболеваниях. А также будут использованы при создании новых типов и модификаций силиконовых материалов для изготовления протезов, отвечающих требованиям естественности и функциональности», — указала завкафедрой ортопедической стоматологии ПГМУ им. акад. Е. А. Вагнера, доктор медицинских наук Наталия Асташина.

Результаты исследования, выполненного в рамках научного проекта «Разработка бионического протеза уха на основе интеллектуальных и медицинских 3D-технологий», были опубликованы в «Российском журнале биомеханики» том 27, 2023 год в статье «Упругая линейная, билинейная, нелинейная экспоненциальная и гиперупругие модели кожи».