По данным ВОЗ, ожоги занимают третье место по частоте среди прочих травм. В России ежегодно регистрируются более 800 тысяч таких случаев. При глубоких повреждениях один из способов восстановления — трансплантация кожи. Также такая операция применяется при травмах и ранениях, удалении опухолей и в косметических целях. Лечение, разработка и подбор подходящих материалов для замены тканей кожи требуют детального изучения ее биомеханических характеристик. Ученые Российского университета медицины, НИИ нормальной физиологии им. П.К. Анохина, Пермского Политеха и ПГМУ им. академика Е.А. Вагнера провели исследование свойств кожи человека и существующих моделей для их описания. Это позволит разработать более эффективные методы лечения и трансплантации.
Исследования опубликованы в «Российском журнале биомеханики» том 27, 2023 год. Исследование выполнено при финансовой поддержке Правительства Пермского края в рамках научного проекта «Разработка бионического протеза уха на основе интеллектуальных и медицинских 3D-технологий» и реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030».
Кожа — первая линия защиты нашего тела от внешней среды. Она контролирует многие виды обмена между нашим внутренним и внешним миром. Общая поверхность кожи у взрослого человека составляет до двух квадратных метров, а объем — примерно 1/7 часть от всего тела.
Ученые Российского университета медицины, НИИ им. П.К. Анохина, Пермского Политеха и ПГМУ им. академика Е.А. Вагнера провели исследование по определению параметров биомеханических свойств кожи человека. Для этого использовали данные механических испытаний образцов на растяжение, а затем сравнивали полученные результаты с различными математическими моделями, чтобы выявить наиболее точную из них.
— 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, — поделился доктор медицинских наук, заведующий кафедрой цифровой стоматологии Российского университета медицины, профессор Сергей Арутюнов.
— Испытывали образцы нескольких типов относительно линий Лангера. Это естественные линии на коже, которые отражают направление ориентации коллагеновых волокон в дерме. Наиболее «мягкими» по параметрам 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, — дополнил кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Вычислительная математика, механика и биомеханика» Пермского Политеха Владислав Никитин.
Важным этапом исследования было сравнение существующих моделей для описания поведения кожи и установление различных параметров, которые входят в них. Ученые проанализировали два типа моделей: упругие и гиперупругие.
— В упругих моделях мы рассмотрели экспоненциальную, линейную и билинейную с двумя модулями. Наименьшее отклонение от экспериментальных значений имеет экспоненциальная независимо от локализации образцов и их направленности. 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, — рассказал доктор биологических наук, профессор кафедры нормальной физиологии и медицинской физики Российского университета медицины Сергей Муслов.
Ученые Пермского Политеха совместно с коллегами изучили свойства кожи человека, получили параметры для различных математических моделей и установили, какие из них лучше описывают поведение материала.
— 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, — поделилась Наталия Асташина, доктор медицинских наук, заведующая кафедрой ортопедической стоматологии ПГМУ им. академика Е.А. Вагнера.