冲击市场的“美容技术”丨“第二层肌肤”－可穿戴式高分子聚合物：皮肤替代物

皮肤的主要作用是给人体的内部生理环境提供保护屏障，避免暴露在恶劣环境下（尤其是辐射，微生物，高温，毒素以及机械损伤）。同时，皮肤的美学意义也是毋庸置疑的：它决定了一个人的第一印象，在心理层面上影响自信心。在这个颜值当道、“鲜肉”横行的时代，皮肤衰老无疑是太多人抗争的对象，即使这是生物进化和基因表达所决定的不争事实。年轻的皮肤比衰老的要厚实，皮肤表层能够散射光线而呈现如凝脂般的光泽。它们的区别同样存在于皮肤的真皮层。真皮层存在着大量的胶原和弹性蛋白，这些胶原和弹性蛋白赋予了肌肤弹性和紧致感。然而度过青春期的我们以1.5%的速度失去皮肤中的胶原蛋白，紫外线伤害和吸烟也会加速这一过程。

图1 胡歌欧巴的剧照 (from baidu 图片，PS: 即使用箭头标出他的疤痕，但作者非常欣赏他劫后余生的飞跃)

所谓道高一尺，魔高一丈。一方面我们用想像去篡改这个不太愉快的自然过程：穿越剧中女主重返二八年华，重获吹弹可破、胶原蛋白爆棚的肌肤；《琅琊榜》中意淫胡歌欧巴，遭受火寒之毒后搓骨磨皮，用另一付皮囊示人 （图1）。另一方面，在这些美好愿望的驱使下，延缓以及消除皮肤衰老成为炙手可热却充满挑战的研究课题。

图2 注射玻尿酸填充物

玻尿酸 (hyaluronic acid)可谓是高频词汇，频繁出现在各大娱乐版面。当大众看到一张张满屏胶原蛋白却皮笑肉不笑的蛇精脸时，玻尿酸便无一例外地成为了始作俑者。玻尿酸并不神秘，它是一种负电荷的非硫化的粘多糖，广泛地存在于软骨等结缔组织中。正因为带负电荷，它能够吸水并在吸水失水的过程中赋予结缔组织弹性。皮肤表层的玻尿酸调节得不仅是角质细胞的增殖，同时损伤皮肤的再上皮化。基于这些功能，玻尿酸被当作填充物，用传统注射器穿过神经和血管注射到皮下 （图2）。但注射玻尿酸会导致疼痛，红肿以及身体的肉芽肿异物反应。目前，医用的玻尿酸主要通过基因改组的枯草芽孢杆菌合成，但它使用寿命相对来讲比较短，所以制造工艺通过引用蛋白链提高它的稳定性 (Foschi et al., 1989; Smith and Ghosh, 1987)。这些玻尿酸的化学特质间接决定了整容的高昂费用，同时为了解决这种填充物的副作用，近期的研究主要集中在开发新的注射设备，优化注射方法和制造包含其它调控因子的玻尿酸填充物(Mermin et al., 2016)。

图3 “第二层肌肤”是透明的 （左图）。和右眼比较，在用“第二层肌肤”后左眼的眼袋不见啦（右图）(Yu et al., 2016)

图4 将“第二层肌肤”应用在眼角下方区域时，具体的视觉效果对比图(Yu et al., 2016)

图5 “第二层肌肤”穿戴后的一些使用性能参数(Yu et al., 2016)

麻省理工教授Robert S. Langer 的研究团队和化妆品衍生公司Olivo创造性地开发出一种命名为“第二层肌肤”的透明的可穿戴式聚合物(Yu et al., 2016)。它能够媲美年轻的自然皮肤，拥有较好的弹性、光反射和散射性能。它的应用是相当简单方便的 （图3）。首先在你的眼袋或其它皮肤上涂一层类似面霜的硅树脂聚合物，然后再在上面抹上一层铂催化剂，铂催化剂促使分子间形成链接。这种第二层肌肤不仅能够舒适地存在于脸上超过24小时，而且可以自由呼吸、锁住水分、散射光线。除了拥有以上特殊性能，这种聚合物还可以根据年轻皮肤的拉伸性以及恢复性因人而异地去调整。早期的试验性结果表明在眼袋周围用上这种“第二层皮肤”后，眼周的皮肤变紧致并且皱纹也随之减少。然而，需要开展大量的临床试验来检验这种聚合物对人体是无危害的。

图6 在正常的机体条件下皮肤受损后引起的快速伤口修复过程，但是在微生物的感染过程中，该自动修复过程会受到干扰，从而会进一步引起伤口的慢性炎症(Clark et al., 2007)

图7 体内合成的无细胞生物材料（如生物高聚物，水凝胶）应用于组织器官的伤口修复(Clark et al., 2007)

图8 通过组织工程合成制备得到的类细胞、功能化、生物基高分子材料用于加快组织受损修复过程的示例(Clark et al., 2007)

造成皮肤丢失的还有烧伤和由糖尿病等引起的溃疡。在这些病例中，主要解决的难题是再生出无疤痕、不会产生瘢痕瘤和具有良好功能的皮肤。当前市场上存在着一些包含重组生长因子的绷带。它们可以促使伤口愈合，但却需要每天或者至少两天更换一次，造成应用的不方便。根据再生的皮肤必须同时满足力学性能和生物活性的要求，研究者们提出了体外或者体内制造基于组织工程的皮肤替代物(Clark et al., 2007)。体外合成的方法主要指通过组织培养或者细胞反应器来培养带有细胞的合成皮肤。组织培养非常具有挑战性，难以控制的培养环境会促使合成皮肤退化，如细胞死亡，合成皮肤的组成和结构也很难和自然皮肤相媲美。体内合成的无细胞生物材料（如生物高聚物，水凝胶）首先能够保护皮肤内的器官，当植入到人体后可以招募细胞合成新的皮肤并在这一过程中不断分解掉。这类产品的应用主要存在着异物反应、机械强度小和在原生与新生的皮肤间无法形成“无缝”连接的问题。

在感恩无数研究者们推动皮肤工程技术不断发展与完善的同时，我们也面临着怎样可以如大自然般制造无瑕疵并拥有适度弹性与韧性的合成皮肤的挑战。虽然这已经成为臭大街的论调，但作者还是想强调组织/皮肤工程的进步需要研究者们brainstorm拓宽实现途径并且加强各个领域（如生物、化学、医学、物理、工程）的合作。或许在未来的二三十年里，烧伤的病人术后不再有疤痕，胡歌欧巴因车祸而造成的眼皮疤痕也会消失不见，更令人激动的是，平凡如你我再也不用为皱纹爬满额头而伤脑筋，可以优雅而美丽的老去。

参考文献：

[1] Rushmer, R. F.et al. The skin. Science 
154, 343–348 (1966).

[2] 
Xu, S. et al. Soft microfluidic assemblies of sensors, circuits, and radios for the 
skin. Science 344, 70–74 (2014).

[3] Clark, R.A.et al. Tissue engineering for cutaneous wounds. Journal of Investigative Dermatology 127, 1018-1029(2007).

[4] Foschi, D. et al. Hyaluronic acid prevents oxygen free-radical damage to granulation tissue: a study in rats. International journal of tissue reactions 12, 333-339(1989).

[5] Mermin, D. et al. A case of hyaluronic acid injections triggering cutaneous sarcoidosis at previously treated sites. Journal of the European Academy of Dermatology and Venereology 1468-3083, (2016).

[6] Smith, M. et al. The synthesis of hyaluronic acid by human synovial fibroblasts is influenced by the nature of the hyaluronate in the extracellular environment. Rheumatology international 7, 113-122(1987).

[7] Yu, B. et al. An elastic second skin.Nature materials 15(8), 911-8(2016).

本文仅是一家之言，希望各位读者轻拍，欢迎探讨与补充。

本文由美国圣路易斯华盛顿大学生物工程系PhD. Fei Fang投稿，材料牛编辑整理。

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