FDA 正式批准人造皮膚,「電子皮膚、智慧義肢」時代何時到來?

作者 | 發布日期 2021 年 06 月 22 日 8:30 | 分類 生物科技 , 醫療科技 Telegram share ! follow us in feedly


近日美國食品與藥品監督管理局(FDA)批准全新「人造皮膚」產品:StrataGraft,用於成人燒燙傷患者皮膚移植。

對於燒燙患者而言,常見治療方式是去除損壞皮膚,然後摘取健康皮膚移植。然而皮膚移植手術隨時可能有感染風險,且取得健康皮膚也造成新傷口。

燒傷患者的福音:人造皮膚

StrataGraftr人造皮膚產品由真皮成纖維細胞和角質形成細胞組成,兩種皮膚細胞共同生長,形成雙層結構,提供活細胞支援機體自身癒合能力。使用人造皮膚產品後,患者自身皮膚細胞會逐漸取代燒燙傷損壞的皮膚細胞。

據3期臨床試驗統計,71名燒傷面積達3%~37%的患者,經StrataGraft治療後,68人燒傷部位不需「拆東牆補西牆」皮膚移植,83%患者傷口閉合。不良反應方面,StrataGraft與常規的自體移植差異並不大,均會出現瘙癢、水泡、肥厚性疤痕和癒合受損症狀。

由於StrataGraft在產品開發早期階段使用動物細胞,因此有傳播傳染病或病原體風險。但臨床研究過程未出現患者排斥反應,也沒有患者因不良反應停止參與研究。

Mallinckrodt執行副總裁兼首席科學長Steven Romano接受採訪時談到:「幫助減少或消除自體移植需要的治療進步非常必要。」

截肢患者的福音:電子皮膚

移植皮膚隨著時間增長,血液循環及神經末梢會逐步建立,但如果表皮以下有較嚴重的神經壞死,即便是新皮膚,也可能會沒有觸覺。當我們無法透過醫學手段恢復觸覺,那能否透過在人造皮加一層超薄感測器,模擬真實觸感並傳回大腦?

更甚者,能否利用「人造電子皮膚」覆蓋截肢患者的義肢,讓義肢也有觸覺、壓力、溫度等感官?

2020年科學家鮑哲南在騰訊WE大會說:「我一生最美好的記憶,是當我把小孩抱在懷中,輕輕撫摸他柔軟的小手和小臉時。如果媽媽不能撫摸孩子,或做飯時被燙傷也沒感覺,你可以想像嗎?這就是裝義肢、沒有感覺的病人每天經歷的。」

讓電子皮膚變成現實,已成為鮑哲南等科學家一致的夢想。鮑哲南介紹,「電子皮膚」 需要解決三大重要問題:

  1. 電子材料必須像皮膚柔軟,可拉伸甚至自修復、生物降解。
  2. 能真正感覺不同物體。
  3. 電子皮膚訊號能被大腦辨識。

從材料角度講,需透過分子設計得到不同材料。分子由原子組成,當分子排列成不同序列時,便帶來不同性能,如擁有金屬性能,或有可拉伸性。但如果分子材料質地剛硬,當人在運動時,會感到束縛,或發生化學鍵斷裂,導致電子器件無法工作。

鮑哲南團隊提出用可自行修復化學鍵的新型材料,即使化學鍵斷裂,也會自行重新修復,具備可拉伸性和自修復性,甚至生物降解。材料問題解決後,第二步需將這些材料做成靈敏的感測器,辨識壓力、形狀和溫度。既需要有靈敏度,也要分辨外界訊號。

「早期團隊開發可測壓力的金字塔型感測器。當感測器塔尖受壓時,塔尖變形使訊號改變;壓力增加時,塔底變形使訊號改變加大,這樣就可測出不同壓力。」

除了分辨壓力,電子皮膚還要能辨別形狀。壓力感測器加一層可變形的薄膜,就能檢測變形,分辨是草莓還是蘋果。鮑哲南團隊還開發溫度感測器,當溫度升高,材料會膨脹使金屬顆粒分開,讓導電力發生變化。

最後一步是讓「電子皮膚」訊號被大腦辨識。

「人類大腦接受皮膚來的訊號,是電脈衝訊號,所以人造皮膚也必須能把感測器訊號變成脈衝訊號。」有訊號後還需與神經相連,透過神經傳到大腦。「所以人造皮膚必須非常柔軟,必須不傷到神經或大腦。」

研究已取得實質性進展。鮑哲南團隊把材料植入小鼠身體,小鼠仍可正常生活,證明「人造皮膚」確實和生物體相容。雖然要真正用到人身上還需要一段時間,但證實「人造皮膚」理念可行。鮑哲南說:「我們現在已有一系列材料和電子元件,證實人造皮膚可行。」

「電子皮膚」下一站:智慧義肢

電子皮膚本質上是重建人的觸覺。那殘障人士能否安裝「智慧義手、義腿」,讓義肢除了擁有觸覺,還能做抓取等動作?

目前可部分實現的是,透過機械手安裝AI攝影鏡頭等設備,人發出指令後(如智慧音箱語音指令),智慧義肢的攝影鏡頭會透過辨識目標對象,然後進行簡單的指定性操作。但這方式並不自然,更像人操作工具,而不是讓工具成為人的一部分,用大腦意念便可控制和感受,與真手一樣。

要走到這步,涉及極複雜的雙向腦機接口技術。假設大腦要讓機械手做「開門」非常簡單的動作,可分解為用手抓住門把手,然後旋轉。首先需要腦機接口,接收大腦「開門」訊號,並變成無線電訊號,傳到機械手。機械手也要將握著門把手的壓力訊號,以及旋轉時把手鬆緊、肌肉控制的感覺,傳回到大腦。

不僅要把機械手接受的訓號傳給大腦,同時要採集大腦的「指揮」訊號控制目標物體。實現大腦與「機械手+物體」雙向通訊。

這要讓大腦訊號和回饋匹配精確。機械手握門把的力度與大腦感覺、真手一致,否則可能只是人腦感覺已經把門抓得很緊了,但一轉動機械手就鬆開了。

以更難控制力度的「抓雞蛋」為例。原理大致為手指感測器測量到壓力後,傳到大腦感知皮層電極,大腦處理好後,再透過運動皮層電極傳回,以此控制手部肌肉抓雞蛋。一開始感測器力度和手真正抓的力度若不一致,雞蛋可能抓不緊或捏碎,接下來需利用AI提升感測器的準確度和精度。

目前來說,用雙向腦機接口的形式,讓義肢和真肢一樣可感可控還為時尚早。但透過指令,以操控工具形式去控制義肢的時代,即將到來。

(本文由 雷鋒網 授權轉載:首圖來源:shutterstock)

延伸閱讀: