Многие операции сегодня выполняются с помощью малоинвазивных процедур, при которых делается небольшой разрез и через тело продеваются миниатюрные камеры и хирургические инструменты для удаления опухолей и восстановления поврежденных тканей и органов. Этот процесс приводит к меньшей боли и более короткому времени восстановления по сравнению с открытой хирургией.

Хотя многие процедуры могут быть выполнены таким образом, хирурги могут столкнуться с проблемами на важном этапе процесса: запечатывание внутренних ран и разрывов.

Вдохновившись оригами, инженеры Массачусетского технологического института разработали медицинский пластырь, который можно сложить вокруг минимально инвазивных хирургических инструментов и доставить через дыхательные пути, кишечник и другие узкие пространства, чтобы залатать внутренние повреждения. Пластырь при высыхании напоминает складную бумажную пленку. Как только он соприкасается с влажными тканями или органами, он превращается в эластичный гель, похожий на контактную линзу, и может прилипнуть к поврежденному месту.

В отличие от существующих хирургических клеев, новая лента команды предназначена для защиты от загрязнения при воздействии бактерий и жидкостей организма. Со временем пластырь может безопасно разлагаться. Команда опубликовала свои результаты в журнале Advanced Materials.

Исследователи работают с клиницистами и хирургами над оптимизацией конструкции для хирургического использования, и они предполагают, что новый биоадгезив может быть доставлен с помощью минимально инвазивных хирургических инструментов, управляемых хирургом непосредственно или дистанционно с помощью медицинского робота.

"Малоинвазивная хирургия и роботизированная хирургия получают все большее распространение, поскольку они уменьшают травматизм и ускоряют восстановление, связанное с открытой хирургией. Однако герметизация внутренних ран является сложной задачей в этих операциях", - говорит Сюаньхэ Чжао, профессор машиностроения и гражданского и экологического машиностроения в Массачусетском технологическом институте.

"Эта технология пластыря охватывает множество областей",-добавляет соавтор Кристоф Набздык, кардиолог-анестезиолог и врач интенсивной терапии в клинике Майо в Рочестере, штат Миннесота. "Это может быть использовано для восстановления перфорации после колоскопии или герметизации твердых органов или кровеносных сосудов после травмы или планового хирургического вмешательства. Вместо того, чтобы проводить полный открытый хирургический подход, можно было бы пойти изнутри, чтобы поставить пластырь, чтобы запечатать рану, по крайней мере временно, а может быть, даже и надолго."

Соавторами исследования являются ведущие авторы Сара Ву и Хен Ву Юк, а также Цзинцзин Ву из Массачусетского технологического института.

Многоуровневая защита

Биоадгезивы, используемые в настоящее время в малоинвазивных операциях, доступны в основном в виде биоразлагаемых жидкостей и клеев, которые могут быть нанесены на поврежденные ткани. Однако, когда эти клеи затвердевают, они могут затвердеть на более мягкой подстилающей поверхности, создавая несовершенное уплотнение. Кровь и другие биологические жидкости также могут загрязнять клеи, препятствуя успешному прилипанию к поврежденному участку. Клеи также могут смываться до того, как травма полностью заживет, и после нанесения они также могут вызвать воспаление и образование рубцовой ткани.

Учитывая ограниченность существующих конструкций, команда стремилась разработать альтернативу, которая отвечала бы трем функциональным требованиям. Он должен быть способен прилипать к влажной поверхности поврежденного участка, избегать связывания с чем-либо до достижения места назначения и после нанесения на поврежденный участок противостоять бактериальному загрязнению и чрезмерному воспалению.

Дизайн команды отвечает всем трем требованиям, в виде трехслойного патча. Средний слой-это основной биоадгезив, изготовленный из гидрогелевого материала, в который встроены соединения, называемые эфирами NHS. При контакте с влажной поверхностью клей впитывает любую окружающую воду и становится податливым и эластичным, формуя контуры ткани. Одновременно сложные эфиры в адгезиве образуют прочные ковалентные связи с соединениями на поверхности ткани, создавая плотное уплотнение между двумя материалами. Дизайн этого среднего слоя основан на предыдущей работе в группе Чжао.

Затем команда наложила клей двумя слоями, каждый из которых обладал различным защитным эффектом. Нижний слой изготовлен из материала, покрытого силиконовым маслом, которое временно смазывает клей, предотвращая его прилипание к другим поверхностям при прохождении через тело. Когда клей достигает места назначения и слегка прижимается к поврежденной ткани, силиконовое масло выдавливается, позволяя клею связываться с тканью.

Верхний слой клея состоит из эластомерной пленки, в которую встроены цвиттерионные полимеры, или молекулярные цепи, состоящие как из положительных, так и из отрицательных ионов, которые притягивают любые окружающие молекулы воды к поверхности эластомера. Таким образом, наружный слой клея образует водную оболочку или барьер против бактерий и других загрязнений.

"В малоинвазивной хирургии вы не можете позволить себе роскошь легко получить доступ к месту нанесения клея", - говорит Юк. "Вы действительно боретесь со множеством случайных загрязнений и жидкостей тела на пути к месту назначения."

Подходит для роботов

В серии демонстраций исследователи показали, что новый биоадгезив прочно прилипает к образцам тканей животных даже после длительного погружения в мензурки с жидкостью, включая кровь.

Они также использовали методы, вдохновленные оригами, чтобы сложить клей вокруг инструментов, обычно используемых в малоинвазивных операциях, таких как баллонный катетер и хирургический степлер. Они продевали эти инструменты через животные модели основных дыхательных путей и сосудов, включая трахею, пищевод, аорту и кишечник. Надув баллонный катетер или приложив легкое давление к степлеру, они смогли наклеить пластырь на разорванные ткани и органы и не обнаружили никаких признаков загрязнения на месте заплаты или рядом с ним до одного месяца после ее применения.

Исследователи предполагают, что новый биоадгезив может быть изготовлен в предварительно сложенных конфигурациях, которые хирурги могут легко разместить вокруг минимально инвазивных инструментов, а также на инструментах, которые в настоящее время используются в роботизированной хирургии. Они стремятся сотрудничать с дизайнерами, чтобы интегрировать биоадгезив в роботизированные хирургические платформы.

"Мы считаем, что концептуальная новизна в форме и функциях этого пластыря представляет собой захватывающий шаг к преодолению трансляционных барьеров в роботизированной хирургии и облегчению более широкого клинического внедрения биоадгезивных материалов", - говорит Ву.

ИСТОЧНИК