Nye gelbelægninger kan føre til bedre katetre og kondomer

Katetre, intravenøse linjer, og andre typer kirurgiske slanger er en medicinsk nødvendighed for at håndtere en lang række sygdomme. Men en patients oplevelse med sådanne enheder er sjældent behagelig.

Nu har MIT-ingeniører designet et gelignende materiale, der kan overtrækkes på standard plast- eller gummienheder, giver en blødere, mere glat ydre, der kan lette en patients ubehag betydeligt. Belægningen kan endda skræddersyes til at overvåge og behandle tegn på infektion.

I et papir, der blev offentliggjort i dag i tidsskriftet Avancerede sundhedsmaterialer , holdet beskriver deres metode til stærkt at binde et lag hydrogel - en squishy, glat polymermateriale, der for det meste består af vand - til almindelige elastomerer såsom latex, gummi, og silikone. Resultaterne er "hydrogel -laminater", der på én gang er bløde, strækbart, og glat, og uigennemtrængelig for vira og andre små molekyler.

Hydrogelbelægningen kan indlejres i forbindelser til at fornemme, for eksempel, inflammatoriske molekyler. Lægemidler kan også inkorporeres i og langsomt frigives fra hydrogelcoatingen, til behandling af betændelse i kroppen.

Holdet, ledet af Xuanhe Zhao, Robert N. Noyce Career Development lektor i Institut for Maskinteknik på MIT, limede lag af hydrogel på forskellige elastomerbaserede medicinske anordninger, inklusive katetre og intravenøs slange. De fandt ud af, at belægningerne var ekstremt holdbare, modstå bøjning og vridning, uden at revne. Belægningerne var også ekstremt glatte, udviser meget mindre friktion end standard ubelagte katetre - en kvalitet, der kan reducere patienternes ubehag.

Gruppen har også coatet hydrogel på et andet udbredt elastomerprodukt:kondomer. Ud over at forbedre komforten ved eksisterende latexkondomer ved at reducere friktion, en belægning af hydrogel kan hjælpe med at forbedre deres sikkerhed, da hydrogelen kunne indlejres med lægemidler til at modvirke en latexallergi, siger forskerne.

"Vi har vist, at hydrogel virkelig har potentialet til at erstatte almindelige elastomerer, "Siger Zhao." Nu har vi en metode til at integrere geler med andre materialer. Vi tror, ​​at dette har potentiale til at blive anvendt på en bred vifte af medicinsk udstyr, der har forbindelse til kroppen. "

Zhaos medforfattere er hovedforfatter og kandidatstuderende tysk Parada, kandidatstuderende Hyunwoo Yuk og Xinyue Liu, og besøgende videnskabsmand Alex Hsieh.

En skræddersyet gel

Zhaos gruppe har tidligere udviklet opskrifter til at lave hårde, strækbare hydrogeler fra blandinger, der hovedsageligt består af vand og en smule polymer. De udviklede en teknik til at binde hydrogeler til elastomerer ved først at behandle overflader som gummi og silikone med benzophenon, en molekylær opløsning, der når de udsættes for ultraviolet lys, skaber stærke kemiske bindinger mellem elastomeren og hydrogelen.

Forskerne anvendte disse teknikker til at fremstille et hydrogellaminat:et lag af elastomer, der er klemt mellem to lag hydrogel. De satte derefter laminatstrukturen gennem et batteri af mekaniske test og fandt, at strukturen forblev stærkt bundet, uden at rive eller revne, selv når den strækkes til flere gange sin oprindelige længde.

Holdet placerede også laminatstrukturen i en to-kammer tank, fyldt på den ene side med deioniseret vand og den anden med molekylær farvestof. Efter flere timer, laminatet forhindrede ethvert farvestof i at migrere fra den ene side af kammeret til den anden, hvorimod et lag hydrogel alene lod farvestoffet komme igennem. Laminatets elastomerlag, de konkluderede, gjorde strukturen som helhed stærkt uigennemtrængelig - en funktion, som de mente, kunne også forhindre vira og andre små molekyler i at passere igennem.

I andre test, holdet blandede kemisk pH-sensende molekyler kemisk i laget af hydrogel, der forede den ene side af elastomerlaget, og grønt madfarvestof i det modsatte hydrogellag. De placerede igen hele strukturen i tanken med to kammer og fyldte begge sider med dioiniseret vand.

Da forskerne ændrede surhedsgraden af ​​tankens vand, de observerede, at de dele af hydrogelen, der indeholdt pH-indikatorer, lyste. I mellemtiden det grønne farvestof sivede langsomt fra det modsatte hydrogellag ind i den anden tank, efterligner virkningen af ​​lægemiddelmolekyler.

"Vi kan lægge pH-følende molekyler i hydrogeler, eller medicin, der gradvist frigives, " siger Parada. "Til forskellige anvendelser, vi kan ændre gelen for at imødekomme den applikation. "

Knyt knuder

Som et første indblik i mulige anvendelser for hydrogellaminater, forskerne brugte deres tidligere udviklede teknikker til at coate hydrogel på forskellige elastomer-enheder, herunder silikoneslange, et Foley kateter, og et kondom. "Vores første store fokus var katetre, fordi de er stive og ikke særlig behagelige, og infektion af katetre kan forårsage omkring 50 procent af genindlæggelser til hospitaler, " siger Parada. "Vi troede også, at vi kunne anvende dette på kondomer, fordi eksisterende latexkondomer forårsager mange følsomheder og allergier, og hvis du kan putte medicin i gelen, du kunne have bedre beskyttelse."

Selv efter skarp bøjning og foldning af den belagte slange til en knude, forskerne fandt ud af, at hydrogelbelægningen forblev stærkt bundet til slangen uden at forårsage tårer. Det samme gjaldt, da forskerne pustede både det coatede kateter og det coatede kondom op.

Parada siger, at dimensionerne af et hydrogelaminat kan indstilles til at rumme forskellige enheder. For eksempel, forskere kan vælge en tykkere elastomer for at øge laminatets stivhed, eller brug en tykkere belægning af hydrogel til at inkorporere flere lægemiddelmolekyler eller sensorer. Hydrogeler kan også designes til at være mere eller mindre glatte, afhængigt af den ønskede friktion.

"Vi har evnen til at fremstille store hydrogelstrukturer, der kan dække medicinsk udstyr, and the hydrogel won't agitate the body, " Zhao says. "This is a technological platform onto which you can imagine many applications."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.