Et origami-inspireret medicinsk plaster til forsegling af indre skader

Mange operationer udføres i dag via minimalt invasive procedurer, hvor der laves et lille snit, og miniaturekameraer og kirurgiske værktøjer føres gennem kroppen for at fjerne tumorer og reparere beskadigede væv og organer. Processen resulterer i færre smerter og kortere restitutionstider sammenlignet med åben operation.

Mens mange procedurer kan udføres på denne måde, kirurger kan stå over for udfordringer på et vigtigt trin i processen:forsegling af indre sår og rifter.

Med inspiration fra origami, MIT-ingeniører har nu designet et medicinsk plaster, der kan foldes rundt om minimalt invasive kirurgiske værktøjer og leveres gennem luftvejene, tarme, og andre smalle rum, at lappe indre skader. Plastret ligner en foldbar, papirlignende film, når den er tør. Når det kommer i kontakt med vådt væv eller organer, det forvandles til en strækbar gel, ligner en kontaktlinse, og kan klæbe til et skadet sted.

I modsætning til eksisterende kirurgiske klæbemidler, holdets nye tape er designet til at modstå kontaminering, når det udsættes for bakterier og kropsvæsker. Over tid, plasteret kan sikkert bionedbrydes væk. Holdet har offentliggjort sine resultater i tidsskriftet Avancerede materialer .

Forskerne arbejder sammen med klinikere og kirurger for at optimere designet til kirurgisk brug, og de forestiller sig, at det nye bioadhæsiv kan leveres via minimalt invasive kirurgiske værktøjer, betjenes af en kirurg enten direkte eller eksternt via en medicinsk robot.

"Minimalt invasiv kirurgi og robotkirurgi bliver i stigende grad vedtaget, da de mindsker traumer og fremskynder bedring i forbindelse med åben operation. Imidlertid, forseglingen af ​​indre sår er udfordrende i disse operationer, " siger Xuanhe Zhao, professor i maskinteknik og i civil- og miljøteknik ved MIT.

"Denne patch-teknologi spænder over mange områder, " tilføjer medforfatter Christoph Nabzdyk, en hjerteanæstesiolog og akutlæge på Mayo Clinic i Rochester, Minnesota. "Dette kunne bruges til at reparere en perforation fra en koloskopi, eller forsegle faste organer eller blodkar efter et traume eller elektivt kirurgisk indgreb. I stedet for at skulle udføre en fuldstændig åben kirurgisk tilgang, man kunne gå indefra for at levere et plaster til at forsegle et sår i det mindste midlertidigt og måske endda på længere sigt."

Studiets medforfattere inkluderer hovedforfatterne Sarah Wu og Hyunwoo Yuk, og Jingjing Wu ved MIT.

Lagdelt beskyttelse

De bioadhæsiver, der i øjeblikket anvendes i minimalt invasive operationer, er for det meste tilgængelige som biologisk nedbrydelige væsker og lim, der kan spredes over beskadiget væv. Når disse lime størkner, imidlertid, de kan stivne over den blødere underliggende overflade, skabe en ufuldkommen tætning. Blod og andre biologiske væsker kan også forurene lim, forhindrer vellykket adhæsion til det skadede sted. Lim kan også vaskes væk, før en skade er helt helet, og, efter påføring, de kan også forårsage betændelse og arvævsdannelse.

I betragtning af begrænsningerne ved nuværende designs, holdet havde til formål at udvikle et alternativ, der ville opfylde tre funktionelle krav. Det skal være i stand til at klæbe til den våde overflade på et skadet sted, undgå at binde sig til noget, før du når sin destination, og en gang påført på et skadet sted, modstå bakteriel kontaminering og overdreven inflammation.

Teamets design opfylder alle tre krav, i form af et tre-lags plaster. Mellemlaget er det vigtigste bioadhæsive, lavet af et hydrogelmateriale, der er indlejret med forbindelser kaldet NHS-estere. Ved kontakt med en våd overflade, klæbemidlet absorberer alt omgivende vand og bliver bøjeligt og elastisk, støbning til et vævs konturer. Samtidigt, esterne i klæbemidlet danner stærke kovalente bindinger med forbindelser på vævsoverfladen, skabe en tæt tætning mellem de to materialer. Designet af dette mellemlag er baseret på tidligere arbejde i Zhaos gruppe.

Holdet lagde derefter klæbemidlet i to lag, hver med en forskellig beskyttende effekt. Det nederste lag er lavet af et materiale belagt med silikoneolie, som virker midlertidigt at smøre klæbemidlet, forhindrer den i at klæbe til andre overflader, når den bevæger sig gennem kroppen. Når klæbemidlet når sin destination og presses let mod et skadet væv, silikoneolien presses ud, lader klæbemidlet binde til vævet.

Klæbemidlets øverste lag består af en elastomerfilm indlejret med zwitterioniske polymerer, eller molekylære kæder lavet af både positive og negative ioner, der virker til at tiltrække eventuelle omgivende vandmolekyler til elastomerens overflade. På denne måde klæbemidlets udadvendte lag danner en vandbaseret hud, eller barriere mod bakterier og andre forurenende stoffer.

"I minimalt invasiv kirurgi, du har ikke den luksus at få let adgang til et websted for at påføre et klæbemiddel, " siger Yuk. "Du kæmper virkelig med en masse tilfældige forurenende stoffer og kropsvæsker på din vej til din destination."

Velegnet til robotter

I en række demonstrationer, forskerne viste, at det nye bioadhæsiv klæber stærkt til dyrevævsprøver, selv efter at være blevet nedsænket i bæger med væske, inklusive blod, i lange perioder.

De brugte også origami-inspirerede teknikker til at folde klæbemidlet rundt om instrumenter, der almindeligvis bruges i minimalt invasive operationer, såsom et ballonkateter og en kirurgisk hæftemaskine. De trådte disse værktøjer gennem dyremodeller af store luftveje og kar, inklusive luftrøret, spiserøret, aorta, og tarme. Ved at puste ballonkateteret op eller trykke let på hæftemaskinen, de var i stand til at klæbe plasteret på revet væv og organer, og fandt ingen tegn på kontaminering på eller i nærheden af ​​det lappede sted op til en måned efter påføringen.

Forskerne forestiller sig, at det nye bioadhæsiv kan fremstilles i præfoldede konfigurationer, som kirurger nemt kan passe rundt om minimalt invasive instrumenter såvel som på værktøjer, der i øjeblikket bruges i robotkirurgi. De søger at samarbejde med designere for at integrere bioadhæsivet i robotkirurgiske platforme.

"Vi mener, at den konceptuelle nyhed i formen og funktionen af ​​dette plaster repræsenterer et spændende skridt mod at overvinde translationelle barrierer i robotkirurgi og lette den bredere kliniske anvendelse af bioadhæsive materialer, " siger Wu.

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.