Kemikere udvikler bioabsorberbar sårforbinding i nanoskala

Forskere ved Texas A&M University udnytter den kombinerede kraft af organisk nanomateriale-baseret kemi og et naturligt produkt, der findes i krebsdyrs eksoskeletter for at hjælpe med at bringe akutmedicin et skridt tættere på en levedygtig løsning til at mindske blodtab, fra hospitalet til slagmarken.

Blødning er en førende dødsårsag ved traumatiske skader, på fjerdepladsen i USA til en samlet pris på $671 milliarder i 2013. Arbejder med et tværfagligt team, der involverer samarbejdspartnere fra Assiut University i Egypten, Texas A&M kemiker Karen Wooleys forskergruppe har udviklet en bioabsorberbar sårbandage, der bygger på de allerede beviste, blodgennemstrømningshæmmende egenskaber af chitosan – et naturligt materiale, der er meget udbredt i kommercielle sårbandager – ved at tage dem i nanoskala for at øge deres effektivitet og effekt.

Wooleys hold, ledet af Texas A&M kemi Ph.D. studerende og NASA Space Technology Research Fellow Eric Leonhardt, med succes indkapslet stærkt sammenfiltrede nanofibre af chitosan i en sukkerbaseret hydrogel, der opløses på så lidt som syv dage, efterlader en betydeligt større tilgængelig sårhelende overflade, samtidig med at behovet for efterfølgende fysisk fjernelse elimineres. Deres resultater er offentliggjort i Naturkommunikation .

"Bioabsorberbare sårbandager, der kan påføres og efterlades på skadestedet, er ønskelige til en række forskellige scenarier for blodtab - f.eks. at kontrollere blødninger i traumatiske skader og redde liv på både civile og militære fronter, sagde Leonhardt, der fungerede som førsteforfatter på holdets papir. "De kompositmaterialer, vi har udviklet, er formbare og kunne nemt administreres til sårsteder. De har også klaret sig væsentligt bedre med hensyn til at reducere mængden af ​​blodtab og den tid, der kræves for at opnå hæmostase mod kommercielt tilgængelig bioabsorberbar sårforbinding i flere dyr modeller."

Teammedlemmer ud over Leonhardt inkluderer Texas A&M materialevidenskab og ingeniør Ph.D. studerende Nari Kang; Dr. Mahmoud Elsabahy, assisterende direktør for Texas A&M Laboratory for Synthetic-Biologic Interactions og direktør for Assiut Clinical Center of Nanomedicine på Al-Rajhy Liver Hospital; og Dr. Mostafa A. Hamad, en professor i Kirurgisk Afdeling inden for Assuit Det Medicinske Fakultet.

Elsabahy erkendte, at mens chitosan er en ønskværdig mulighed i sådanne bandager på grund af dets dokumenterede effektivitet til at bremse blodgennemstrømningen, og fordi det tilbyder bonus antimikrobielle egenskaber, det har også en tendens til at klumpe sig, gør det vanskeligt at inkorporere i et bioabsorberbart materiale. Holdet overvandt denne forhindring ved at indlæse chitosan i et nanostruktureret skabelonstillads for bedre at sprede det og øge dets interaktion med blodkomponenter, derved fremskynde både absorption og heling.

Som et første skridt i deres banebrydende opdagelsesproces, forskerne udviklede hydrogeler fra cyclodextriner - en type saccharid med hydrolytisk nedbrydelige bindinger - designet med steder, der var i stand til ionisk at interagere med og binde sig til chitosanmolekyler. Efter frysetørring af det resulterende kompositmateriale, de udsatte det for en løsning, der fjernede skabelonstilladset. De brugte derefter scanningselektronmikroskopi til yderligere at analysere chitosan, som de fandt havde samlet til måtter af stærkt sammenfiltrede nanofibre, der målte omkring 10-20 nanometer i diameter.

"Ikke kun er disse fibre betydeligt mindre end hvad der tidligere er blevet rapporteret for chitosan, de er også meget ønskværdige, i betragtning af, at den tilsvarende stigning i overfladeareal forventes at øge den hæmostatiske effekt i høj grad, sagde Elsabahy, hvem der har udtænkt projektet. "Vi mener, at dette arbejde vil øge omfanget af chitosan som en hæmostatisk teknologi gennem demonstration af dets fremstilling og brug som en bioabsorberbar sårforbinding."

Til dato, holdet har påført deres sammensatte sårbandager på leverskader hos rotter, kaniner og grise, måling af mængden af ​​blodtab, tid til hæmostase og gennemsnitligt arterielt tryk i hvert tilfælde for at måle effektiviteten. Forbindingerne blev også implanteret i leveren og afbildet efter syv dage for at evaluere den biologiske nedbrydning af kompositmaterialerne. Ingen rester kunne observeres i nogen af ​​indstillingerne.

"Blødning er ansvarlig for mere end 35 procent af dødsfaldene før hospitalet og mere end 40 procent af dødsfaldene inden for de første 24 timer efter skaden, " sagde Leonhardt. "Hæmostatiske bandager har potentialet til at reducere sygelighed og dødelighed gennem tidlig kontrol af blødning. Disse forbindinger kan inkluderes i førstehjælpskasser og bæres af soldater for at redde liv på slagmarken, og de kan også bruges til at kontrollere blødninger i forskellige skadesscenarier og kirurgiske procedurer på hospitaler. Absorberbar hæmostatisk bandage kan efterlades på skadestedet og eliminerer behovet for fjernelse af bærer, hvilket reducerer risikoen for genblødning - i tilfælde af fjernelse af bærer af ikke-absorberbare forbindinger - og reducerer den varighed, der kræves til de kirurgiske indgreb."

Wooley har til hensigt at udvide dette indledende arbejde til at omfatte evaluering af materialerne i undersøgelser, der simulerer dødelige blødningsscenarier, efterfulgt af kliniske forsøg. Ud over, hun vil gerne udføre fremtidige grundlæggende undersøgelser for yderligere at udforske mekanismen for dannelse af chitosan nanofiber i skabelonstilladserne, med det formål i sidste ende at opnå kontrol over samlingen for at muliggøre tuning og optimering af den resulterende morfologi af sårforbindingerne.