Chinese researchers have developed a material for surgical sutures that automatically generates an electrical current in response to movement, promoting wound healing, and then completely dissolves. In experiments on cell cultures and rats, the triboelectric sutures accelerated the healing process while suppressing infection. A report on the study was published in the journal Nature Communications.
Absorbable and non-absorbable sutures are used to close surgical and traumatic wounds (the former are preferred because they prevent secondary tissue damage upon suture removal). They are very reliable, but tension can occur during patient movement, which reduces their effectiveness and can lead to inflammation and infection. To enhance the effectiveness of sutures, medications or growth factors are sometimes added, but their effect on healing is inconsistent and they can cause side effects or be unstable during storage. At the same time, it is known that healing can be stimulated by electrical currents with certain characteristics—this approach is being studied primarily for the treatment of chronic wounds, using various types of wired and wireless patches and electrodes.
Hongzhi Wang of Donghua University and his colleagues decided to combine the advantages of absorbable sutures and electrical stimulation without the need for an external current source. To achieve this, they developed a composite suture material consisting of a magnesium thread braided with polylactide-co-glycolide (PLGA) nanofibers 67 ± 10 micrometers thick and coated with a thermoplastic polycaprolactone (PCL) layer 87 ± 10 micrometers thick. The overall diameter of the suture material was 354 ± 12 micrometers, the tensile strength was 250 megapascals, and the elongation at break after 1,000 bendings was 9.8 percent, meeting surgical requirements. All materials comprising it are gradually absorbed in living tissue, and their biocompatibility was confirmed by culturing with mouse fibroblasts. The development was named BioES-suture.
При нахождении в ране естественные сокращения и расслабления мышц вызывают механическое взаимодействие слоев шва, которое создает разницу потенциалов за счет трибоэлектрического эффекта. Электрические свойства композита изучили, наложив его на полиуретановый эластомер, погруженный в физиологический раствор хлорида натрия. Даже при небольшом удельном растяжении (порядка 10 процентов) он стабильно генерировал ток напряжением более двух вольт. Компьютерная симуляция показала, что шов может создавать электрическое поле более 100 милливольт на миллиметр в направлении от здоровых тканей к ране. BioES-suture сохранял в фосфатном буфере и мышце живой крысы механические и электрические свойства на протяжении не менее 14 дней (что достаточно для заживления) и бесследно распадался в буфере за 24 недели.
Для экспериментов в клеточной культуре исследователи поместили в чашку Петри фибробласты линии 3T3 оставив между ними «рану» площадью около 69,3 процента. В ее цент поместили магниевый электрод, подключенный к сгибающемуся BioES-suture как источнику тока; в контрольной чашке электрод к источнику не подключали. Через 24 часа при активном воздействии наблюдалось выраженное ускорение миграции клеток, которые сократили площадь «раны» до 10,8 процента против 32,6 процента в отсутствие тока. Кроме того, при электростимуляции наблюдалось усиление экспрессии маркера пролиферации Ki67 и выделения факторов роста EGF, VEGF-A и TGF-β, а также замедление бактериального роста при инкубации с золотистым стафилококком и кишечной палочкой.
В ходе опытов in vivo крысам наносили кровоточащие разрезы мышц, после чего сшивали их BioES-suture, обычным рассасывающимся швом или не сшивали. Закрытие раны к 10 дню по сравнению с исходным уровнем в этих группах составило соответственно 96,5; 82,2 и 60,4 процента. При использовании активного материала в процессе заживления наблюдалось значительное усиление электромиографического сигнала от поврежденной мышцы. Гистологическое исследование тканей раны на 10 день показало, что в основной группе заживление происходит быстрее и с меньшим образованием рубцовой ткани, чем при использовании обычных швов, а в отсутствие швов наблюдаются выраженные признаки инфекции.
Иммуногистохимическое, иммунофлуоресцентное исследования и ПЦР в реальном времени показали, что при наложении BioES-suture увеличивается секреция EGF, TGF-β и VEGF-A, которые повышают активность сигнальных путей PI3K/Akt/mTOR и MAPK, отвечающих за миграцию и пролиферацию клеток и синтез внеклеточного матрикса. Также были выявлены усиление роста сосудов в ране и уменьшение воспалительной инфильтрации Т- и В-лимфоцитами (на 85,4 и 73,7 процента соответственно). В эксперименте с инфицированными ранами BioES-suture значительно снижал количество бактерий даже без ежедневной обработки и ускорял заживление по сравнению с обычными швами.
Thus, the composite composition of the suture allows it to effectively deliver electrical stimulation through mechanical movements and be bioabsorbed within an optimal timeframe, which opens up prospects for its use in suturing various types of tissue, the authors conclude.
Previously, German engineers created biodegradable electrodes based on molybdenum and biopolymers for cardiac pacing. Their American colleagues developed a piezoelectric generator that generates current for a pacemaker from heart contractions.
