Chinese researchers have developed a material for surgical sutures that produces an electric current in response to movement, promoting wound healing, and then dissolves completely. In experiments on cell cultures and rats, the triboelectric sutures accelerated the healing process while suppressing the development of infection. A report on the work was published in the journal Nature Communications.
To close surgical and traumatic wounds, absorbable and non-absorbable suture materials are used (the former are preferable, since they do not cause secondary tissue damage when the sutures are removed). They are quite reliable, but when a person moves, tension may occur, which reduces their effectiveness, which can lead to inflammation and infection. To increase the effectiveness of the suture material, drugs or growth factors are sometimes added to it, 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 electric current of certain characteristics - this approach is studied primarily for the treatment of chronic wounds and various types of wired and wireless patches and electrodes are used for this.
Hongzhi Wang from 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 do this, they developed a composite suture material, which is a magnesium thread braided with polylactide-co-glycolide (PLGA) nanofibers with a layer thickness of 67 ± 10 micrometers and covered on the outside with a layer of thermoplastic polycaprolactone (PCL) with a thickness of 87 ± 10 micrometers. The total diameter of the suture material was 354 ± 12 micrometers, tensile strength was 250 megapascals, elongation at break after a thousandfold bending was 9.8 percent, which meets surgical requirements. All materials it consists of are gradually absorbed in living tissues, their biocompatibility was confirmed by culturing with mouse fibroblasts. The development was called 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 carry out effective electrical stimulation due to mechanical movements and be bioabsorbed in optimal time frames, which opens up prospects for its use for suturing different types of tissue, the authors of the work conclude.
Previously, German engineers created biodegradable electrodes based on molybdenum and biopolymers for conducting cardiac stimulation. Their American colleagues developed a piezoelectric generator that produces current for a pacemaker from contractions of the heart muscle.