Chińscy badacze opracowali materiał na szwy chirurgiczne, który niezależnie wytwarza prąd elektryczny w odpowiedzi na ruch, przyspieszając gojenie się ran, po czym jest on całkowicie wchłaniany. W eksperymentach na hodowlach komórkowych i szczurach szwy tryboelektryczne przyspieszały proces gojenia, jednocześnie hamując rozwój infekcji. Raport z prac opublikowano w czasopiśmie Nature Communications.
Do zamykania ran chirurgicznych i urazowych stosuje się wchłanialne i niewchłanialne materiały do szwów (preferowany jest pierwszy, ponieważ przy nich nie dochodzi do wtórnego uszkodzenia tkanki podczas usuwania szwów). Są bardzo niezawodne, ale gdy człowiek się porusza, może wystąpić napięcie, co zmniejsza ich skuteczność, co może prowadzić do stanów zapalnych i infekcji. Czasami do materiału szwów dodaje się leki lub czynniki wzrostu, aby zwiększyć jego skuteczność, ale ich wpływ na gojenie nie jest stały i mogą powodować działania niepożądane lub być niestabilne podczas przechowywania. Jednocześnie wiadomo, że gojenie można stymulować prądem elektrycznym o określonych właściwościach – podejście to bada się przede wszystkim w leczeniu ran przewlekłych i wykorzystuje się w tym celu różne wersje plastrów i elektrod przewodowych i bezprzewodowych.
Hongzhi Wang z Uniwersytetu Donghua i współpracownicy postanowili połączyć zalety szwów wchłanialnych i elektrostymulacji bez konieczności stosowania zewnętrznego źródła prądu. W tym celu opracowali kompozytowy materiał szewny, którym jest nić magnezowa spleciona z nanowłókien polilaktydowo-ko-glikolidowych (PLGA) o grubości warstwy 67 ± 10 mikrometrów i pokryta zewnętrznie warstwą termoplastycznego polikaprolaktonu (PCL) o grubość 87 ± 10 mikrometrów. Całkowita średnica materiału szwu wynosiła 354 ± 12 mikrometrów, wytrzymałość na rozciąganie 250 megapaskali, a wydłużenie przy zerwaniu po tysiąckrotnym zgięciu wyniosło 9,8%, co odpowiada wymaganiom chirurgicznym. Wszystkie materiały z których się składa są stopniowo wchłaniane do żywych tkanek, ich biokompatybilność została potwierdzona poprzez hodowlę z fibroblastami mysimi. Opracowanie nazwano szwem BioES.
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.
Dzięki temu kompozytowy skład szwu pozwala na skuteczną stymulację elektryczną pod wpływem ruchów mechanicznych i optymalną bioabsorpcję, co otwiera perspektywy wykorzystania go do szycia różnego rodzaju tkanin – podsumowują autorzy pracy.
Wcześniej niemieccy inżynierowie stworzyli biodegradowalne elektrody na bazie molibdenu i biopolimerów do elektrokardiostymulacji. Ich amerykańscy koledzy opracowali generator piezoelektryczny, który ze skróconego mięśnia sercowego generuje prąd dla rozrusznika serca.