Chińscy naukowcy opracowali materiał do produkcji szwów chirurgicznych, który automatycznie generuje prąd elektryczny w reakcji na ruch, wspomagając gojenie się rany, a następnie całkowicie się rozpuszcza. W eksperymentach na hodowlach komórkowych i szczurach, szwy tryboelektryczne przyspieszyły proces gojenia, jednocześnie hamując rozwój infekcji. Raport z badania został opublikowany w czasopiśmie Nature Communications.
Do zamykania ran pooperacyjnych i pourazowych stosuje się szwy wchłanialne i niewchłanialne (preferowane są te pierwsze, ponieważ zapobiegają wtórnemu uszkodzeniu tkanek po usunięciu szwów). Są one bardzo niezawodne, jednak podczas ruchu pacjenta może wystąpić napięcie, co zmniejsza ich skuteczność i może prowadzić do stanu zapalnego i infekcji. Aby zwiększyć skuteczność szwów, czasami dodaje się leki lub czynniki wzrostu, ale ich wpływ na gojenie jest nierównomierny i mogą powodować działania niepożądane lub być niestabilne w czasie przechowywania. Jednocześnie wiadomo, że gojenie można stymulować prądami elektrycznymi o określonych właściwościach – podejście to jest badane głównie w leczeniu ran przewlekłych z wykorzystaniem różnego rodzaju plastrów przewodowych i bezprzewodowych oraz elektrod.
Hongzhi Wang z Uniwersytetu Donghua wraz ze współpracownikami postanowił połączyć zalety wchłanialnych szwów i elektrostymulacji bez konieczności stosowania zewnętrznego źródła prądu. Aby to osiągnąć, opracowali kompozytowy materiał szewny składający się z nici magnezowej splecionej z nanowłóknami polilaktydu-ko-glikolidu (PLGA) o grubości 67 ± 10 mikrometrów i pokrytej warstwą termoplastycznego polikaprolaktonu (PCL) o grubości 87 ± 10 mikrometrów. Całkowita średnica materiału szewnego wynosiła 354 ± 12 mikrometrów, wytrzymałość na rozciąganie 250 megapaskali, a wydłużenie przy zerwaniu po 1000 zgięciach 9,8%, spełniając tym samym wymagania chirurgiczne. Wszystkie materiały wchodzące w jego skład są stopniowo wchłaniane przez żywą tkankę, a ich biozgodność została potwierdzona hodowlą z mysimi fibroblastami. Opracowanie nazwano 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.
Autorzy podsumowują, że złożony skład nici umożliwia skuteczne dostarczanie stymulacji elektrycznej za pomocą ruchów mechanicznych i umożliwia jej bioabsorbcję w optymalnym czasie, co otwiera perspektywy jej wykorzystania w szyciu różnych rodzajów tkanek.
Wcześniej niemieccy inżynierowie stworzyli biodegradowalne elektrody na bazie molibdenu i biopolimerów do stymulacji serca. Ich amerykańscy koledzy opracowali generator piezoelektryczny, który generuje prąd do rozrusznika serca w oparciu o skurcze serca.
