Chińscy naukowcy opracowali materiał do szwów chirurgicznych, który niezależnie wytwarza prąd elektryczny w odpowiedzi na ruch, wspomagając 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 został opublikowany w czasopiśmie Nature Communications.
Do zamykania ran chirurgicznych i pourazowych stosuje się wchłanialne i niewchłanialne materiały szewne (pierwsze są lepsze, ponieważ nie powodują wtórnego uszkodzenia tkanek podczas usuwania szwów). Są one bardzo niezawodne, ale gdy człowiek się porusza, może wystąpić napięcie, co zmniejsza ich skuteczność, co może prowadzić do stanu zapalnego i infekcji. Czasami do materiału szewnego dodaje się leki lub czynniki wzrostu, aby zwiększyć jego skuteczność, ale ich wpływ na gojenie nie jest stały i mogą powodować skutki uboczne lub być niestabilne podczas przechowywania. Jednocześnie wiadomo, że gojenie można stymulować prądem elektrycznym o określonych właściwościach - podejście to bada się przede wszystkim w leczeniu przewlekłych ran, a w tym celu stosuje się różne wersje plastrów i elektrod przewodowych i bezprzewodowych.
Hongzhi Wang z Donghua University i współpracownicy postanowili połączyć zalety wchłanialnych szwów i elektrostymulacji bez konieczności zewnętrznego źródła prądu. W tym celu opracowali kompozytowy materiał szewny, który jest nicią magnezową oplecioną nanowłóknami polilaktydu-ko-glikolidu (PLGA) o grubości warstwy 67 ± 10 mikrometrów i zewnętrznie pokrytą warstwą termoplastycznego polikaprolaktonu (PCL) o grubości 87 ± 10 mikrometrów. Całkowita średnica materiału szewnego wynosiła 354 ± 12 mikrometrów, wytrzymałość na rozciąganie wynosiła 250 megapaskali, a wydłużenie przy zerwaniu po tysiąckrotnym zgięciu wynosiło 9,8 procent, co spełnia wymagania chirurgiczne. Wszystkie materiały, z których się składa, są stopniowo wchłaniane przez żywe tkanki, ich biozgodność została potwierdzona przez hodowlę z fibroblastami myszy. 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.
Jak podsumowują autorzy artykułu, kompozytowy skład szwu umożliwia mu skuteczne przenoszenie stymulacji elektrycznej za pośrednictwem ruchów mechanicznych i optymalną bioabsorbcję, co otwiera perspektywy jego wykorzystania do zszywania różnych rodzajów tkanin.
Wcześniej niemieccy inżynierowie stworzyli biodegradowalne elektrody na bazie molibdenu i biopolimerów do elektrokardiostymulacji. Ich amerykańscy koledzy opracowali generator piezoelektryczny, który generuje prąd do rozrusznika serca ze skróconego mięśnia sercowego.