Китайські дослідники розробили матеріал для хірургічних швів, який самостійно виробляє електричний струм у відповідь на рухи, сприяючи загоєнню рани, після чого повністю розсмоктується. В експериментах на клітинних культурах та щурах трибоелектричні шви прискорювали процес загоєння, при цьому пригнічуючи розвиток інфекції. Звіт про роботу опубліковано в журналі Nature Communications.
Для закриття хірургічних і травматичних ран використовують шовні матеріали, що розсмоктуються і не розсмоктуються (перші переважно, оскільки з ними не виникає вторинного пошкодження тканин при видаленні швів). Вони дуже надійні, але при рухах людини може виникати натяг, що знижує їхню ефективність, що може призводити до запалення та інфікування. Щоб підвищити ефективність шовного матеріалу, до нього іноді додають лікарські препарати або фактори росту, але їхня дія на загоєння непостійна, і вони можуть викликати побічні ефекти або бути нестійкими при зберіганні. У той же час відомо, що загоєння можна стимулювати електричним струмом певних характеристик - такий підхід вивчають насамперед для лікування хронічних ран і використовують для цього різні варіанти провідних та бездротових пластирів та електродів.
Хунчжи Ван (Hongzhi Wang) з Університету Дунхуа з колегами вирішили поєднати переваги швів, що розсмоктуються, і електростимуляції без потреби в зовнішньому джерелі струму. Для цього вони розробили композиційний шовний матеріал, який є магнієвою ниткою, обплетеною нановолокнами полілактиду-ко-гліколіду (PLGA) товщиною шару 67 ± 10 мікрометрів і зовні покриту шаром термопластичного полікапролактону (PCL) товщиною 87 ± 10 мікрометрів. Загальний діаметр шовного матеріалу становив 354 ± 12 мікрометрів, міцність на розтяг — 250 мегапаскалів, подовження на розрив після тисячоразового згинання — 9,8 відсотка, що відповідає хірургічним вимогам. Усі матеріали, з яких він складається, поступово розсмоктуються у живих тканинах, їх біосумісність підтвердили культивуванням з мишачими фібробластами. Розробка одержала назву 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.
Таким чином, композитний склад шва дозволяє йому проводити ефективну електростимуляцію за рахунок механічних рухів та біоабсорбуватися в оптимальні терміни, що відкриває перспективи його застосування для зшивання різних типів тканин, роблять висновок автори роботи.
Раніше німецькі інженери створили біорозкладні електроди на основі молібдену та біополімерів для проведення електрокардіостимуляції. Їхні американські колеги розробили п'єзоелектричний генератор, який виробляє струм для кардіостимулятора від скорочень серцевого м'яза.