Биоабсорбируемая механоэлектрическая нить в качестве шва для электрической стимуляции
Китайские ученые создали новый материал для хирургических швов, который способен генерировать электрический ток в ответ на движения, что способствует заживлению ран и затем полностью рассасывается. В ходе экспериментов на клеточных культурах и крысах трибоэлектрические швы ускоряли процесс заживления и предотвращали инфекции. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
Для закрытия хирургических и травматических ран применяются как рассасывающиеся, так и нерассасывающиеся швы, при этом предпочтение отдается первым, так как они не требуют удаления и не повреждают ткани. Хотя такие материалы надежны, при движении могут возникать натяжения, которые снижают их эффективность и могут приводить к воспалению и инфицированию. Для повышения эффективности шовных материалов иногда добавляют лекарства или факторы роста, но их действие может быть непостоянным и вызывать побочные эффекты.
Хунчжи Ван (Hongzhi Wang) из Университета Дунхуа и его команда решили объединить преимущества рассасывающихся швов и электрической стимуляции без необходимости во внешнем источнике тока. Они разработали композиционный шовный материал, состоящий из магниевой нити, обвитой нановолокнами полилактида-ко-гликолида (PLGA) толщиной 67 ± 10 микрометров, и покрытой термопластичным поликапролактоном (PCL) толщиной 87 ± 10 микрометров. Общий диаметр материала составляет 354 ± 12 микрометра, прочность на растяжение — 250 мегапаскалей, а удлинение на разрыв после тысячекратного сгибания — 9,8 процента, что соответствует хирургическим требованиям. Все составляющие материала постепенно рассасываются в живых тканях, а его биосовместимость была подтверждена с помощью культивирования с мышиными фибробластами. Эта разработка получила название BioES-suture.
При нахождении в ране естественные сокращения и расслабления мышц вызывают механическое взаимодействие слоев шва, что приводит к возникновению разности потенциалов за счет трибоэлектрического эффекта. Исследование электрических свойств композита проводилось путем наложения его на полиуретановый эластомер, погруженный в физиологический раствор хлорида натрия. Даже при небольшом удлинении (около 10 процентов) он стабильно генерировал напряжение более двух вольт. Компьютерное моделирование показало, что шов способен создавать электрическое поле свыше 100 милливольт на миллиметр, направленное от здоровых тканей к ране. BioES-suture сохранял свои механические и электрические свойства в фосфатном буфере и мышцах живых крыс на протяжении не менее 14 дней (что достаточно для заживления) и полностью распадался в буфере за 24 недели.
В экспериментах с клеточной культурой исследователи разместили фибробласты линии 3T3 в чашке Петри, оставив между ними «рану» площадью около 69,3 процента. В центр этой раны был помещен магниевый электрод, соединенный с гибким BioES-suture в качестве источника тока; в контрольной чашке электрод не подключался. Через 24 часа активного воздействия наблюдалось значительное ускорение миграции клеток, которые сократили площадь «раны» до 10,8 процента по сравнению с 32,6 процента без электрического тока. Кроме того, при электростимуляции увеличивалась экспрессия маркера пролиферации Ki67 и выделение факторов роста EGF, VEGF-A и TGF-β, а также замедлялся рост бактерий при инкубации с золотистым стафилококком и кишечной палочкой.
В ходе опытов in vivo крысам наносили кровоточащие разрезы на мышцах, после чего сшивали их BioES-suture, обычным рассасывающимся швом или не сшивали вовсе. Закрытие раны на 10-й день составило 96,5; 82,2 и 60,4 процента соответственно для этих групп по сравнению с исходным уровнем. При использовании активного материала в процессе заживления отмечалось значительное увеличение электромиографического сигнала от поврежденной мышцы. Гистологическое исследование тканей раны на 10-й день показало, что в основной группе заживление происходит быстрее и с меньшим образованием рубцовой ткани по сравнению с обычными швами, тогда как в группе без швов наблюдались выраженные признаки инфекции.