Исследователи Массачусетского технологического института разработали клей, имитирующий липкое вещество, которое ракушки используют, чтобы цепляться за камни.
Вдохновленные липким веществом, которое ракушки используют, чтобы цепляться за камни, инженеры Массачусетского технологического института разработали прочный биосовместимый клей, который может запечатать поврежденные ткани и остановить кровотечение.
Новая паста может прилипать к поверхностям, даже если они покрыты кровью, и может образовывать плотное уплотнение в течение примерно 15 секунд после нанесения. Исследователи говорят, что такой клей может предложить гораздо более эффективный способ лечения травм и остановки кровотечения во время операции.
«Мы решаем проблему адгезии в сложной среде, которая представляет собой влажную, динамичную среду человеческих тканей. В то же время мы пытаемся воплотить эти фундаментальные знания в реальные продукты, которые могут спасать жизни», - говорит Сюаньхэ Чжао, профессор машиностроения, гражданского и экологического строительства в Массачусетском технологическом институте и один из ведущих авторов исследования.
Кристоф Набздик, кардиолог-анестезиолог и реаниматолог из клиники Майо в Рочестере, штат Миннесота, также является ведущим автором статьи, опубликованной сегодня в журнале Nature Biomedical Engineering. Ведущими авторами исследования являются научный сотрудник Массачусетского технологического института Хёнву Юк и постдокторант Цзинцзин Ву.
Природное вдохновение
Поиск способов остановки кровотечения - давняя проблема, которая не была должным образом решена, говорит Чжао. Швы обычно используются для герметизации ран, но наложение швов - это трудоемкий процесс, который обычно невозможен для лиц, оказывающих первую помощь, в чрезвычайной ситуации. Среди военнослужащих кровопотеря является ведущей причиной смерти после травматического повреждения, а среди населения в целом она является второй по значимости причиной смерти после травматического повреждения.
В последние годы некоторые материалы, способные останавливать кровотечение, также называемые кровоостанавливающими средствами, стали коммерчески доступными. Многие из них состоят из пластырей, содержащих факторы свертывания крови, которые помогают крови свертываться самостоятельно. Однако им требуется несколько минут, чтобы сформировать уплотнение, и они не всегда действуют на сильно кровоточащие раны.
Лаборатория Чжао работает над решением этой проблемы уже несколько лет. В 2019 году его команда разработала двустороннюю тканевую ленту и показала, что ее можно использовать для закрытия хирургических разрезов. Эта лента, вдохновленная липким материалом, который пауки используют для захвата своей добычи во влажных условиях, включает заряженные полисахариды, которые могут почти мгновенно поглощать воду с поверхности, очищая небольшой сухой участок, к которому может прилипнуть клей.
Для своего нового клея для тканей исследователи снова черпали вдохновение в мире природы. На этот раз они сосредоточили свое внимание на усоногих ракообразных, которые прикрепляются к скалам, корпусам кораблей и даже к другим животным, таким как киты. Эти поверхности влажные и часто грязные, что затрудняет адгезию.
«Это привлекло наше внимание, - говорит Юк. «Это очень интересно, потому что для герметизации кровоточащих тканей приходится бороться не только с влажностью, но и с загрязнением этой истекающей кровью. Мы обнаружили, что это существо, живущее в морской среде, делает то же самое, что и мы, чтобы справиться со сложными проблемами с кровотечением».
Анализ клея ракушек показал, что он имеет уникальный состав. Липкие белковые молекулы, которые помогают ракушкам прикрепляться к поверхности, взвешены в масле, которое отталкивает воду и любые загрязняющие вещества, обнаруженные на поверхности, что позволяет адгезивным белкам прочно прикрепляться к поверхности.
Команда Массачусетского технологического института решила попытаться имитировать этот клей, адаптировав клей, который они ранее разработали. Этот липкий материал состоит из полимера, называемого полиакриловой кислотой, с добавлением органического соединения, называемого сложным эфиром NHS, которое обеспечивает адгезию, и хитозана, сахара, который укрепляет материал. Исследователи заморозили листы этого материала, измельчили его в микрочастицы, а затем суспендировали эти частицы в силиконовом масле медицинского назначения.
Когда полученную пасту наносят на влажную поверхность, например на ткань, покрытую кровью, масло отталкивает кровь и другие вещества, которые могут присутствовать, позволяя микрочастицам клея сшиваться и образовывать плотное уплотнение на поверхности. рана. В течение 15-30 секунд после нанесения клея при легком надавливании клей схватывается и кровотечение останавливается, как показали исследования на крысах.
Одно из преимуществ этого нового материала по сравнению с двусторонней лентой, разработанной исследователями в 2019 году, заключается в том, что пасту можно формовать так, чтобы она подходила для ран неправильной формы, в то время как лента может лучше подходить для герметизации хирургических разрезов или прикрепления медицинских устройства к тканям, говорят исследователи. «Формовочная паста может затекать и принимать любую неправильную форму и герметизировать ее», - говорит Ву. «Это дает пользователям свободу адаптировать его к кровоточащим ранам неправильной формы всех видов.”
Лучшая остановка кровотечения
В ходе испытаний на свиньях Набздык и его коллеги из клиники Майо обнаружили, что клей способен быстро останавливать кровотечение в печени и действует намного быстрее и эффективнее, чем имеющиеся в продаже гемостатические средства, которые они сравнивали его с. Это даже работало, когда свиньям давали сильнодействующие препараты для разжижения крови (гепарин), чтобы кровь не образовывала сгустки спонтанно.
Их исследования показали, что уплотнение остается неповрежденным в течение нескольких недель, давая ткани под ним время для самозаживления, и что клей вызывает небольшое воспаление, аналогичное тому, которое вызывают кровоостанавливающие средства, используемые в настоящее время. Клей медленно резорбируется в организме в течение нескольких месяцев, и его также можно удалить раньше, нанеся раствор, который растворяет его, если хирургам необходимо после первоначального нанесения зашить рану.
Исследователи планируют протестировать клей на более крупных ранах, что, как они надеются, продемонстрирует, что клей может быть полезен для лечения травм. Они также предполагают, что это может быть полезно во время хирургических процедур, которые часто требуют, чтобы хирурги тратили много времени на остановку кровотечения.
«Технически мы способны проводить множество сложных операций, но на самом деле мы не продвинулись так быстро в способности оперативно контролировать особенно сильное кровотечение», - говорит Набздык.
Другим возможным применением может быть помощь в остановке кровотечения, возникающего у пациентов, которым в кровеносные сосуды вставлены пластиковые трубки, например те, которые используются для артериальных или центральных венозных катетеров или для экстракорпоральной мембранной оксигенации (ЭКМО). Во время ЭКМО используется машина, которая перекачивает кровь пациента за пределы тела, чтобы насытить ее кислородом. Он используется для лечения людей с глубокой сердечной или легочной недостаточностью. Трубки часто остаются вставленными в течение нескольких недель или месяцев, и кровотечение в местах введения может привести к инфекции.
Исследователи получили финансирование от Центра Дешпанде Массачусетского технологического института, чтобы помочь им работать над коммерциализацией своего клея, что они надеются сделать после проведения дополнительных доклинических исследований на животных моделях. Исследование также финансировалось Национальным институтом здравоохранения, Национальным научным фондом, Исследовательским бюро армии США через Институт солдатских нанотехнологий Массачусетского технологического института и Фондом Золля.
Перепечатано с разрешения MIT News. Прочтите исходную статью.