Traditionele chirurgie om een ​​neus of oor een nieuwe vorm te geven, omvat snijden en hechten, soms gevolgd door lange hersteltijden en littekens. Maar nu, onderzoekers hebben een "moleculaire chirurgie"-proces ontwikkeld dat gebruik maakt van kleine naalden, elektrische stroom en 3D-geprinte mallen om levend weefsel snel opnieuw vorm te geven zonder incisies, littekenvorming of hersteltijd. De techniek is zelfs veelbelovend als een manier om immobiele gewrichten te repareren of als een niet-invasief alternatief voor ooglaseren.

De onderzoekers zullen hun resultaten vandaag presenteren op de American Chemical Society (ACS) Spring 2019 National Meeting &Exposition.

"We zien deze nieuwe techniek als een goedkope kantoorprocedure die wordt uitgevoerd onder plaatselijke verdoving, " zegt Michael Hill, doctoraat, een van de hoofdonderzoekers van het project, die het werk op de vergadering zal bespreken. "Het hele proces zou ongeveer vijf minuten duren."

Heuvel, die op het Occidental College zit, raakte bij dit project betrokken toen Brian Wong, MD, doctoraat, die aan de Universiteit van Californië werkt, Irvine, vroeg om hulp bij het ontwikkelen van een niet-invasieve techniek om kraakbeen te hervormen. Een dergelijke methode zou nuttig zijn voor cosmetische chirurgieprocedures, zoals het aantrekkelijker maken van een neus. Maar de methode kan ook helpen bij het oplossen van problemen, zoals een afwijkend septum, of aandoeningen waarvoor geen goede behandelingen bestaan, zoals gewrichtscontracturen veroorzaakt door een beroerte of hersenverlamming. Na zelf een pijnlijke afwijkende septumoperatie te hebben ondergaan, Hill begrijpt wat patiënten doormaken, en was enthousiast om deel te nemen aan een project om een ​​betere strategie te ontwikkelen.

Wong was al een expert in een alternatieve techniek die een infraroodlaser gebruikt om kraakbeen te verwarmen, waardoor het flexibel genoeg is om te hervormen. "Het probleem is, die techniek is duur, en het is moeilijk om het kraakbeen voldoende te verwarmen zodat het kneedbaar is zonder het weefsel te doden, " zegt Hill. Om een ​​meer praktische benadering te vinden, Wongs team begon te experimenteren met het doorlaten van stroom door kraakbeen om het op te warmen. De methode stelde hen inderdaad in staat om weefsel te hervormen, maar, nieuwsgierig, niet door het op te warmen. Wong wendde zich tot Hill om te bepalen hoe de nieuwe methode werkte en om deze te verfijnen om weefselbeschadiging te voorkomen.

Kraakbeen bestaat uit kleine stijve vezels van collageen die losjes met elkaar zijn geweven door biopolymeren. De structuur lijkt op spaghetti die willekeurig op een aanrecht is gedumpt, met de afzonderlijke strengen samengebonden met draad. "Als je het oppakt, de strengen zouden niet uit elkaar vallen, maar het zou floppy zijn, "zegt Hill. Kraakbeen bevat ook negatief geladen eiwitten en positief geladen natriumionen. Kraakbeen met een grotere dichtheid van deze geladen deeltjes is stijver dan kraakbeen met een lagere ladingsdichtheid.

Hill's groep ontdekte dat het passeren van stroom door kraakbeen water in het weefsel elektrolyseert, het water omzetten in zuurstof- en waterstofionen, of protonen. De positieve lading van de protonen heft de negatieve lading op de eiwitten op, het verminderen van de ladingsdichtheid en het kneedbaarder maken van het kraakbeen. "Als het weefsel eenmaal slap is, " hij zegt, "je kunt het in elke gewenste vorm gieten."

Het team testte de methode op een konijn wiens oren normaal rechtop staan. Ze gebruikten een mal om één oor in de gewenste nieuwe vorm gebogen te houden. Als ze vervolgens de mal hadden verwijderd zonder stroom aan te brengen, het oor van het konijn zou zijn teruggesprongen in zijn oorspronkelijke rechtopstaande positie, net zoals een menselijk oor zou doen. Maar door micronaaldelektroden in de bocht in het oor te steken en er stroom doorheen te pulseren met de mal op zijn plaats, ze verzachtten het kraakbeen op de buigplaats kort zonder schade. Door de stroom uit te zetten, kon het kraakbeen uitharden in zijn nieuwe vorm, waarna de mal werd verwijderd.

Om dit resultaat te bereiken met traditionele methoden, een chirurg zou door de huid en het kraakbeen moeten snijden en de stukken dan weer aan elkaar plakken. Dat kan leiden tot vorming van littekenweefsel bij het gewricht. Dat littekenweefsel moet bij volgende operaties soms verwijderd worden, zegt heuvel. Door deze mechanische schade aan het kraakbeen te vermijden, de moleculaire chirurgietechniek veroorzaakt geen littekens en geen pijn.

De onderzoekers onderzoeken licentiemogelijkheden voor de kraakbeentechniek met bedrijven in medische hulpmiddelen. Ze onderzoeken ook toepassingen in andere soorten collageenweefsel, zoals pezen en hoornvliezen. In een oog, hoornvliesvorm beïnvloedt het gezichtsvermogen, met te veel kromming die bijziendheid veroorzaakt, bijvoorbeeld. Er moeten veel hindernissen worden genomen voordat deze methode kan worden gebruikt om iemands gezichtsvermogen te corrigeren, maar voorlopige dierproeven hebben veelbelovende resultaten opgeleverd. De onderzoekers gebruikten een 3D-printer om een ​​contactlens te maken. Na het schilderen van elektroden erop, ze zetten de contactlens op het oog. Door stroom toe te passen, konden ze het hoornvlies tijdelijk verzachten en de kromming ervan veranderen.