Veel operaties worden tegenwoordig uitgevoerd via minimaal invasieve procedures, waarbij een kleine incisie wordt gemaakt en miniatuurcamera's en chirurgische instrumenten door het lichaam worden geregen om tumoren te verwijderen en beschadigde weefsels en organen te herstellen. Het proces resulteert in minder pijn en kortere hersteltijden in vergelijking met open chirurgie.

Hoewel veel procedures op deze manier kunnen worden uitgevoerd, chirurgen kunnen voor uitdagingen komen te staan ​​bij een belangrijke stap in het proces:het dichten van inwendige wonden en tranen.

Geïnspireerd door origami, MIT-ingenieurs hebben nu een medische pleister ontworpen die rond minimaal invasieve chirurgische instrumenten kan worden gevouwen en via de luchtwegen kan worden afgegeven. ingewanden, en andere nauwe ruimtes, om inwendige verwondingen op te lossen. De patch lijkt op een opvouwbare, papierachtige film wanneer deze droog is. Zodra het contact maakt met natte weefsels of organen, het verandert in een rekbare gel, vergelijkbaar met een contactlens, en kan vasthouden aan een gewonde site.

In tegenstelling tot bestaande chirurgische lijmen, de nieuwe tape van het team is ontworpen om besmetting te weerstaan ​​bij blootstelling aan bacteriën en lichaamsvloeistoffen. Overuren, de pleister kan veilig biologisch worden afgebroken. Het team heeft zijn resultaten gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde materialen .

De onderzoekers werken samen met clinici en chirurgen om het ontwerp voor chirurgisch gebruik te optimaliseren, en ze voorzien dat de nieuwe bioadhesieve kan worden afgeleverd via minimaal invasieve chirurgische instrumenten, bediend door een chirurg, direct of op afstand via een medische robot.

"Minimaal invasieve chirurgie en robotchirurgie worden steeds vaker toegepast, omdat ze trauma verminderen en het herstel van open chirurgie versnellen. Echter, het afdichten van inwendige wonden is een uitdaging bij deze operaties, " zegt Xuanhe Zhao, hoogleraar werktuigbouwkunde en civiele techniek en milieutechniek aan het MIT.

"Deze patch-technologie omvat vele velden, " voegt co-auteur Christoph Nabzdyk toe, een hartanesthesist en intensive care arts bij de Mayo Clinic in Rochester, Minnesota. "Dit kan worden gebruikt om een ​​perforatie van een coloscopie te herstellen, of verzegel vaste organen of bloedvaten na een trauma of electieve chirurgische ingreep. In plaats van een volledig open chirurgische benadering uit te voeren, je zou van binnenuit kunnen gaan om een ​​pleister af te leveren om een ​​wond te verzegelen, in ieder geval tijdelijk en misschien zelfs voor de lange termijn."

De co-auteurs van de studie zijn onder meer hoofdauteurs Sarah Wu en Hyunwoo Yuk, en Jingjing Wu aan het MIT.

Gelaagde bescherming

De bioadhesieven die momenteel worden gebruikt bij minimaal invasieve operaties, zijn meestal verkrijgbaar als biologisch afbreekbare vloeistoffen en lijmen die over beschadigd weefsel kunnen worden verspreid. Wanneer deze lijmen stollen, echter, ze kunnen verstijven over het zachtere onderliggende oppervlak, het creëren van een onvolmaakte afdichting. Bloed en andere biologische vloeistoffen kunnen ook lijm, het voorkomen van succesvolle hechting aan de gewonde site. Lijmen kunnen ook wegspoelen voordat een blessure volledig is genezen, en, na toepassing, ze kunnen ook ontstekingen en littekenweefselvorming veroorzaken.

Gezien de beperkingen van de huidige ontwerpen, het team wilde een alternatief ontwikkelen dat aan drie functionele vereisten zou voldoen. Het moet aan het natte oppervlak van een gewonde plek kunnen blijven plakken, voorkomen dat u zich ergens aan bindt voordat u zijn bestemming bereikt, en eenmaal aangebracht op een geblesseerde plaats bestand tegen bacteriële besmetting en overmatige ontsteking.

Het ontwerp van het team voldoet aan alle drie de vereisten, in de vorm van een drielaagse patch. De middelste laag is de belangrijkste bioadhesieve, gemaakt van een hydrogelmateriaal dat is ingebed met verbindingen die NHS-esters worden genoemd. Bij contact met een nat oppervlak, de lijm absorbeert al het omringende water en wordt buigzaam en rekbaar, vormen naar de contouren van een weefsel. Tegelijkertijd, de esters in de lijm vormen sterke covalente bindingen met verbindingen op het weefseloppervlak, het creëren van een goede afdichting tussen de twee materialen. Het ontwerp van deze middelste laag is gebaseerd op eerder werk in de groep van Zhao.

Het team heeft de lijm vervolgens met twee lagen ingeklemd, elk met een ander beschermend effect. De onderste laag is gemaakt van een materiaal bedekt met siliconenolie, die de lijm tijdelijk smeert, voorkomen dat het aan andere oppervlakken blijft kleven terwijl het door het lichaam reist. Wanneer de lijm zijn bestemming bereikt en licht tegen een beschadigd weefsel wordt gedrukt, de siliconenolie wordt eruit geperst, waardoor de lijm aan het weefsel kan binden.

De toplaag van de lijm bestaat uit een elastomeerfilm ingebed met zwitterionische polymeren, of moleculaire ketens gemaakt van zowel positieve als negatieve ionen die werken om omringende watermoleculen naar het oppervlak van het elastomeer te trekken. Op deze manier, de naar buiten gerichte laag van de lijm vormt een huid op waterbasis, of barrière tegen bacteriën en andere verontreinigingen.

"Bij minimaal invasieve chirurgie, je hebt niet de luxe om gemakkelijk toegang te krijgen tot een site om lijm aan te brengen, " zegt Yuk. "Je vecht echt tegen veel willekeurige verontreinigingen en lichaamsvloeistoffen op weg naar je bestemming."

Geschikt voor robots

In een reeks demonstraties de onderzoekers toonden aan dat de nieuwe bioadhesive sterk hecht aan dierlijke weefselmonsters, zelfs na ondergedompeld te zijn in bekers met vloeistof, inclusief bloed, voor lange tijd.

Ze gebruikten ook op origami geïnspireerde technieken om de lijm rond instrumenten te vouwen die vaak worden gebruikt bij minimaal invasieve operaties, zoals een ballonkatheter en een chirurgische nietmachine. Ze hebben deze hulpmiddelen door diermodellen van belangrijke luchtwegen en bloedvaten geleid, inclusief de luchtpijp, slokdarm, aorta, en darmen. Door de ballonkatheter op te blazen of lichte druk uit te oefenen op de nietmachine, ze waren in staat om de pleister op gescheurde weefsels en organen te plakken, en vond tot een maand na het aanbrengen geen tekenen van verontreiniging op of nabij de herstelde plek.

De onderzoekers stellen zich voor dat het nieuwe bioadhesief kan worden vervaardigd in voorgevouwen configuraties die chirurgen gemakkelijk rond minimaal invasieve instrumenten kunnen passen, evenals op hulpmiddelen die momenteel worden gebruikt in robotchirurgie. Ze willen samenwerken met ontwerpers om het bioadhesief te integreren in platforms voor robotchirurgie.

"Wij zijn van mening dat de conceptuele nieuwigheid in de vorm en functie van deze patch een opwindende stap vertegenwoordigt in de richting van het overwinnen van translationele barrières in robotchirurgie en het vergemakkelijken van de bredere klinische acceptatie van bioadhesieve materialen, "zegt Wu.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.