Geïnspireerd door een kleverige substantie die spinnen gebruiken om hun prooi te vangen, MIT-ingenieurs hebben een dubbelzijdige tape ontworpen die weefsels snel aan elkaar kan sluiten.

In tests bij ratten en varkensweefsels, de onderzoekers toonden aan dat hun nieuwe tape weefsels zoals de longen en darmen binnen slechts vijf seconden stevig kan binden. Ze hopen dat deze tape uiteindelijk kan worden gebruikt in plaats van chirurgische hechtingen, die niet goed werken in alle weefsels en bij sommige patiënten complicaties kunnen veroorzaken.

"Er zijn meer dan 230 miljoen grote operaties over de hele wereld per jaar, en velen van hen hebben hechtingen nodig om de wond te sluiten, die daadwerkelijk stress op de weefsels kan veroorzaken en infecties kan veroorzaken, pijn, en littekens. We stellen een fundamenteel andere benadering voor om weefsel af te dichten, " zegt Xuanhe Zhao, een universitair hoofddocent werktuigbouwkunde en civiele en milieutechniek aan het MIT en de senior auteur van de studie.

De dubbelzijdige tape kan ook worden gebruikt om implanteerbare medische hulpmiddelen op weefsels te bevestigen, inclusief het hart, toonden de onderzoekers aan. In aanvulling, het werkt veel sneller dan weefsellijmen, die meestal enkele minuten nodig hebben om stevig te binden en op andere delen van het lichaam kunnen druppelen.

Afgestudeerde studenten Hyunwoo Yuk en Claudia Varela zijn de hoofdauteurs van de studie, die vandaag verschijnt in Natuur . Andere auteurs zijn MIT-afgestudeerde student Xinyu Mao, MIT-assistent-professor werktuigbouwkunde Ellen Roche, Mayo Clinic, intensive care-arts Christoph Nabzdyk, en Brigham en Women's Hospital patholoog Robert Padera.

Een strakke afdichting

Het vormen van een goede afdichting tussen weefsels wordt als zeer moeilijk beschouwd omdat water op het oppervlak van de weefsels de adhesie verstoort. Bestaande weefsellijmen diffunderen adhesieve moleculen door het water tussen twee weefseloppervlakken om ze aan elkaar te binden, maar dit proces kan enkele minuten of zelfs langer duren.

Het MIT-team wilde iets bedenken dat veel sneller zou werken. Zhao's groep had eerder andere nieuwe kleefstoffen ontwikkeld, inclusief een hydrogel-superlijm die voor een sterkere hechting zorgt dan de kleverige materialen die in de natuur voorkomen, zoals die mosselen en zeepokken gebruiken om zich aan schepen en rotsen vast te klampen.

Om een ​​dubbelzijdige tape te maken die snel twee natte oppervlakken met elkaar kan verbinden, het team liet zich inspireren door de natuurlijke wereld, in het bijzonder het kleverige materiaal dat spinnen gebruiken om hun prooi te vangen in natte omstandigheden. Deze spinnenlijm bevat geladen polysachariden die bijna onmiddellijk water van het oppervlak van een insect kunnen absorberen, het opruimen van een kleine droge plek waar de lijm zich aan kan hechten.

Om dit na te bootsen met een speciaal ontwikkelde lijm, de onderzoekers ontwierpen een materiaal dat eerst water uit natte weefsels absorbeert en vervolgens twee weefsels snel aan elkaar bindt. Voor wateropname, ze gebruikten polyacrylzuur, een zeer absorberend materiaal dat in luiers wordt gebruikt. Zodra de tape is aangebracht, het zuigt water op, waardoor het polyacrylzuur snel zwakke waterstofbindingen kan vormen met beide weefsels.

Deze waterstofbruggen en andere zwakke interacties houden de tape en weefsels tijdelijk op hun plaats terwijl chemische groepen die NHS-esters worden genoemd, die de onderzoekers in het polyacrylzuur hebben ingebed, veel sterkere banden vormen, covalente bindingen genoemd, met eiwitten in het weefsel. Dit duurt ongeveer vijf seconden.

Om hun tape sterk genoeg te maken om in het lichaam mee te gaan, de onderzoekers gebruikten ofwel gelatine ofwel chitosan (een hard polysacharide dat in insectenschelpen wordt aangetroffen). Deze polymeren zorgen ervoor dat de lijm zijn vorm gedurende lange tijd behoudt. Afhankelijk van de toepassing waarvoor de tape wordt gebruikt, de onderzoekers kunnen bepalen hoe snel het in het lichaam afbreekt door de ingrediënten die erin gaan te variëren. Gelatine heeft de neiging om binnen enkele dagen of weken in het menselijk lichaam af te breken, terwijl chitosan langer kan duren (een maand of zelfs tot een jaar).

Snelle genezing

Dit type kleefmiddel kan een grote invloed hebben op het vermogen van chirurgen om incisies af te dichten en wonden te genezen, zegt Yuk. Om mogelijke toepassingen voor de nieuwe dubbelzijdige tape te onderzoeken, de onderzoekers testten het in een paar verschillende soorten varkensweefsel, inclusief huid, dunne darm, maag, en lever. Ze voerden ook tests uit in varkenslongen en luchtpijp, waaruit blijkt dat ze schade aan die organen snel kunnen herstellen.

"Het is een hele uitdaging om zachte of kwetsbare weefsels zoals de longen en de luchtpijp te hechten, maar met onze dubbelzijdige tape, binnen vijf seconden kunnen we ze gemakkelijk verzegelen, ' zegt Yuk.

De tape werkte ook goed om schade aan het maagdarmkanaal af te dichten, die zeer nuttig kunnen zijn bij het voorkomen van lekkage die soms optreedt na een operatie. Deze lekkage kan sepsis en andere potentieel fatale complicaties veroorzaken.

Het implanteren van medische hulpmiddelen in het lichaam is een andere toepassing die het MIT-team onderzoekt. Werken met Roche's lab, de onderzoekers toonden aan dat de tape kan worden gebruikt om een ​​kleine polyurethaanpleister stevig op de harten van levende ratten te bevestigen, die ongeveer zo groot zijn als een miniatuur. Normaal gesproken is dit soort procedures extreem ingewikkeld en vereist een ervaren chirurg om uit te voeren, maar het onderzoeksteam was in staat om de pleister eenvoudig met hun tape op te plakken door een paar seconden op te drukken, en het bleef enkele dagen op zijn plaats.

Naast de polyurethaan hart patch, de onderzoekers ontdekten dat de tape met succes materialen zoals siliconenrubber kon bevestigen, titanium, en hydrogels aan weefsels.

"Dit zorgt voor een elegantere, meer rechttoe rechtaan, en meer universeel toepasbare manier om een ​​implanteerbare monitor of medicijnafgifteapparaat te introduceren, omdat we ons aan veel verschillende locaties kunnen houden zonder schade of secundaire complicaties te veroorzaken door het doorboren van weefsel om de apparaten aan te brengen, ' zegt Yuk.

De onderzoekers werken nu samen met artsen om aanvullende toepassingen voor dit soort lijm te identificeren en om meer tests uit te voeren in diermodellen.