Niet iedere wond is met naald en draad te sluiten. Empa-onderzoekers hebben nu een soldeerproces ontwikkeld met nanodeeltjes die weefsel zachtjes samensmelten. De soldeertechniek zal naar verwachting wondgenezingsstoornissen en levensbedreigende complicaties als gevolg van lekkende hechtingen voorkomen.

Het team publiceerde onlangs de veelbelovende methode in het tijdschrift Small Methods en patent aangevraagd.

Ruim 5000 jaar geleden kwam de mensheid op het idee om een ​​wond te hechten met naald en draad. Sindsdien is dit chirurgische principe niet veel veranderd:afhankelijk van het vingertopgevoel van de persoon die de operatie uitvoert en de apparatuur kunnen snij- of scheurtjes in het weefsel min of meer perfect worden samengevoegd. Zodra beide zijden van een wond netjes aan elkaar zijn bevestigd, kan het lichaam op natuurlijke wijze beginnen de weefselspleet permanent te dichten.

De hechting bereikt echter niet altijd wat het zou moeten doen. In zeer zachte weefsels kan de draad door het weefsel snijden en extra letsel veroorzaken. En als de wondsluiting de inwendige organen niet afsluit, kunnen doorlaatbare hechtingen een levensbedreigend probleem vormen. Onderzoekers van Empa en ETH Zürich hebben nu een manier gevonden om wonden te solderen met behulp van lasers.

De temperatuur in realtime regelen

Bij solderen worden materialen meestal met elkaar verbonden door middel van warmte via een smeltend bindmiddel. Het feit dat deze thermische reactie binnen nauwe grenzen moet blijven voor biologische materialen en tegelijkertijd de temperatuur moeilijk op een niet-invasieve manier te meten is, is een probleem geweest voor de toepassing van soldeerprocessen in de geneeskunde.

Het team onder leiding van Oscar Cipolato en Inge Herrmann van het Particles Biology Interactions-laboratorium van Empa in St. Gallen en het Nanoparticle Systems Engineering Laboratory van de ETH Zürich sleutelde daarom aan een slim wondsluitingssysteem waarin lasersolderen zacht en efficiënt kan worden gecontroleerd. Hiervoor ontwikkelden ze een bindmiddel met metalen en keramische nanodeeltjes en gebruikten ze nanothermometrie om de temperatuur te controleren.

De elegantie van het nieuwe soldeerproces is ook gebaseerd op de interactie van de twee soorten nanodeeltjes in de bindende eiwit-gelatinepasta. Terwijl de pasta wordt bestraald met een laser, zetten titaniumnitride-nanodeeltjes het licht om in warmte. De speciaal gesynthetiseerde bismutvanadaatdeeltjes in de pasta werken daarentegen als kleine fluorescerende nanothermometers. Ze zenden temperatuurafhankelijk licht uit met een specifieke golflengte, waardoor een uiterst nauwkeurige temperatuurregeling in realtime mogelijk is.

Dit maakt de methode bijzonder geschikt voor gebruik bij minimaal invasieve chirurgie, omdat roeren niet nodig is en temperatuurverschillen met extreem fijne ruimtelijke resolutie in oppervlakkige en diepe wonden worden bepaald.

Zachte IR

Nadat het team de omstandigheden voor "iSoldering" (intelligent solderen) had geoptimaliseerd via wiskundige modellering in silico, konden de onderzoekers de prestaties van het composietmateriaal onderzoeken. Samen met chirurgen van het Universitair Ziekenhuis Zürich, de Cleveland Clinic (VS) en de Tsjechische Charles Universiteit bereikte het team een ​​snelle, stabiele en biocompatibele hechting van wonden aan organen zoals de pancreas of de lever in laboratoriumtests met verschillende weefselmonsters.

Even succesvol en voorzichtig was het afdichten van bijzonder lastige stukken weefsel, zoals de urinebuis, de eileider of de darm, met behulp van iSoldering. Er is inmiddels een patentaanvraag ingediend voor het nanodeeltjescomposietmateriaal.

Maar daar stopten de onderzoekers niet. Ze slaagden erin de laserlichtbron te vervangen door zachter infrarood (IR) licht. Hiermee komt de soldeertechnologie weer een stap dichterbij toepassing in ziekenhuizen. "Als medisch goedgekeurde IR-lampen zouden worden toegepast, zou de innovatieve soldeertechnologie zonder extra laserbeschermingsmaatregelen in conventionele operatiekamers kunnen worden gebruikt", zegt Empa-onderzoeker Inge Herrmann.

Meer informatie: Oscar Cipolato et al., Nanothermometrie-enabled intelligent laserweefselsolderen, kleine methoden (2023). DOI:10.1002/smtd.202300693

Journaalinformatie: Kleine methoden

Geleverd door Zwitserse federale laboratoria voor materiaalwetenschappen en technologie