Рассасывающийся хирургический шов выработал электричество и залечил раны

Китайские исследователи разработали материал для хирургических швов, который самостоятельно производит электрический ток в ответ на движения, способствуя заживлению раны, после чего полностью рассасывается. В экспериментах на клеточных культурах и крысах трибоэлектрические швы ускоряли процесс заживления, при этом подавляя развитие инфекции. Отчет о работе опубликован в журнале Nature Communications.

Для закрытия хирургических и травматических ран используют рассасывающиеся и нерассасывающиеся шовные материалы (первые предпочтительнее, поскольку с ними не возникает вторичного повреждения тканей при удалении швов). Они весьма надежны, но при движениях человека может возникать натяжение, которое снижает их эффективность, что может приводить к воспалению и инфицированию. Чтобы повысить эффективность шовного материала, в него иногда добавляют лекарственные препараты или факторы роста, но их действие на заживление непостоянно, и они могут вызывать побочные эффекты или быть нестойкими при хранении. В то же время известно, что заживление можно стимулировать электрическим током определенных характеристик — такой подход изучают в первую очередь для лечения хронических ран и используют для этого различные варианты проводных и беспроводных пластырей и электродов.

Хунчжи Ван (Hongzhi Wang) из Университета Дунхуа с коллегами решили совместить преимущества рассасывающихся швов и электростимуляции без нужды во внешнем источнике тока. Для этого они разработали композиционный шовный материал, который представляет собой магниевую нить, оплетенную нановолокнами полилактида-ко-гликолида (PLGA) толщиной слоя 67 ± 10 микрометров и снаружи покрытую слоем термопластичного поликапролактона (PCL) толщиной 87 ± 10 микрометров. Общий диаметр шовного материала составил 354 ± 12 микрометра, прочность на растяжение — 250 мегапаскалей, удлинение на разрыв после тысячекратного сгибания — 9,8 процента, что отвечает хирургическим требованиям. Все материалы, из которых он состоит, постепенно рассасываются в живых тканях, их биосовместимость подтвердили культивированием с мышиными фибробластами. Разработка получила название BioES-suture.

При нахождении в ране естественные сокращения и расслабления мышц вызывают механическое взаимодействие слоев шва, которое создает разницу потенциалов за счет трибоэлектрического эффекта. Электрические свойства композита изучили, наложив его на полиуретановый эластомер, погруженный в физиологический раствор хлорида натрия. Даже при небольшом удельном растяжении (порядка 10 процентов) он стабильно генерировал ток напряжением более двух вольт. Компьютерная симуляция показала, что шов может создавать электрическое поле более 100 милливольт на миллиметр в направлении от здоровых тканей к ране. BioES-suture сохранял в фосфатном буфере и мышце живой крысы механические и электрические свойства на протяжении не менее 14 дней (что достаточно для заживления) и бесследно распадался в буфере за 24 недели.

Для экспериментов в клеточной культуре исследователи поместили в чашку Петри фибробласты линии 3T3 оставив между ними «рану» площадью около 69,3 процента. В ее цент поместили магниевый электрод, подключенный к сгибающемуся BioES-suture как источнику тока; в контрольной чашке электрод к источнику не подключали. Через 24 часа при активном воздействии наблюдалось выраженное ускорение миграции клеток, которые сократили площадь «раны» до 10,8 процента против 32,6 процента в отсутствие тока. Кроме того, при электростимуляции наблюдалось усиление экспрессии маркера пролиферации Ki67 и выделения факторов роста EGF, VEGF-A и TGF-β, а также замедление бактериального роста при инкубации с золотистым стафилококком и кишечной палочкой.

В ходе опытов in vivo крысам наносили кровоточащие разрезы мышц, после чего сшивали их BioES-suture, обычным рассасывающимся швом или не сшивали. Закрытие раны к 10 дню по сравнению с исходным уровнем в этих группах составило соответственно 96,5; 82,2 и 60,4 процента. При использовании активного материала в процессе заживления наблюдалось значительное усиление электромиографического сигнала от поврежденной мышцы. Гистологическое исследование тканей раны на 10 день показало, что в основной группе заживление происходит быстрее и с меньшим образованием рубцовой ткани, чем при использовании обычных швов, а в отсутствие швов наблюдаются выраженные признаки инфекции.

Иммуногистохимическое, иммунофлуоресцентное исследования и ПЦР в реальном времени показали, что при наложении BioES-suture увеличивается секреция EGF, TGF-β и VEGF-A, которые повышают активность сигнальных путей PI3K/Akt/mTOR и MAPK, отвечающих за миграцию и пролиферацию клеток и синтез внеклеточного матрикса. Также были выявлены усиление роста сосудов в ране и уменьшение воспалительной инфильтрации Т- и В-лимфоцитами (на 85,4 и 73,7 процента соответственно). В эксперименте с инфицированными ранами BioES-suture значительно снижал количество бактерий даже без ежедневной обработки и ускорял заживление по сравнению с обычными швами.

Таким образом, композитный состав шва позволяет ему проводить эффективную электростимуляцию за счет механических движений и биоабсорбироваться в оптимальные сроки, что открывает перспективы его применения для сшивания разных типов тканей, заключают авторы работы.

Ранее немецкие инженеры создали биоразлагаемые электроды на основе молибдена и биополимеров для проведения электрокардиостимуляции. Их американские коллеги разработали пьезоэлекрический генератор, который вырабатывает ток для кардиостимулятора от сокращений сердечной мышцы.