Laseraktivierte Seidenversiegelungen übertreffen Nähte für die Gewebereparatur.

NIBIB-finanzierte Forscher haben laseraktivierte Nanomaterialien entwickelt, die sich mit verwundeten Geweben integrieren, um Dichtungen zu bilden, die den Nähten überlegen sind, um Körperflüssigkeiten aufzunehmen und bakterielle Infektionen zu verhindern.

Die Gewebereparatur nach Verletzungen oder während der Operation wird üblicherweise mit Nähten und Klammern durchgeführt, was zu Gewebeschäden und Komplikationen, einschließlich Infektionen, führen kann. Klebstoffe wurden entwickelt, um einige dieser Probleme zu lösen, können aber neue Probleme aufwerfen, wie z.B. Toxizität, schlechte Haftung und Hemmung der natürlichen Heilungsprozesse des Körpers, wie z.B. die Zellmigration in den Wundbereich.

Jetzt entwickeln Forscher, die von der NIBIB an der Arizona State University finanziert werden, eine neuartige Versiegelungstechnologie, die ein wenig nach Science Fiction-Laser-aktivierten Nanosealants (LANS) klingt.

„LANS verbessert die derzeitigen Methoden, da sie deutlich biokompatibler sind als Nähte oder Klammern“, erklärt Dr. David Rampulla, Direktor des NIBIBIB-Programms für Biomaterialien. „Erhöhte Biokompatibilität bedeutet, dass sie weniger wahrscheinlich als fremde, reizende Substanz angesehen werden, was die Wahrscheinlichkeit einer schädlichen Reaktion des Immunsystems reduziert.“

Biokompatibilität bedeutet jedoch nicht Einfachheit. Die Arizona-Gruppe hat diese Technologie entwickelt, indem sie die im Dichtungsmaterial enthaltenen Materialien sowie die spezifische Art des Laserlichts, das benötigt wird, um das Dichtungsmaterial zu aktivieren, sorgfältig ausgewählt und getestet hat, ohne durch Hitze verursachte Kollateralgewebsschäden zu verursachen.

Die Versiegelung besteht aus biokompatibler Seide, die mit winzigen Goldpartikeln, den Nanostäbchen, eingebettet ist. Der Laser erwärmt die goldenen Nanostäbchen, um die Seidenversiegelung zu aktivieren. Nach der Aktivierung hat das Seiden-Nanosalant besondere Eigenschaften, die es dazu veranlassen, sich sanft in die Gewebeproteine hineinzubewegen oder mit ihnen „interdigitieren“, um eine stabile Versiegelung zu bilden. Gold wurde verwendet, weil es nach der Lasererwärmung schnell abkühlt und so periphere Gewebeschäden durch längere Hitzeeinwirkung minimiert.

Es wurden zwei Arten von scheibenförmigen LANS entwickelt. Eine ist wasserabweisend für den Einsatz in flüssiger Umgebung, wie z.B. bei Operationen zur Entfernung eines Teils des krebsartigen Darms. Das Dichtungsmittel muss in einer flüssigen Umgebung eingesetzt werden, um die Enden des Darms wieder zu befestigen. Eine auslaufsichere Dichtung ist entscheidend, um sicherzustellen, dass Bakterien im Darm nicht in die Blutbahn gelangen, wo sie zu einer schweren Blutinfektion, der sogenannten Sepsis, führen können.

Die wasserdichten LANS wurden für die Reparatur von Schweinedarmproben getestet. Im Vergleich zu genähtem und verklebtem Darm zeigte der LANS bei Berstdrucktests, gemessen durch Pumpen von Flüssigkeit in den Darm, eine überlegene Stärke. Insbesondere war die Fähigkeit des LANS, Flüssigkeit unter Druck aufzunehmen, ähnlich dem unverletzten Darm und siebenmal stärker als Nahtmaterial. LANS verhinderte auch das Austreten von Bakterien aus dem reparierten Darm.

Die andere Art von LANS wird mit Wasser zu einer Paste vermischt, die auf oberflächliche Wunden auf der Haut aufgetragen werden kann. Dieser Typ wurde an der Reparatur einer Maushautwunde getestet und mit der genähten Haut und der mit einem Klebstoff reparierten Haut verglichen. Die LANS wurden zu einer Paste verarbeitet, auf die Haut geschnitten und mit dem Laser um die Ränder der Versiegelung herum aktiviert.

Zwei Tage nach der Anwendung führte das LANS zu einer signifikant erhöhten Hautfestigkeit im Vergleich zu Klebstoff oder Nähten. Darüber hinaus hatte die Haut weniger Neutrophilen und Zelltrümmern, was darauf hindeutet, dass es weniger Immunreaktionen auf das LANS gab.

„Unsere Ergebnisse zeigten, dass unsere Kombination von gewebeintegrierenden Nanomaterialien zusammen mit der reduzierten Wärmeintensität, die in diesem System benötigt wird, eine vielversprechende Technologie für den späteren Einsatz in allen Bereichen der Medizin und Chirurgie ist“, sagte Dr. Kaushal Rege, Professor für Chemieingenieurwesen am Staat Arizona und Senior Author der Studie. „Zusätzlich zur Feinabstimmung der photochemischen Bindungsparameter des Systems testen wir nun Formulierungen, die eine Wirkstoffbeladung und -freisetzung mit verschiedenen Medikamenten und mit unterschiedlichen Freisetzungsprofilen ermöglichen, die die Behandlung und Heilung optimieren.“

Mehr Informationen:
Russell Urie et al. Schnelle Approximation und Reparatur von Weichgewebe mit laseraktivierten Seiden-Nanosealants, Advanced Functional Materials (2018). DOI: 10.1002/adfm.20180287474

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