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Il nastro biadesivo per i tessuti potrebbe sostituire le suture chirurgiche
Gli ingegneri del MIT hanno ideato un adesivo a doppia faccia che può essere usato per sigillare i tessuti.
Immagine: Felice Frankel, Christine Daniloff, MIT
Il nuovo adesivo che lega le superfici bagnate in pochi secondi potrebbe essere usato per curare ferite o impiantare dispositivi medici.
Ispirati da una sostanza appiccicosa che i ragni usano per catturare le loro prede, gli ingegneri del MIT hanno progettato un nastro biadesivo in grado di sigillare rapidamente i tessuti insieme.
Nei test su ratti e tessuti di maiale, i ricercatori hanno dimostrato che il loro nuovo nastro può legare strettamente tessuti come polmoni e intestino in soli cinque secondi. Sperano che questo nastro possa eventualmente essere usato al posto delle suture chirurgiche, che non funzionano bene in tutti i tessuti e possono causare complicazioni in alcuni pazienti.
“Esistono oltre 230 milioni di interventi chirurgici importanti in tutto il mondo ogni anno e molti di essi richiedono suture per chiudere la ferita, che possono effettivamente causare stress ai tessuti e possono causare infezioni, dolore e cicatrici. Proponiamo un approccio fondamentalmente diverso alla sigillatura dei tessuti ”, afferma Xuanhe Zhao, professore associato di ingegneria meccanica e ingegneria civile e ambientale presso il MIT e autore senior dello studio.
Il nastro biadesivo può anche essere usato per attaccare dispositivi medici impiantabili ai tessuti, incluso il cuore, hanno dimostrato i ricercatori. Inoltre, funziona molto più velocemente delle colle per tessuti, che di solito impiegano diversi minuti per legarsi saldamente e possono gocciolare su altre parti del corpo.
I dottorandi Hyunwoo Yuk e Claudia Varela sono gli autori principali dello studio, che appare oggi in Nature . Altri autori sono lo studente laureato del MIT Xinyu Mao, il professore assistente di ingegneria meccanica del MIT Ellen Roche, il medico di terapia intensiva della Mayo Clinic Christoph Nabzdyk e il patologo Brigham e Women’s Hospital Robert Padera.
Un sigillo stretto
La formazione di un sigillo stretto tra i tessuti è considerata molto difficile perché l’acqua sulla superficie dei tessuti interferisce con l’adesione. Le colle di tessuto esistenti diffondono molecole adesive attraverso l’acqua tra due superfici di tessuto per legarle insieme, ma questo processo può richiedere diversi minuti o anche più.
Il team del MIT voleva trovare qualcosa che avrebbe funzionato molto più velocemente. Il gruppo di Zhao aveva precedentemente sviluppato altri nuovi adesivi, tra cui una supercolla di idrogel che fornisce un’adesione più dura rispetto ai materiali appiccicosi che si trovano in natura, come quelli che cozze e cirripedi usano per aggrapparsi a navi e rocce.
Per creare un nastro biadesivo che potesse unire rapidamente due superfici bagnate insieme, il team ha tratto ispirazione dal mondo naturale, in particolare il materiale appiccicoso che i ragni usano per catturare le loro prede in condizioni di bagnato. Questa colla di ragno include polisaccaridi carichi che possono assorbire l’acqua dalla superficie di un insetto quasi istantaneamente, eliminando una piccola macchia asciutta a cui la colla può aderire.
Per imitare questo con un adesivo ingegnerizzato, i ricercatori hanno progettato un materiale che prima assorbe l’acqua dai tessuti bagnati e quindi lega rapidamente due tessuti insieme. Per l’assorbimento dell’acqua, hanno usato l’acido poliacrilico, un materiale molto assorbente utilizzato nei pannolini. Non appena viene applicato il nastro, aspira acqua, permettendo all’acido poliacrilico di formare rapidamente deboli legami idrogeno con entrambi i tessuti.
Questi legami idrogeno e altre interazioni deboli mantengono temporaneamente in posizione il nastro e i tessuti mentre i gruppi chimici chiamati esteri NHS, che i ricercatori hanno incorporato nell’acido poliacrilico, formano legami molto più forti, chiamati legami covalenti, con proteine nel tessuto. Questa operazione richiede circa cinque secondi.
Per rendere il loro nastro abbastanza resistente da durare all’interno del corpo, i ricercatori hanno incorporato gelatina o chitosano (un polisaccaride duro trovato nei gusci di insetto). Questi polimeri consentono all’adesivo di mantenere la sua forma per lunghi periodi di tempo. A seconda dell’applicazione per cui viene utilizzato il nastro, i ricercatori possono controllare la velocità con cui si rompe all’interno del corpo variando gli ingredienti che vi entrano. La gelatina tende a degradarsi nel giro di pochi giorni o settimane nel corpo umano, mentre il chitosano può durare più a lungo (un mese o addirittura fino a un anno).
“Combinando due concetti innovativi, il team di ricerca è riuscito ad aderire rapidamente ed efficacemente alla superficie bagnata e morbida di un tessuto e a mantenere una buona adesione e proprietà meccaniche per diversi giorni senza causare troppa risposta infiammatoria”, afferma Costantino Creton, una ricerca direttore dell’ESPCI di Parigi, che non era coinvolto nella ricerca.
Guarigione rapida
Questo tipo di adesivo potrebbe avere un impatto notevole sulla capacità dei chirurghi di sigillare le incisioni e curare le ferite, afferma Yuk. Per esplorare le possibili applicazioni del nuovo nastro biadesivo, i ricercatori lo hanno testato su alcuni diversi tipi di tessuto di maiale, tra cui pelle, intestino tenue, stomaco e fegato. Hanno anche eseguito test nei polmoni di maiale e nella trachea, dimostrando che potevano riparare rapidamente i danni a quegli organi.
“È molto difficile suturare tessuti morbidi o fragili come il polmone e la trachea, ma con il nostro nastro biadesivo, in cinque secondi possiamo facilmente sigillarli”, afferma Yuk.
Il nastro ha anche funzionato bene per sigillare i danni al tratto gastrointestinale, che potrebbe essere molto utile nel prevenire perdite che a volte si verificano dopo un intervento chirurgico. Questa perdita può causare sepsi e altre complicanze potenzialmente fatali.
“Prevedo un enorme potenziale traslazionale di questo elegante approccio in varie pratiche cliniche, nonché in applicazioni di ingegneria di base, in particolare in situazioni in cui le operazioni chirurgiche, come la sutura, non sono semplici”, afferma Yu Shrike Zhang, assistente professore di medicina presso Harvard Medical School, che non è stato coinvolto nella ricerca.
L’impianto di dispositivi medici all’interno del corpo è un’altra applicazione che il team del MIT sta esplorando. Lavorando con il laboratorio di Roche, i ricercatori hanno dimostrato che il nastro potrebbe essere utilizzato per fissare saldamente una piccola toppa di poliuretano ai cuori dei topi viventi, che hanno le dimensioni di una miniatura. Normalmente questo tipo di procedura è estremamente complicata e richiede un chirurgo esperto per eseguire, ma il team di ricerca è stato in grado di attaccare semplicemente il cerotto con il nastro premendo per alcuni secondi, ed è rimasto in posizione per diversi giorni.
Oltre al cerotto a cuore in poliuretano, i ricercatori hanno scoperto che il nastro poteva attaccare con successo materiali come gomma siliconica, titanio e idrogel ai tessuti.
“Ciò fornisce un modo più elegante, più semplice e universalmente applicabile di introdurre un monitor impiantabile o un dispositivo di rilascio di farmaci, perché possiamo aderire a molti siti diversi senza causare danni o complicazioni secondarie da perforazione del tessuto per apporre i dispositivi”, afferma Yuk .
I ricercatori stanno ora lavorando con i medici per identificare ulteriori applicazioni per questo tipo di adesivo e per eseguire più test su modelli animali.
Hanno dimostrato che il nastro potrebbe essere usato per sigillare lacerazioni e lacerazioni nei polmoni e nell’intestino in pochi secondi o per fissare impianti e altri dispositivi medici sulla superficie di organi come il cuore.
Ora hanno ulteriormente sviluppato il loro adesivo in modo che possa essere rimosso dal tessuto sottostante senza causare danni. Applicando una soluzione liquida, la nuova versione può essere rimossa come un gel scivoloso nel caso in cui debba essere regolata durante l’intervento chirurgico, ad esempio, o rimossa una volta che il tessuto è guarito.
“Questo è come un indolore cerotto per organi interni”, afferma Xuanhe Zhao, professore di ingegneria meccanica e ingegneria civile e ambientale presso il MIT. “Metti l’adesivo e se per qualsiasi motivo vuoi toglierlo, puoi farlo su richiesta, senza dolore.”
Il nuovo design del team è dettagliato in un documento pubblicato oggi negli Atti della National Academy of Sciences . I coautori di Zhao sono i primi autori Xiaoyu Chen e Hyunwoo Yuk insieme a Jingjing Wu al MIT e Christoph Nabzdyk alla Mayo Clinic Rochester.
Obbligazioni infrangibili
Nel considerare i progetti per il loro adesivo originale, i ricercatori hanno rapidamente capito che è estremamente difficile che il nastro adesivo si attacchi alle superfici bagnate, poiché il sottile strato di acqua lubrifica e impedisce alla maggior parte degli adesivi di prendere presa.
Per aggirare la naturale scivolosità di un tessuto, il team ha progettato il loro adesivo originale con polimeri biocompatibili tra cui acido poliacrilico, un materiale altamente assorbente comunemente usato in pannolini e prodotti farmaceutici, che assorbe l’acqua, quindi forma rapidamente deboli legami idrogeno con la superficie del tessuto. Per rafforzare questi legami, i ricercatori hanno incorporato il materiale con esteri di NHS, gruppi chimici che formano legami più forti e più duraturi con le proteine sulla superficie di un tessuto.
Mentre questi legami chimici conferivano al nastro un’impugnatura ultrastrong, erano anche difficili da rompere e il team ha scoperto che staccare il nastro dal tessuto era un compito disordinato e potenzialmente dannoso.
“La rimozione del nastro potrebbe potenzialmente creare più di una risposta infiammatoria nei tessuti e prolungare la guarigione”, afferma Yuk. “È un vero problema pratico.”
Scotch tape per chirurghi
Per rendere l’adesivo staccabile, il team ha prima modificato l’adesivo stesso. Al materiale originale, hanno aggiunto una nuova molecola di linker disolfuro, che può essere posizionata tra i legami covalenti con le proteine di superficie di un tessuto. Il team ha scelto di sintetizzare questa particolare molecola perché i suoi legami, sebbene forti, possono essere facilmente recisi se esposti a un particolare agente riducente.
I ricercatori hanno quindi esaminato la letteratura per identificare un agente riducente adatto che fosse sia biocompatibile che in grado di recidere i legami necessari all’interno dell’adesivo. Hanno scoperto che il glutatione, un antiossidante naturalmente presente nella maggior parte delle cellule, è stato in grado di rompere legami covalenti di lunga durata come il disolfuro, mentre il bicarbonato di sodio, noto anche come bicarbonato di sodio, potrebbe disattivare i legami idrogeno di breve durata dell’adesivo.
Il team ha unito le concentrazioni di glutatione e bicarbonato di sodio in una soluzione salina e ha spruzzato la soluzione su campioni di adesivo che hanno posizionato su vari campioni di organi e tessuti, tra cui cuore di maiale, polmone e intestino. In tutti i loro test, indipendentemente da quanto tempo è stato applicato l’adesivo sul tessuto, i ricercatori hanno scoperto che, una volta spruzzata la soluzione di innesco sul nastro, sono stati in grado di staccare il nastro dal tessuto in circa cinque minuti, senza causando danni ai tessuti.
“Questo è il tempo impiegato dalla soluzione per diffondersi attraverso il nastro fino alla superficie in cui il nastro incontra il tessuto”, afferma Chen. “A quel punto, la soluzione converte questo adesivo estremamente appiccicoso in solo uno strato di gel scivoloso che puoi facilmente staccare.”
I ricercatori hanno anche fabbricato una versione dell’adesivo che hanno inciso con piccoli canali attraverso i quali la soluzione può anche diffondersi. Questo design dovrebbe essere particolarmente utile se il nastro fosse utilizzato per fissare impianti e altri dispositivi medici. In questo caso, la soluzione di spruzzatura sulla superficie del nastro non sarebbe un’opzione. Invece, un chirurgo potrebbe applicare la soluzione attorno ai bordi del nastro, dove potrebbe diffondersi attraverso i canali dell’adesivo.
“La nostra speranza è che un giorno, le sale operatorie possano avere distributori di questi adesivi, insieme a flaconi di soluzione di innesco”, afferma Yuk. “I chirurghi possono usarlo come nastro adesivo scozzese, applicandolo, staccandolo e riapplicandolo su richiesta.”
Il team sta lavorando con Nabzdyk e altri chirurghi per vedere se il nuovo adesivo può aiutare a riparare condizioni come emorragie e intestino che perde.
“Il nostro obiettivo è quello di utilizzare le tecnologie bioadesive per sostituire le suture, che è una tecnologia di chiusura delle ferite millenaria senza troppa innovazione”, afferma Zhao. “Ora pensiamo di avere un modo per fare la prossima innovazione per la chiusura della ferita”.
Questa ricerca è stata finanziata, in parte, dalla National Science Foundation e dal Deshpande Center per l’innovazione tecnologica del MIT.
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