Исследователи из Массачусетского технологического института разработали тканевый клей для 3D-печати, который демонстрирует превосходную адгезию к тканям, возможность быстрой герметизации в различных хирургических сценариях и уникальные кровоотталкивающие свойства. Эта технология имеет огромный потенциал для революции в области ухода за ранами и применения биомедицинских устройств.
Исследование опубликовано в журнале Nature Communications .
Тканевые клеи представляют собой альтернативу традиционным методам закрытия ран, таким как наложение швов и скоб, предлагая такие преимущества, как уменьшение травматизации тканей, более быстрое нанесение и потенциально минимизация рубцов.
Несмотря на эффективность традиционных клеев, их трудоемкое, требующее навыков применение и дискомфорт пациента побудили к поиску инновационных решений.
Например, они могут быть менее эффективными при герметизации тканей неправильной формы или очень подвижных. Кроме того, применение традиционных клеев может быть трудоемким, что приводит к увеличению времени хирургического вмешательства. Кроме того, эти методы могут вызвать повреждение тканей , а сами материалы не всегда могут легко интегрироваться в тело.
Инновации в тканевых клеях направлены на преодоление этих недостатков путем предоставления более универсальных, эффективных и удобных для пациентов решений. Разработка тканевых клеев для 3D-печати, как продемонстрировали исследования Массачусетского технологического института, открывает новое измерение в закрытии ран и восстановлении тканей.
Medical Xpress поговорил с первым автором исследования Сарой Ву, доктором философии. кандидат кафедры машиностроения Массачусетского технологического института, работающий под руководством профессора Сюаньхэ Чжао. Она сказала: «Наша исследовательская группа была заинтересована в разработке тканевых клеящих материалов из-за их способности атравматично запечатывать и заживлять раны.
«Как инженер-механик , я также был очарован 3D-печатью и производственной универсальностью, которую она обеспечивает. Размышления о возможностях, которые может открыть тканевый клей для 3D-печати, таких как индивидуальные пластыри и мягкие биоинтегрированные устройства, побудили нас исследовать новые материальные решения».
Компоненты и изготовление тканевого клея
«Наши исследования были сосредоточены на разработке тканевого клея для 3D-печати, способного создавать индивидуальные запечатывающие пластыри и устройства», — сказал Ву.
Исследователи разработали клейкие чернила для тканей, содержащие полиакриловую кислоту, привитую к полиуретану. Этот уникальный состав имеет решающее значение для обеспечения прочной адгезии к тканям, а особые химические функциональные группы отвечают за формирование надежной связи с биологическими тканями.
Чтобы улучшить его функциональность, команда включила в адгезивную структуру кровоотталкивающую гидрофобную матрицу. Матрица действует как защитный барьер, имеющий решающее значение для предотвращения прямого контакта с жидкостями организма и поддержания целостности клея, особенно в сложных условиях, например, в кровоточащих тканях.
Сложный процесс начинается с точности: чернила, клейкие для ткани, печатаются в 3D на предметном стекле с гидрофобным покрытием, создавая узор с круглыми пустотами для электродов. Это покрытие играет решающую роль в обеспечении эффективности клея, особенно в присутствии телесных жидкостей.
Затем поверх клеевого слоя наносится изоляционный слой на основе полиуретана. Этот изоляционный слой повышает функциональность и стабильность клея во время нанесения.
После этого исследователи использовали серебряные проводящие чернила для 3D-печати электродов и схем на конструкции. Этот шаг демонстрирует многофункциональность клея, позволяя потенциально интегрировать электронные компоненты, если это необходимо для конкретных применений.
Исследователи также добавили в схему светодиоды, используя небольшое количество серебряных чернил. Это дополнение наглядно демонстрирует универсальность клея, предполагая его потенциальное применение в биоинтегрированных устройствах.
Изготовленный биоэлектронный пластырь затем прикрепляют к сердцу свиньи ex vivo, а источник питания используется для пропускания тока через ткань, подтверждая свечение светодиодов и подчеркивая биоэлектронные возможности клея.
С систематической точностью исследователи применили изготовленные пластыри к различным дефектам тканей, подвергнув их ряду тестов. К ним относятся определение характеристик адгезии, реологические и механические оценки, а также исследования биосовместимости, проведенные в ходе серии экспериментов in vivo на крысах.
Крупный план клея для 3D-печати, который демонстрирует огромную универсальность и предлагает многообещающие применения в уходе за ранами и в биомедицинских устройствах. Кредиты: Хёну Юк.
Уникальная особенность: Кровоотталкивающий настой.
Тканевый клей для 3D-печати продемонстрировал заметное превосходство в эффективности адгезии тканей по сравнению с существующими коммерческими продуктами. Это достижение подчеркивается его способностью быстро запечатывать ткани в различных хирургических сценариях.
В ходе исследования произошел неожиданный прорыв — появилась возможность пропитать клей кровоотталкивающей жидкостью.
«Возможность пропитать пористую структуру нашего печатного клея кровоотталкивающей жидкостью позволила прикрепить его даже к сильно кровоточащим тканям. Большинство тканевых клеящих материалов обычно не работают в средах с кровью, что затрудняет достижение гемостаза», — объяснил Ву.
Использование защитной гидрофобной матрицы еще больше повысило функциональность клея, создав барьер, защищающий его от телесных жидкостей, что имеет решающее значение для сохранения его целостности, особенно при сложных сценариях кровотечения.
Кровоотталкивающая добавка, являющаяся преобразующей особенностью, ставит их тканевый клей для 3D-печати на передний план биомедицинских материалов. Он решает общие проблемы, с которыми сталкиваются существующие клеи в средах со значительным кровотоком, открывая двери для разнообразных применений, от закрытия ран до потенциальных биоинтегрированных устройств.
Биоадгезивные тканевые пластыри, напечатанные на 3D-принтере, продемонстрировали невероятную прочность и прочность на различных тканях. Механические испытания продемонстрировали их устойчивость к силам сдвига, разрывному давлению и растягивающим нагрузкам, что указывает на пригодность в различных физиологических средах.
Исследования биосовместимости подтвердили их безопасность при минимальной наблюдаемой цитотоксичности, а модели in vivo, включая восстановление трахеи, толстой кишки, печени и бедренной артерии, демонстрируют успешную адгезию и интеграцию в окружающие ткани.
МикроКТ-визуализация позволила получить количественную информацию о регенерации тканей после операции, установив надежность и эффективность этих пластырей.
Устройства, взаимодействующие с тканями, и решения для восстановления тканей
Возможности тканевого клея для 3D-печати могут не только произвести революцию в закрытии ран, но и указать на его широкое применение в различных устройствах, взаимодействующих с тканями.
Ву пояснил: «Благодаря универсальным производственным возможностям наш клей для 3D-печати можно использовать в ряде биомедицинских устройств, включая датчики и системы доставки лекарств.
«Например, он может повысить стабильность биоинтегрированных датчиков, обеспечивая надежный интерфейс для передачи сигналов. Точно так же он может облегчить локализованную доставку лекарств в ткани».
Исследователи надеются в будущем сосредоточиться на разработке устройств, взаимодействующих с мягкими тканями, в которых клей станет ключевым компонентом.
«Использование возможностей 3D-печати нашего материала открывает захватывающие возможности для создания пластырей с тканеспецифичными свойствами, открывая путь к более персонализированным решениям по восстановлению тканей», — заключил Ву.
