Die MIT-Ingenieure haben einen leistungsstarken, biokompatiblen Klebstoff entwickelt, der verletztes Gewebe versiegeln und Blutungen stoppen kann, inspiriert von der klebrigen Substanz, mit der Seepocken an Felsen kleben. Bildnachweis: Stockfotos
Ein neuer Klebstoff, der die klebrige Substanz nachahmt, mit der Seepocken an Felsen kleben, könnte eine bessere Möglichkeit zur Behandlung von Traumata bieten.
Inspiriert von der klebrigen Substanz, mit der Seepocken an Felsen kleben, haben die MIT-Ingenieure einen leistungsstarken biokompatiblen Klebstoff entwickelt, der verletztes Gewebe versiegeln und Blutungen stoppen kann.
Selbst wenn die Oberfläche mit Blut bedeckt ist, kann diese neue Paste auf der Oberfläche haften und innerhalb von etwa 15 Sekunden nach dem Auftragen eine dichte Versiegelung bilden. Forscher sagen, dass dieser Klebstoff eine effektivere Methode zur Behandlung von Traumata und zur Kontrolle von Blutungen während der Operation bieten kann.
„Wir lösen das Problem der Adhäsion in einer herausfordernden Umgebung, also der feuchten, dynamischen Umgebung des menschlichen Gewebes. Gleichzeitig versuchen wir, dieses Basiswissen in reale Produkte umzusetzen, die Leben retten können“, sagte Zhao Xuanhe vom MIT Machinery, Professor für Ingenieurwissenschaften und Bau- und Umweltingenieurwesen und einer der leitenden Autoren der Studie.
Christoph Nabzdyk ist Herzanästhesist und Intensivmediziner an der Mayo Clinic in Rochester, Minnesota, und leitender Autor des Artikels, der am 9. August 2021 in Nature Biomedical Engineering veröffentlicht wurde. MIT-Forscher Hyunwoo Yuk und Postdoktorand Jingjing Wu sind die Hauptautoren der Studie.
Forschungsgruppe: Hyunwoo Yuk, Jingjing Wu, Xuanhe Zhao (v.l.n.r.), halten eine blutstillende Salbe von Seepocken und Seepockengummi in den Händen. Credit: Vom Forscher bereitgestellt
Einen Weg zu finden, die Blutung zu stoppen, sei ein seit langem bestehendes Problem, das jedoch noch nicht vollständig gelöst sei, sagte Zhao. Nähte werden normalerweise zum Verschließen von Wunden verwendet, aber Nähte sind ein zeitaufwändiger Vorgang, den Ersthelfer im Notfall normalerweise nicht durchführen können. Bei Soldaten ist Blutverlust die häufigste Todesursache nach Traumata, während Blutverlust in der Allgemeinbevölkerung die zweithäufigste Todesursache nach Traumata ist.
In den letzten Jahren sind einige Materialien auf dem Markt, die Blutungen stoppen können, auch Hämostatika genannt. Viele davon bestehen aus Pflastern, die Gerinnungsfaktoren enthalten, die die Blutgerinnung selbst unterstützen. Diese benötigen jedoch mehrere Minuten, um eine Versiegelung zu bilden und wirken bei stark blutenden Wunden nicht immer.
Zhaos Labor hat sich seit vielen Jahren der Lösung dieses Problems verschrieben. 2019 entwickelte sein Team ein doppelseitiges Gewebeband und zeigte, dass sich damit chirurgische Schnitte verschließen lassen. Dieses Klebeband ist von dem klebrigen Material inspiriert, mit dem Spinnen unter feuchten Bedingungen Beute fangen. Es enthält geladene Polysaccharide, die fast sofort Wasser von der Oberfläche aufnehmen können und kleine trockene Flecken entfernen, an denen Klebstoff haften kann.
Für ihren neuen Gewebekleber haben sich die Forscher einmal mehr von der Natur inspirieren lassen. Dieses Mal konzentrierten sie ihre Aufmerksamkeit auf Seepocken, kleine Krebstiere, die an anderen Tieren wie Felsen, Bootsrümpfen und sogar Walen befestigt sind. Diese Oberflächen sind feucht und meist stark verschmutzt – diese Bedingungen erschweren die Haftung.
„Das hat unsere Aufmerksamkeit erregt“, sagte Yuk. „Das ist sehr interessant, denn um das blutende Gewebe zu versiegeln, muss man nicht nur mit der Feuchtigkeit, sondern auch mit der Verschmutzung des abfließenden Blutes umgehen. Wir haben festgestellt, dass diese Kreatur, die in der Meeresumwelt lebt, genau das tut, was wir tun müssen, um damit umzugehen. Komplexe Blutungsprobleme.“
Die Analyse von Seepockengummi durch Forscher zeigt, dass es eine einzigartige Zusammensetzung hat. Die klebrigen Proteinmoleküle, die dem Seepocken helfen, an der Oberfläche zu haften, werden in einer Art Öl suspendiert, das Wasser und alle auf der Oberfläche befindlichen Verunreinigungen abstoßen kann, so dass das klebrige Protein fest an der Oberfläche haftet.
Das MIT-Team beschloss, diesen Klebstoff nachzuahmen, indem es den zuvor entwickelten Klebstoff anpasste. Dieses viskose Material besteht aus einem Polymer namens Poly(acrylsäure), in das eine organische Verbindung namens NHS-Ester eingebettet ist, um die Haftung zu gewährleisten, während Chitosan ein Zucker ist, der das Material verstärkt. Forscher frieren Flocken dieses Materials ein, zermahlen sie zu Partikeln und suspendieren diese Partikel dann in medizinischem Silikonöl.
Wenn die resultierende Paste auf eine nasse Oberfläche aufgetragen wird (z. B. ein mit Blut bedecktes Gewebe), wird das Öl Blut und andere möglicherweise vorhandene Substanzen abstoßen, wodurch die viskosen Partikel vernetzen und die Wunde dicht abschließen. Die Tests der Forscher an Mäusen zeigten, dass sich der Kleber innerhalb von 15 bis 30 Sekunden nach dem Auftragen des Klebers durch sanften Druck verfestigte und aufhörte zu bluten.
Die Forscher sagten, dass ein Vorteil dieses neuen Materials im Vergleich zu dem von den Forschern im Jahr 2019 entwickelten doppelseitigen Klebeband darin besteht, dass die Paste an unregelmäßige Wunden angepasst werden kann und das Klebeband möglicherweise besser für Versiegelungsoperationen geeignet ist ein medizinisches Gerät am Gewebe befestigen. „Die formbare Paste kann in jede unregelmäßige Form und Dichtung fließen und sich anpassen“, sagte Wu. „Dadurch können sich die Benutzer frei an verschiedene unregelmäßig geformte blutende Wunden anpassen.“
In Tests an Schweinen fanden Nabzdyk und seine Kollegen an der Mayo Clinic heraus, dass dieser Klebstoff Blutungen schnell stoppen kann und dass er schneller und effektiver wirkt als das von ihnen verglichene handelsübliche Hämostatikum. Es kann sogar wirken, wenn Schweinen ein starker Blutverdünner (Heparin) verabreicht wird, damit das Blut nicht spontan Gerinnsel bildet.
Ihre Forschungen zeigen, dass die Versiegelung mehrere Wochen intakt bleibt, so dass das Gewebe von selbst heilen kann und der Kleber wenig Entzündungen verursacht, ähnlich der Entzündung, die durch die derzeit verwendeten blutstillenden Mittel verursacht wird. Der Kleber wird innerhalb weniger Monate langsam vom Körper aufgenommen. Wenn der Chirurg die Wunde nach der ersten Anwendung reparieren muss, kann sie auch vorher mit einer Lösung entfernt werden, die sie auflöst.
Die Forscher planen nun, den Kleber an größeren Wunden zu testen und hoffen, damit beweisen zu können, dass der Kleber zur Behandlung von Traumata eingesetzt werden kann. Sie stellten sich auch vor, dass es während einer Operation nützlich sein könnte, die normalerweise erfordert, dass der Chirurg viel Zeit auf die Kontrolle der Blutung aufwendet.
„Wir sind technisch in der Lage, viele komplexe Operationen durchzuführen, aber unsere Fähigkeit, besonders schwere Blutungen schnell zu kontrollieren, hat sich nicht wirklich verbessert“, sagte Nabzdyk.
Eine andere mögliche Anwendung besteht darin, Blutungen zu stoppen. Bei diesen Patienten werden Kunststoffschläuche in ihre Blutgefäße eingeführt, wie sie beispielsweise für arterielle oder zentrale Venenkatheter oder die extrakorporale Membranoxygenierung (ECMO) verwendet werden. Während der ECMO wird das Blut des Patienten mit einer Maschine aus dem Körper gepumpt, um es mit Sauerstoff anzureichern. Es wird zur Behandlung von Menschen mit schwerer Herz- oder Lungeninsuffizienz angewendet. Die Sonde wird normalerweise für mehrere Wochen oder Monate eingeführt, und Blutungen an der Einführstelle können eine Infektion verursachen.
Referenz: „Paste inspiriert von Seepockengummi für eine schnelle und gerinnungsunabhängige hämostatische Versiegelung“ Autoren: Hyunwoo Yuk, Jingjing Wu, Tiffany L. Sarrafian, Xinyu Mao, Claudia E. Varela, Ellen T. Roche, Leigh G. Griffiths, Christoph S Nabzdyk und Xuanhe Zhao, 9. August 2021, Nature Biomedical Engineering.DOI: 10.1038/s41551-021-00769-y
Die Forscher haben vom MIT Deshpande Center Gelder erhalten, um sie bei der Kommerzialisierung des Klebstoffs zu unterstützen, was sie nach weiteren präklinischen Studien an Tiermodellen erreichen wollen. Die Forschung wurde auch von den National Institutes of Health, der National Science Foundation und dem Office of Army Research über das Soldier Nanotechnology Institute des Massachusetts Institute of Technology und die Zoll Foundation finanziert.
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Postzeit: 09.09.2021