Maty i szkielety z nanowłókien od lat są przedmiotem badań w biomedycynie. Wytwarzane powszechnie za pomocą metody elektroprzędzenia, wymagają zastosowania wysokich napięć i materiałów dobrze przewodzących prąd. Naukowcy z University of Maryland oraz Children’s National Medical Center Washington w Stanach Zjednoczonych zmienili dotychczasowe podejście i wyprodukowali tkaniny z nanowłókien PLGA za pomocą aerografu. Bezpośrednie rozpylanie biodegradowalnego, polimerowego, lepkiego materiału na tkanki może zastąpić konwencjonalne szwy lub być ich uzupełnieniem. Maty z PLGA mają uszczelniać rany, pokryć nacięcia chirurgiczne oraz przyspieszyć proces gojenia.
Polimerowe nanowłókna wykazują ogromny potencjał nie tylko jako materiały chirurgiczne scalające tkanki, ale także jako biodegradowalne implanty uwalniające leki oraz jako rusztowania w inżynierii tkankowej. Jednak metoda elektroprzędzenia, która pozwala uzyskać nanowłókna ze stopionych polimerów lub z ich roztworów mogłaby uszkodzić, a nawet zniszczyć żywe komórki organizmu. Opatrunki tego typu można by było umieścić w ciele dopiero po ich uprzednim uformowaniu. Sprawą zainteresowali się badacze z USA, którzy opracowali efektywną, bezpieczną dla pacjenta technikę bezpośredniego pokrywania tkanek za pomocą nanowłókien PLGA. Technologia ułatwiająca aplikację została szczegółowo opisana w marcu 2014 roku w czasopiśmie ACS Macro Letters.
Inżynierowie z Maryland, współpracujący z amerykańską Agencją Żywności i Leków (z ang. Food and Drug Administration, FDA) od kilku lat opracowywali innowacyjne kleje chirurgicznych do uszczelniania naczyń krwionośnych i jelit. Tym razem wykorzystali zatwierdzony przez FDA, biodegradowalny kopolimer kwasu mlekowego i glikolowego (z ang. poly lactic-co-glycolic acid, PLGA). Zdaniem naukowców, może on zapobiegać groźnym wyciekom i krwawieniom okołooperacyjnym, które wymagają późniejszych, dodatkowych zabiegów korygujących. Należy podkreślić, że biodegradowalny i biozgodny polimer rozkłada się na drodze hydrolizy wiązań estrowych w obecności wody. Powstałe produkty – kwas mlekowy i kwas glikolowy wytwarzane są także na skutek procesów metabolicznych w ciele. Ponieważ monomery te znajdują się w organizmach w normalnych warunkach fizjologicznych, ich toksyczność dla pacjenta jest minimalna. Dodatkowo, istnieje możliwość dostosowania długości czasu degradacji poprzez zmianę proporcji składników podczas syntezy PLGA.
Zespół do aplikacji PLGA zmodyfikował metodę powszechnie stosowaną do nakładania farby o nazwie airbrushing. Badacze kupili aerograf – “pistolet” pozwalający na precyzyjne wykonanie prac z zastosowaniem techniki delikatnego rozprysku farby na podłożu. Ręczne narzędzie niewielkich rozmiarów, służy do malowania metodą rozpylania farby przez strumień powietrza. Ślad farby charakteryzuje się równomiernym kryciem z rozmytymi brzegami. Służy ono zarówno do malowania powierzchni płaskich, jak i przedmiotów o skomplikowanych kształtach. Badacze musieli odpowiednio dostosować materiał wejściowy, aby uzyskać pożądane pokrycie na tkankach. Dobierając odpowiedni ciężar cząsteczkowy PLGA oraz stężenie acetonu (rozpuszczalnika) kontrolowali średnicę uzyskanych włókien. W rezultacie uczeni uzyskali twory o średnicach 474±262 nanometrów (mediana wyniosła 377 nm).
Na sprężony gaz pędny wybrano CO2 (dwutlenek węgla), ponieważ rozpuszcza się we krwi. Dzięki temu prawdopodobieństwo wytworzenia zatoru powietrznego, czyli zatrzymania krążenia krwi, spowodowanego obecnością pęcherzyków mieszaniny oddechowej lub powietrza w naczyniach krwionośnych było znacznie mniejsze. Badania eksperymentalne zostały przeprowadzone na świni. Matami z nanowłókien uszczelniono przeponę, nacięcia na płucach, jelitach i wątrobie (każdy zabieg trwał krócej niż 1 minuta). Aceton nie stwarzał problemów związanych z toksycznością, gdyż zdążył odparować, przed osadzaniem nanowłókien na tkankach. Komórki pokryte PLGA nie wykazywały żadnych zmian degeneracyjnych w ciągu 24 godzin po operacji. Testy laboratoryjne potwierdziły całkowite rozpuszczenie łat z nanowłókien po 42 dniach.
Badacze są zdania, że wykorzystanie aerografu do bezpośredniego tworzenia biomateriałów na tkankach ma potencjał w wielu dziedzinach medycyny. Obecnie zespół pracuje nad poprawą bezpieczeństwa (aceton jest łatwopalny i może być drażniący) oraz właściwym doborem proporcji i grup materiałów. Proces napylania mat z nanowłókien można zobaczyć TUTAJ.
Źródło:
[1] In Situ Deposition of PLGA Nanofibers via Solution Blow Spinning. Adam M. Behrens, Brendan J. Casey, Michael J. Sikorski, Kyle L. Wu, Wojtek Tutak, Anthony D. Sandler, and Peter Kofinas. ACS Macro Letters 2014 3 (3), 249-254
[2] http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/mz500049x [24.03.2014]
[3] http://pubs.acs.org/doi/suppl/10.1021/mz500049x/suppl_file/mz500049x_si_001.pdf [24.03.2014]
[4] http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/mz500049x [24.03.2014]
[5] http://en.wikipedia.org/wiki/PLGA [24.03.2014]
[5] Making a mess :) by Suedehead, flickr.com, CC BY-SA 2.0