В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, ученые разработали биорассасывающийся шовный материал для электростимуляции (ЭС) (BioES-suture).
Хронические и острые хирургические раны часто встречаются в клинической практике. Полная герметизация открытой ткани имеет важное значение для заживления и минимизации осложнений, особенно для послеоперационных ран, вызванных хирургическим вмешательством или травмой. Шовные волокна исторически использовались для закрытия ран. Хотя синтетические рассасывающиеся швы вызывают минимальную реакцию тканей и являются биосовместимыми, они не ускоряют заживление ран.
Сообщается, что ЭС эффективен для лечения ран в нефармакологической терапии, поскольку он имитирует естественный механизм заживления эндогенного электрического поля. Он стимулирует выработку и прием факторов роста, способствует миграции ионов натрия и калия между тканями, направляет рост нейритов и вызывает пролиферацию и миграцию клеток.
Разработаны устройства ЭС, которые значительно ускоряют заживление ран. Однако эти устройства в основном используются для микротравм, восстановления нервов или костей и т. д. и не могут использоваться в местах, требующих наложения швов. Более того, устройства ЭС частично не разлагаются и не рассасываются в организме человека.
В настоящем исследовании ученые разработали BioES-suture, пассивное непрерывное биорассасывающееся механоэлектрическое волокно, в качестве шовного материала ЭС. Шовный материал может быть изготовлен с помощью непрерывного процесса; нановолокна поли(молочной-со-гликолевой кислоты) (PLGA) были скручены на поверхности магниевого нити-электрода, образуя предварительно собранное волокно сердцевины (Mg@PLGA).
Затем предварительно собранное волокно сердцевины извлекалось из расплава поликапролактона (PCL). PCL быстро охлаждался и оборачивался вокруг волокна сердцевины, чтобы получить шовный материал BioES. Слои PLGA и PCL представляли собой блок генерации энергии, в то время как магниевая нить была блоком сбора электрической энергии. Шовный материал BioES показал более высокую прочность на разрыв, чем коммерческие нерассасывающиеся и биорассасывающиеся шовные материалы.
Биосовместимость BioES-шовного материала оценивалась путем культивирования фибробластов в срезанных магниевых нитях, Mg@PLGA и BioES-шовном материале. Незастойная пролиферация и нормальное распространение фибробластов свидетельствовали о том, что BioES-шовный материал не токсичен и биосовместим. Затем группа измерила производительность генерации энергии шовного материала.
BioES-шовный материал использовался на искусственных мышечных волокнах и погружался в воду для генерации электричества посредством разности потенциалов разделения контактов между оболочкой PCL и слоями сердцевины PLGA. Его электрический выход мог питать ЖК-экран. Кроме того, исследователи сравнили электрический выход в воде и воздухе. Выходное напряжение было на 1,39 В выше в воде, чем в воздухе, и оставалось стабильным на разных частотах.
Затем команда проанализировала in vitro деградацию шовного материала BioES. Шовный материал и магниевый электрод инкубировали в фосфатно-солевом буфере (PBS) для деградации. Электрод и предварительно собранное волокно сердечника деградировали в течение 14 дней. Однако деградации шовного материала BioES не наблюдалось по истечении 24 недель.
Далее мускулатуру лапы крысы сшивали с помощью BioES-шва. Выходное напряжение во время обычных упражнений составляло 2,3 В, что сопоставимо со стимуляцией in vitro , что указывает на то, что BioES-шов может преобразовывать движения тела в стабильные электрические импульсы. Затем команда использовала BioES-шов на кровоточащих мышечных разрезах у крыс Sprague-Dawley. Две другие группы крыс включали группу с биорассасывающимся швом (био-шов) и группу без шва (контрольная).
Исследователи измерили электромиографические сигналы в трех группах и отметили значительно более высокую интенсивность сигнала в группе BioES-шов; интенсивность сигнала была схожей между группами bio-шов и контрольной группой. Кроме того, они провели окрашивание тканей ран гематоксилином-эозином и трихромом Массона. Группа BioES-шов показала улучшенную миграцию тканей, ускоренную регенерацию ран и почти полное заживление.
Отложение коллагена также было очевидно в группе BioES-шовного материала, что напоминает фазу ремоделирования нормального заживления ран. Кроме того, в группе BioES не было значительного фиброза в зажившей ткани. Частота закрытия ран составила 96,5% для группы BioES-шовного материала, 82,2% для группы bio-шовного материала и 60,4% для контрольной группы. Наконец, команда создала модель раневой инфекции у крыс и использовала обычные хирургические швы и BioES-шовный материал.
Раневые ткани были получены через неделю для подсчета бактерий и посева. Шовный материал BioES показал лучшие результаты заживления, чем обычные хирургические швы, значительно снизив количество бактерий в культуре. Более того, исследования антимикробных свойств показали, что группа с швами BioES имела относительно низкое количество бактерий (даже) без ежедневной дезинфекции ран по сравнению с крысами с обычными хирургическими швами и ежедневной дезинфекцией ран.
Вместе исследователи разработали BioES-шовный материал для ускоренного заживления ран путем преобразования движений тела в эффективный ES. Шовный материал демонстрирует сопоставимую прочность со стандартными коммерческими шовными материалами.
Эксперименты in vitro и in vivo показали, что шовный материал может генерировать эндогенное электрическое поле в месте раны для ЭС, стимулировать пролиферацию и миграцию клеток, а также снижать риск инфицирования.
В целом результаты исследования подчеркивают, что BioES-suture — это безопасный, современный, биоразлагаемый шовный материал, который можно применять в клинической практике.
