Новая паста может прилипать к поверхностям, даже если они залиты кровью, и может образовывать плотное прилегание в течение примерно 15 секунд после нанесения. По словам исследователей, такой клей может предложить гораздо более эффективный способ лечения травматических повреждений и помочь контролировать кровотечение во время операции.
«Мы решаем проблему адгезии в сложной среде, которой является влажная, динамичная среда человеческих тканей. В то же время мы пытаемся воплотить эти фундаментальные знания в реальных продуктах, которые могут спасти жизни », – говорит Сюань Хэ Чжао, профессор машиностроения, гражданского строительства и охраны окружающей среды Массачусетского технологического института и один из ведущих авторов исследования.
Кристоф Набздик, кардиолог-анестезиолог и врач интенсивной терапии в клинике Майо в Рочестере, штат Миннесота, также является старшим автором статьи, которая сегодня публикуется в журнале Nature Biomedical Engineering. Научный сотрудник Массачусетского технологического института Хену Юк и постдок Джинджин Ву – ведущие авторы исследования.
Природное вдохновение
По словам Чжао, поиск способов остановить кровотечение – давняя проблема, которая до сих пор не решена должным образом.
Швы обычно используются для зашивания ран, но наложение швов – это трудоемкий процесс, который обычно не могут выполнить лица, оказывающие первую помощь, в экстренной ситуации. Среди военнослужащих кровопотеря является ведущей причиной смерти после травматического повреждения, а среди населения в целом это вторая ведущая причина смерти после травматического повреждения.
В последние годы некоторые материалы, которые могут остановить кровотечение, также называемые кровоостанавливающими средствами, стали коммерчески доступными.
Многие из них состоят из пластырей, содержащих факторы свертывания, которые способствуют свертыванию крови самостоятельно. Однако им требуется несколько минут, чтобы сформировать уплотнение, и они не всегда действуют на раны, которые обильно кровоточат.
Лаборатория Чжао работает над решением этой проблемы в течение нескольких лет. В 2019 году его команда разработала двустороннюю тканевую ленту и показала, что ее можно использовать для закрытия хирургических разрезов. Эта лента, вдохновленная липким материалом, который пауки используют для захвата своей добычи во влажных условиях, включает заряженные полисахариды, которые могут почти мгновенно поглощать воду с поверхности, очищая небольшое сухое пятно, на которое может прилипать клей.
При создании нового тканевого клея исследователи снова черпали вдохновение из мира природы.
На этот раз они сосредоточили свое внимание на ракушке, небольшом ракообразном, который прикрепляется к камням, корпусам кораблей и даже к другим животным, таким как киты. Эти поверхности мокрые и часто грязные – условия, затрудняющие адгезию.
"Это привлекло наше внимание", – говорит Юк. «Это очень интересно, потому что для того, чтобы закрыть кровоточащие ткани, нужно бороться не только с влажностью, но и с загрязнением исходящей кровью. Мы обнаружили, что это существо, живущее в морской среде, делает то же самое, что и мы, чтобы справиться со сложными проблемами кровотечения."
Анализ клея ракушечника показал, что он имеет уникальный состав. Молекулы липких белков, которые помогают ракушкам прикрепляться к поверхности, взвешены в масле, которое отталкивает воду и любые загрязнения, обнаруженные на поверхности, позволяя адгезивным белкам прочно прикрепляться к поверхности.
Команда MIT решила попытаться имитировать этот клей, адаптировав клей, который они ранее разработали.
Этот липкий материал состоит из полимера под названием поли (акриловая кислота), залитого органическим соединением, называемым сложным эфиром NHS, которое обеспечивает адгезию, и хитозана, сахара, который укрепляет материал. Исследователи заморозили листы этого материала, измельчили его до микрочастиц, а затем суспендировали эти частицы в медицинском силиконовом масле.
Когда полученная паста наносится на влажную поверхность, такую как покрытая кровью ткань, масло отталкивает кровь и другие вещества, которые могут присутствовать, позволяя микрочастицам адгезива сшиваться и образовывать плотное уплотнение над раной.
В ходе испытаний на крысах исследователи показали, что в течение 15-30 секунд после нанесения клея при легком давлении клей схватывается и кровотечение останавливается.
По словам исследователей, одним из преимуществ этого нового материала над двусторонней лентой, разработанной исследователями в 2019 году, является то, что пасту можно формовать так, чтобы она соответствовала неправильным ранам, в то время как лента могла бы лучше подходить для закрытия хирургических разрезов или прикрепления медицинских устройств к тканям. «Формовочная паста может стекать в любую неправильную форму и запечатывать ее», – говорит Ву. "Это дает пользователям свободу адаптировать его к кровотечениям неправильной формы всех видов."
Лучший контроль кровотечения
В ходе испытаний на свиньях Набздик и его коллеги из клиники Мэйо обнаружили, что клей способен быстро останавливать кровотечение в печени и действует намного быстрее и эффективнее, чем коммерчески доступные кровоостанавливающие средства, с которыми они сравнивали его.
Это сработало даже, когда свиньям давали сильные разбавители крови (гепарин), чтобы кровь не образовывала спонтанно сгустки.
Их исследования показали, что уплотнение остается неповрежденным в течение нескольких недель, давая ткани ниже время для заживления, и что клей вызывает небольшое воспаление, подобное тому, которое вызывается применяемыми в настоящее время кровоостанавливающими средствами. Клей медленно рассасывается в организме в течение нескольких месяцев, и его также можно удалить раньше, применив раствор, который растворяет его, если хирурги должны вмешаться после первого применения для восстановления раны.
Теперь исследователи планируют испытать клей на более крупных ранах, которые, как они надеются, продемонстрируют, что клей будет полезен для лечения травматических повреждений.
Они также предполагают, что это может быть полезно во время хирургических процедур, которые часто требуют, чтобы хирурги тратили много времени на контроль кровотечения.
«Мы технически способны выполнять множество сложных операций, но мы не так быстро продвинулись в способности быстро контролировать особенно сильные кровотечения», – говорит Набздик.
Другое возможное применение – помочь остановить кровотечение, которое возникает у пациентов, в кровеносные сосуды которых вставлены пластиковые трубки, например, те, которые используются для артериальных или центральных венозных катетеров или для экстракорпоральной мембранной оксигенации (ЭКМО).
Во время ЭКМО машина используется для перекачивания крови пациента за пределы тела для ее насыщения кислородом. Он используется для лечения людей с глубокой сердечной или легочной недостаточностью.
Трубки часто остаются вставленными в течение недель или месяцев, и кровотечение в местах введения может привести к инфекции.