Các kỹ sư của MIT phát triển “Băng ống dẫn” trong phẫu thuật tương thích sinh học như một biện pháp thay thế cho chỉ khâu

Miếng dán dính có thể nhanh chóng được áp dụng để sửa chữa các vết rò rỉ và rách trong ruột.

Là một yếu tố quan trọng trên bàn làm việc của bất kỳ kỹ sư nào, băng keo là một biện pháp khắc phục nhanh chóng và đáng tin cậy cho các vết nứt và vết rách trong nhiều vật liệu kết cấu. Các kỹ sư của MIT hiện đã phát triển một loại băng keo phẫu thuật – một loại băng dính mạnh, linh hoạt và tương thích sinh học có thể được dán dễ dàng và nhanh chóng vào các mô và cơ quan sinh học để giúp bịt kín vết rách và vết thương.

Giống như băng keo, miếng dán mới dính ở một mặt và trơn ở mặt kia. Trong công thức hiện tại, chất kết dính được nhắm mục tiêu để bịt kín các khiếm khuyết trong đường tiêu hóa, mà các kỹ sư mô tả là hệ thống ống dẫn sinh học của chính cơ thể.

Trong nhiều thí nghiệm, nhóm nghiên cứu đã chỉ ra rằng miếng dán có thể nhanh chóng bị dính vào những vết rách và vết thủng lớn trong ruột kết, dạ dày và ruột của các mô hình động vật khác nhau. Chất kết dính liên kết chặt chẽ với các mô trong vòng vài giây và giữ được hơn một tháng. Nó cũng linh hoạt, có thể mở rộng và co lại với một cơ quan hoạt động khi nó lành lại. Sau khi vết thương được chữa lành hoàn toàn, miếng dán dần dần biến mất mà không gây viêm hoặc dính vào các mô xung quanh.

Nhóm nghiên cứu dự kiến một ngày nào đó miếng dán phẫu thuật có thể được dự trữ trong phòng mổ và được sử dụng như một biện pháp thay thế hoặc gia cố nhanh chóng và an toàn cho các vết khâu bằng tay để sửa chữa các vết rò rỉ và rách trong ruột và các mô sinh học khác.

Hyunwoo Yuk, một nhà khoa học nghiên cứu tại Khoa Cơ khí của MIT, cho biết: “Chúng tôi nghĩ rằng băng phẫu thuật này là một công nghệ cơ bản tốt để sản xuất thành một sản phẩm thực tế, có sẵn. “Các bác sĩ phẫu thuật có thể sử dụng nó vì họ sử dụng băng keo trong thế giới không phẫu thuật. Nó không cần bất kỳ bước chuẩn bị hoặc trước. Chỉ cần lấy nó ra, mở và sử dụng. ”

Yuk, đồng chủ trì và đồng tác giả của nghiên cứu, và các đồng nghiệp của ông đã công bố kết quả của họ vào ngày 2 tháng 2 năm 2022, trên tạp chí Science Translational Medicine. Các đồng tác giả khác bao gồm MIT postdoc và tác giả chính Jingjing Wu; giám sát dự án và đồng tác giả tương ứng Xuanhe Zhao, là giáo sư kỹ thuật cơ khí và kỹ thuật dân dụng và môi trường tại MIT; và các cộng tác viên đến từ Phòng khám Mayo và Trường Đại học Khoa học và Công nghệ Miền Nam.

Một bản năng tốt

Băng keo phẫu thuật mới được xây dựng dựa trên thiết kế băng keo hai mặt năm 2019 của nhóm. Sự lặp lại ban đầu đó bao gồm một lớp duy nhất dính ở cả hai mặt và được thiết kế để nối hai bề mặt ướt lại với nhau.

Chất kết dính được làm từ axit polyacrylic, một chất liệu thấm hút có trong tã, bắt đầu khô và hút ẩm khi tiếp xúc với bề mặt hoặc khăn giấy ướt, tạm thời dính vào khăn giấy trong quá trình này. Các nhà nghiên cứu đã trộn vào vật liệu NHS ester, các hợp chất hóa học có thể liên kết với protein trong mô để tạo thành liên kết bền chặt hơn. Cuối cùng, họ gia cố chất kết dính bằng gelatin hoặc chitosan – những thành phần tự nhiên giúp giữ hình dạng của băng dính.

Các nhà nghiên cứu nhận thấy băng keo hai mặt liên kết chặt chẽ các mô khác nhau với nhau. Nhưng khi tham khảo ý kiến của các bác sĩ phẫu thuật, họ nhận ra rằng phiên bản một mặt có thể tạo ra tác động thiết thực hơn.

Wu nói: “Trong các tình huống thực tế, việc dán hai mô lại với nhau là điều không phổ biến — các cơ quan cần phải tách biệt với nhau. “Một gợi ý là sử dụng phần tử dính này để sửa chữa những chỗ rò rỉ và khuyết tật trong ruột.”

Các bác sĩ phẫu thuật thường sửa chữa các vết rò rỉ và rách trong đường tiêu hóa bằng chỉ khâu phẫu thuật. Nhưng việc khâu các vết khâu đòi hỏi sự chính xác và được đào tạo, và sau khi phẫu thuật, các vết khâu có thể gây ra sẹo xung quanh vết thương. Các mô giữa các mũi khâu cũng có thể bị rách, gây ra các vết rò thứ phát dẫn đến nhiễm trùng huyết.

Wu nói: “Chúng tôi nghĩ, có thể chúng tôi có thể biến phần tử dính của mình thành một sản phẩm để sửa chữa rò rỉ ruột, tương tự như việc bịt kín đường ống bằng băng keo. “Điều đó đã đẩy chúng tôi đến một thứ giống như băng keo một mặt hơn”.

Cùng một băng, thủ thuật mới

Đầu tiên, các nhà nghiên cứu đã điều chỉnh công thức kết dính của họ, thay thế gelatin và chitosan bằng một hydrogel lâu dài hơn – trong trường hợp này là rượu polyvinyl. Sự hoán đổi này giữ cho chất kết dính ổn định về mặt vật lý trong hơn một tháng, đủ lâu để vết thương ruột điển hình lành lại. Họ cũng thêm một lớp trên cùng không dính thứ hai để giữ cho miếng dán không dính vào mô xung quanh. Lớp này được làm từ polyurethane phân hủy sinh học có độ căng và độ cứng giống như mô ruột tự nhiên.

Yuk nói: “Chúng tôi không muốn miếng dán yếu hơn mô vì nếu không nó sẽ có nguy cơ bị vỡ. “Chúng tôi cũng không muốn nó cứng hơn vì nó sẽ hạn chế chuyển động nhu động trong ruột cần thiết cho quá trình tiêu hóa”.

Trong các thử nghiệm ban đầu, miếng dán đã dính vào khăn giấy, nhưng nó cũng phồng lên, giống như tã giấy hydrogel ướt hoàn toàn. Vết sưng này kéo căng băng và vết rách bên dưới mà nó được dùng để bịt lại.

Yuk nói: “Đó gần như là một vấn đề bất khả thi vì hydrogel sẽ phồng lên một cách tự nhiên. “Nhưng chúng tôi đã làm một thủ thuật đơn giản: Chúng tôi làm căng lớp keo trước một chút, sau đó đưa lớp không dính vào, để khi được áp dụng cho khăn giấy, lớp băng dính trước sẽ loại bỏ vết sưng.”

Sau đó, nhóm nghiên cứu đã tiến hành các thí nghiệm để kiểm tra các đặc tính và hiệu suất của miếng dán. Khi miếng dán được đặt trong môi trường nuôi cấy có tế bào biểu mô của người, các tế bào tiếp tục phát triển, cho thấy miếng dán tương thích sinh học. Khi được cấy dưới da chuột, miếng dán sẽ phân hủy sinh học sau khoảng 12 tuần, không có tác dụng độc hại.

Các nhà nghiên cứu cũng dán miếng dán vào các khiếm khuyết trong ruột kết và dạ dày của động vật, và nhận thấy nó duy trì một liên kết bền chặt khi vết thương lành hoàn toàn. Nó cũng tạo ra sẹo và viêm tối thiểu so với việc sửa chữa được thực hiện bằng chỉ khâu thông thường.

Cuối cùng, nhóm nghiên cứu đã dán miếng dán lên các khuyết tật ruột kết ở lợn và quan sát thấy những con vật này tiếp tục bú bình thường, không bị sốt, hôn mê hoặc các ảnh hưởng xấu khác đến sức khỏe. Sau bốn tuần, các khuyết tật hoàn toàn lành lặn, không có dấu hiệu rò rỉ thứ cấp.

Tổng hợp lại, các thí nghiệm cho thấy miếng dán phẫu thuật có khả năng chữa lành vết thương đường tiêu hóa một cách an toàn và có thể được dán dễ dàng như băng keo thương mại. Yuk và Zhao đang phát triển thêm chất kết dính này thông qua một công ty khởi nghiệp mới và hy vọng sẽ được FDA chấp thuận để thử nghiệm miếng dán này trong các cơ sở y tế.

“Chúng tôi đang nghiên cứu một vấn đề cơ học cơ bản, sự kết dính, trong một môi trường cực kỳ thách thức, bên trong cơ thể. Zhao nói, có hàng triệu ca phẫu thuật trên toàn thế giới mỗi năm để sửa chữa các khiếm khuyết đường tiêu hóa và tỷ lệ rò rỉ lên đến 20% ở những bệnh nhân có nguy cơ cao. “Cuốn băng này có thể giải quyết vấn đề đó và có khả năng cứu sống hàng nghìn người.”

Tham khảo: “Miếng dán kết dính sinh học có sẵn để sửa chữa không khâu các khuyết tật đường tiêu hóa” của Jingjing Wu, Hyunwoo Yuk, Tiffany L. Sarrafian, Chuan Fei Guo, Leigh G. Griffiths, Christoph S. Nabzdyk và Xuanhe Zhao, ngày 2 tháng 2 năm 2022 , Science Translational Medicine .
DOI: 10.1126 / scitranslmed.abh2857

Công việc này được hỗ trợ bởi Trung tâm MIT Deshpande và Trung tâm Nghiên cứu và Giáo dục Kỹ thuật Cơ khí tại MIT, và SUSTech.

Theo Scitechdaily