Veel operaties worden tegenwoordig uitgevoerd via minimaal invasieve procedures, waarbij een kleine incisie wordt gemaakt en miniatuurcamera's en chirurgische instrumenten door het lichaam worden geregen om tumoren te verwijderen en beschadigde weefsels en organen te herstellen. Het proces resulteert in minder pijn en kortere hersteltijden in vergelijking met open chirurgie.

Hoewel veel procedures op deze manier kunnen worden uitgevoerd, kunnen chirurgen voor uitdagingen komen te staan ​​bij een belangrijke stap in het proces: het verzegelen van interne wonden en tranen.

Geïnspireerd door origami hebben MIT-ingenieurs nu een medische pleister ontworpen die rond minimaal invasieve chirurgische instrumenten kan worden gevouwen en via de luchtwegen, darmen en andere nauwe ruimtes kan worden afgeleverd om inwendige verwondingen op te lossen. De pleister lijkt in droge toestand op een opvouwbare, papierachtige film. Zodra het contact maakt met natte weefsels of organen, verandert het in een rekbare gel, vergelijkbaar met een contactlens, en kan het aan een gewonde plek blijven plakken.

In tegenstelling tot bestaande chirurgische lijmen, is de nieuwe tape van het team ontworpen om vervuiling te weerstaan ​​bij blootstelling aan bacteriën en lichaamsvloeistoffen. Na verloop van tijd kan de pleister veilig biologisch worden afgebroken. Het team heeft zijn resultaten in het tijdschrift gepubliceerd Geavanceerde materialen.

De onderzoekers werken samen met clinici en chirurgen om het ontwerp voor chirurgisch gebruik te optimaliseren, en zij stellen zich voor dat de nieuwe bioadhesieve lijm kan worden afgeleverd via minimaal invasieve chirurgische instrumenten, die door een chirurg rechtstreeks of op afstand via een medische robot worden bediend.

“Minimaal invasieve chirurgie en robotchirurgie worden steeds vaker toegepast, omdat ze trauma verminderen en het herstel versnellen gerelateerd aan open chirurgie. Het afdichten van inwendige wonden is echter een uitdaging bij deze operaties ”, zegt Xuanhe Zhao, hoogleraar werktuigbouwkunde en civiele techniek en milieutechniek aan het MIT.

"Deze patch-technologie omvat vele gebieden", voegt co-auteur Christoph Nabzdyk toe, een hartanesthesist en intensive care arts bij de Mayo Clinic in Rochester, Minnesota. “Dit kan worden gebruikt om een ​​perforatie te herstellen na een coloscopie, of om vaste organen of bloedvaten af ​​te dichten na een trauma of electieve chirurgische ingreep. In plaats van een volledig open chirurgische aanpak te moeten uitvoeren, zou je van binnenuit een pleister kunnen plaatsen om een ​​wond op zijn minst tijdelijk en misschien zelfs langdurig te verzegelen. "

De co-auteurs van het onderzoek zijn onder meer hoofdauteurs Sarah Wu en Hyunwoo Yuk, en Jingjing Wu van MIT.

Gelaagde bescherming

De bioadhesieven die momenteel worden gebruikt bij minimaal invasieve operaties, zijn meestal verkrijgbaar als biologisch afbreekbare vloeistoffen en lijmen die over beschadigd weefsel kunnen worden verspreid. Wanneer deze lijmen echter stollen, kunnen ze verstijven over het zachtere onderliggende oppervlak, waardoor een onvolmaakte afdichting ontstaat. Bloed en andere biologische vloeistoffen kunnen ook lijmen verontreinigen, waardoor een succesvolle hechting aan de gewonde plek wordt verhinderd. Lijmen kunnen ook worden weggespoeld voordat een blessure volledig is genezen, en na het aanbrengen kunnen ze ook ontstekingen en littekenweefselvorming veroorzaken.

Gezien de beperkingen van de huidige ontwerpen, wilde het team een ​​alternatief ontwikkelen dat aan drie functionele vereisten zou voldoen. Het moet in staat zijn om aan het natte oppervlak van een gewonde plek te blijven plakken, te voorkomen dat het ergens aan vast blijft zitten voordat het zijn bestemming bereikt, en eenmaal aangebracht op een gewonde plek moet het bestand zijn tegen bacteriële besmetting en overmatige ontsteking.

Het ontwerp van het team voldoet aan alle drie de vereisten, in de vorm van een drielagige patch. De middelste laag is de belangrijkste biologische kleefstof, gemaakt van een hydrogelmateriaal dat is ingebed met verbindingen die NHS-esters worden genoemd. Wanneer het in contact komt met een nat oppervlak, absorbeert de lijm het omringende water en wordt het buigzaam en rekbaar en vormt het zich naar de contouren van een tissue. Tegelijkertijd vormen de esters in de lijm sterke covalente bindingen met verbindingen op het weefseloppervlak, waardoor een goede afdichting tussen de twee materialen ontstaat. Het ontwerp van deze middelste laag is gebaseerd op eerder werk in de groep van Zhao.

Het team plaatste de lijm vervolgens in twee lagen, elk met een ander beschermend effect. De onderste laag is gemaakt van een materiaal dat is gecoat met siliconenolie, dat de lijm tijdelijk smeert, waardoor het niet aan andere oppervlakken blijft kleven terwijl het door het lichaam reist. Wanneer de lijm zijn bestemming bereikt en licht tegen een beschadigd weefsel wordt gedrukt, wordt de siliconenolie eruit geperst, waardoor de lijm aan het weefsel kan binden. 

De toplaag van de kleefstof bestaat uit een elastomeerfilm die is ingebed met zwitterionische polymeren, of moleculaire ketens gemaakt van zowel positieve als negatieve ionen die omringende watermoleculen naar het oppervlak van het elastomeer trekken. Op deze manier vormt de naar buiten gerichte laag van de lijm een ​​huid op waterbasis, of barrière tegen bacteriën en andere verontreinigingen.

"Bij minimaal invasieve chirurgie heb je niet de luxe om gemakkelijk toegang te krijgen tot een plek om een ​​kleefmiddel aan te brengen", zegt Yuk. "Je vecht echt tegen veel willekeurige verontreinigingen en lichaamsvloeistoffen op weg naar je bestemming."

Geschikt voor robots

In een reeks demonstraties toonden de onderzoekers aan dat de nieuwe bioadhesieve lijm sterk hecht aan dierlijke weefselmonsters, zelfs na lange tijd ondergedompeld te zijn in bekers met vloeistof, inclusief bloed.

Ze gebruikten ook op origami geïnspireerde technieken om de kleefstof rond instrumenten te vouwen die vaak worden gebruikt bij minimaal invasieve operaties, zoals een ballonkatheter en een chirurgische nietmachine. Ze haalden deze gereedschappen door diermodellen van belangrijke luchtwegen en bloedvaten, inclusief de luchtpijp, slokdarm, aorta en darmen. Door de ballonkatheter op te blazen of lichte druk uit te oefenen op de nietmachine, konden ze de pleister op gescheurde weefsels en organen plakken en vonden ze tot een maand na het aanbrengen geen tekenen van besmetting op of nabij de herstelde plaats.

De onderzoekers stellen zich voor dat het nieuwe bioadhesieve kleefmiddel kan worden vervaardigd in voorgevouwen configuraties die chirurgen gemakkelijk rond minimaal invasieve instrumenten kunnen passen, evenals op instrumenten die momenteel worden gebruikt bij robotchirurgie. Ze zoeken samenwerking met ontwerpers om het bioadhesief te integreren in platforms voor robotchirurgie.

"Wij geloven dat de conceptuele nieuwigheid in de vorm en functie van deze patch een opwindende stap is om translationele barrières in robotchirurgie te overwinnen en de bredere klinische acceptatie van bioadhesieve materialen te vergemakkelijken", zegt Wu.

Dit onderzoek werd gedeeltelijk ondersteund door de National Science Foundation.