Не каждую рану можно закрыть иглой и ниткой. Исследователи Empa разработали процесс пайки с использованием наночастиц, который мягко сплавляет ткани. Ожидается, что технология пайки предотвратит нарушения заживления ран и опасные для жизни осложнения из-за протекания швов.
Команда недавно опубликовала многообещающий метод в журнале Small Methods и подала заявку на патент.
Когда-то, более 5000 лет назад, человечеству пришла в голову идея накладывать швы на раны с помощью иглы и нити. С тех пор этот хирургический принцип не сильно изменился: в зависимости от ощущения кончиков пальцев человека, выполняющего операцию, и оборудования порезы или разрывы тканей могут быть соединены более или менее идеально. Как только обе стороны раны будут аккуратно прикреплены друг к другу, организм может начать естественным образом постоянно закрывать разрыв в тканях.
Однако при наложении шва не всегда получается то, что от него требуется. В очень мягких тканях нить может прорезать ткань и вызвать дополнительную травму. И если ушивание раны не закрывает внутренние органы, проницаемые швы могут представлять угрозу для жизни. Исследователи из Empa и ETH Zurich теперь нашли способ запаивать раны с помощью лазеров.
Контроль температуры в режиме реального времени
Пайка обычно включает в себя соединение материалов друг с другом с помощью тепла через плавящийся связующий агент. Тот факт, что эта термическая реакция должна оставаться в узких пределах для биологических материалов, и в то же время температуру трудно измерить неинвазивным способом, был проблемой для применения процессов пайки в медицине.
Команда под руководством Оскара Чиполато и Инге Херрманн из лаборатории биологических взаимодействий частиц Empa в Санкт-Галлене и лаборатории разработки систем наночастиц в ETH Zurich разработала интеллектуальную систему закрытия ран, с помощью которой можно мягко и эффективно управлять лазерной пайкой. Для этой цели они разработали связующее вещество с металлическими и керамическими наночастицами и использовали нанотермометрию для контроля температуры.
Элегантность нового процесса пайки также основана на взаимодействии двух типов наночастиц в связующей белково-желатиновой пасте. При облучении пасты лазером наночастицы нитрида титана преобразуют свет в тепло. С другой стороны, специально синтезированные частицы ванадата висмута в пасте действуют как крошечные флуоресцентные нанотермометры. Они излучают свет определенной длины волны в зависимости от температуры, что позволяет чрезвычайно точно регулировать температуру в режиме реального времени.
Это делает метод особенно подходящим для использования в минимально инвазивной хирургии, поскольку он не требует перемешивания и определяет разницу температур с чрезвычайно точным пространственным разрешением в поверхностных и глубоких ранах.
Щадящий ИК-режим
После того, как команда оптимизировала условия для "изолирования" (интеллектуальной пайки) с помощью математического моделирования в silico, исследователи смогли исследовать характеристики композитного материала. Совместно с хирургами из Университетской больницы Цюриха, клиники Кливленда (США) и Чешского Карлова университета команда добилась быстрого, стабильного и биосовместимого заживления ран на таких органах, как поджелудочная железа или печень, в лабораторных тестах с использованием различных образцов тканей.
Столь же успешной и щадящей была герметизация особо сложных участков ткани, таких как мочеиспускательный канал, фаллопиева труба или кишечник, с использованием изолдеринга. В настоящее время подана заявка на патент на композитный материал из наночастиц.
Но исследователи на этом не остановились. Им удалось заменить лазерный источник света более мягким инфракрасным (ИК) излучением. Это приближает технологию пайки еще на один шаг к использованию в больницах. "Если бы применялись одобренные медициной ИК-лампы, инновационную технологию пайки можно было бы использовать в обычных операционных без дополнительных мер лазерной защиты", - говорит исследователь Empa Инге Херрманн.