Traditionell kirurgi för att omforma en näsa eller öra innebär skärning och suturering, ibland följt av långa återhämtningstider och ärr. Men nu, forskare har utvecklat en "molekylär kirurgi"-process som använder små nålar, elektrisk ström och 3-D-tryckta formar för att snabbt omforma levande vävnad utan snitt, ärrbildning eller återhämtningstid. Tekniken visar till och med lovande som ett sätt att fixa orörliga leder eller som ett icke-invasivt alternativ till ögonlaserkirurgi.

Forskarna kommer att presentera sina resultat idag vid American Chemical Society (ACS) National Meeting &Exposition våren 2019.

"Vi föreställer oss denna nya teknik som ett billigt kontorsprocedur som görs under lokalbedövning, säger Michael Hill, Ph.D., en av projektets huvudutredare, som kommer att diskutera arbetet på mötet. "Hela processen skulle ta ungefär fem minuter."

Hill, som är på Occidental College, blev involverad i detta projekt när Brian Wong, M.D., Ph.D., som är vid University of California, Irvine, bad om hjälp med att utveckla en icke-invasiv teknik för att omforma brosk. En sådan metod skulle vara användbar för kosmetiska kirurgiska ingrepp, som att göra en näsa mer attraktiv. Men metoden kan också hjälpa till att lösa problem, såsom en avvikande septum, eller tillstånd för vilka det inte finns några bra behandlingar, såsom ledkontrakturer orsakade av stroke eller cerebral pares. Efter att själv ha genomgått smärtsam avvikande septumoperation, Hill förstår vad patienter går igenom, och var glada över att gå med i ett projekt för att utveckla en bättre strategi.

Wong var redan expert på en alternativ teknik som använder en infraröd laser för att värma brosk, vilket gör den tillräckligt flexibel för att omforma. "Problemet är, den tekniken är dyr, och det är svårt att värma brosket tillräckligt så att det är formbart utan att döda vävnaden, " säger Hill. För att hitta ett mer praktiskt tillvägagångssätt, Wongs team började experimentera med att passera ström genom brosket för att värma upp det. Metoden tillät dem verkligen att omforma vävnad, men, nyfiket, inte genom att värma den. Wong vände sig till Hill för att fastställa hur den nya metoden fungerade och för att förfina den för att förhindra vävnadsskador.

Brosk består av små stela fibrer av kollagen löst sammanvävda av biopolymerer. Dess struktur liknar spagetti som slumpmässigt har dumpats på en disk, med de enskilda trådarna sammanbundna med tråd. "Om du tog det, trådarna skulle inte falla isär, men det skulle vara floppy, " säger Hill. Brosk innehåller också negativt laddade proteiner och positivt laddade natriumjoner. Brosk med en större täthet av dessa laddade partiklar är styvare än brosk med lägre laddningstäthet.

Hills grupp upptäckte att ström genom brosket elektrolyserar vatten i vävnaden, omvandla vattnet till syre och vätejoner, eller protoner. Protonernas positiva laddning avbryter den negativa laddningen på proteinerna, minskar laddningstätheten och gör brosket mer formbart. "När vävnaden är floppy, " han säger, "du kan forma den till vilken form du vill."

Teamet testade metoden på en kanin vars öron normalt står upprätt. De använde en form för att hålla ena örat böjt i den önskade nya formen. Om de sedan hade tagit bort formen utan att lägga på en ström, kaninens öra skulle ha sprungit tillbaka till sitt ursprungliga upprättstående läge, precis som ett mänskligt öra skulle. Men genom att sätta in mikronålelektroder i örat vid böjningen och pulsa ström genom dem med formen på plats, de mjukade kort brosket vid böjningsstället utan skador. Genom att stänga av strömmen fick brosket att stelna i sin nya form, varefter formen togs bort.

För att uppnå detta resultat med traditionella metoder, en kirurg skulle behöva skära igenom huden och brosket och sedan hålla ihop bitarna igen. Det kan leda till bildning av ärrvävnad vid leden. Att ärrvävnad ibland måste avlägsnas vid efterföljande operationer, Säger Hill. Genom att undvika denna mekaniska skada på brosket, den molekylära kirurgiska tekniken orsakar inga ärrbildningar och ingen smärta.

Forskarna undersöker licensalternativ för brosktekniken med medicintekniska företag. De undersöker också tillämpningar i andra typer av kollagenvävnad, såsom senor och hornhinnor. I ett öga, hornhinnans form påverkar synen, med för mycket krökning som orsakar närsynthet, till exempel. Många hinder måste övervinnas innan denna metod kan användas för att korrigera en persons syn, men preliminära djurförsök har gett lovande resultat. Forskarna använde en 3D-skrivare för att göra en kontaktlins. Efter att ha målat elektroder på den, de sätter kontaktlinsen på ögat. Genom att applicera ström kunde de tillfälligt mjuka upp hornhinnan och ändra dess krökning.