En mängd olika medicintekniska produkter kan sättas in i mag -tarmkanalen för att behandla, diagnostisera, eller övervaka GI störningar. Många av dessa måste tas bort genom endoskopisk kirurgi när deras jobb är gjort. Dock, MIT -ingenjörer har nu kommit på ett sätt att få sådana enheter att gå sönder inuti kroppen när de utsätts för ljus från en förtärbar lysdiod.

Det nya tillvägagångssättet är baserat på en ljuskänslig hydrogel som forskarna designade. Att införliva detta material i medicinsk utrustning kan undvika många endoskopiska ingrepp och skulle ge läkare ett snabbare och enklare sätt att ta bort enheter när de inte längre behövs eller inte fungerar korrekt, säger forskarna.

"Vi utvecklar en uppsättning system som kan finnas i mag -tarmkanalen, och som en del av det, vi försöker utveckla olika sätt på vilka vi kan utlösa demontering av enheter i mag -tarmkanalen utan krav på ett större förfarande, "säger Giovanni Traverso, en biträdande professor i maskinteknik, en gastroenterolog vid Brigham and Women's Hospital, och seniorförfattaren till studien.

I en studie på grisar, forskarna visade att enheter tillverkade med denna ljuskänsliga hydrogel kan triggas att gå sönder efter att ha utsatts för blått eller ultraviolett ljus från en liten lysdiod.

Ritu Raman, en postdoc vid MIT:s Koch Institute for Integrative Cancer Research, är huvudförfattare till tidningen, som visas idag i Vetenskapliga framsteg . Andra författare till tidningen är tidigare tekniska medarbetare Tiffany Hua, Jianlin Zhou, Tina Esfandiary, och Vance Soares; tekniska medarbetare Declan Gwynne, Joy Collins, och Siddartha Tamang; doktorand Simo Pajovic; Avdelningen för jämförande medicin veterinär Alison Hayward; och David H. Koch Institute Professor Robert Langer.

Kontrollerad uppdelning

Under de senaste åren har Traverso och Langer har utvecklat många intagbara enheter som är utformade för att ligga kvar i mag -tarmkanalen under en längre tid. De har också arbetat med en mängd olika strategier för att kontrollera nedbrytningen av sådana enheter, inklusive metoder baserade på förändringar i pH eller temperatur, eller exponering för vissa kemikalier.

"Med tanke på våra intressen att utveckla system som kan vistas under långa perioder i mag -tarmkanalen, vi fortsätter att undersöka en rad olika tillvägagångssätt för att underlätta avlägsnandet av dessa system i samband med biverkningar eller när de inte längre behövs, "Traverso säger." Vi tittar verkligen på olika triggers och hur de presterar, och om vi kan tillämpa dem på olika inställningar. "

I den här studien, forskarna utforskade en ljusbaserad trigger, som de trodde skulle kunna erbjuda vissa fördelar jämfört med deras tidigare tillvägagångssätt. En potentiell fördel är att ljus kan verka på avstånd och inte behöver komma i direkt kontakt med materialet som bryts ner. Också, ljus tränger normalt inte in i mag -tarmkanalen, så det finns ingen risk för oavsiktlig utlösning.

För att skapa det nya materialet, Raman designade en ljuskänslig hydrogel baserad på ett material som utvecklats i laboratoriet av Kristi Anseth, en tidigare Langer lab postdoc som nu är professor i kemisk och biologisk teknik vid University of Colorado i Boulder. Denna polymergel innehåller en kemisk bindning som bryts när den utsätts för en våglängd av ljus mellan 405 och 365 nanometer (blå till ultraviolett).

Raman bestämde att istället för att göra ett material som uteslutande består av den ljuskänsliga polymeren, hon skulle använda den för att länka samman starkare komponenter som polyakrylamid. Detta gör det övergripande materialet mer hållbart men låter det ändå bryta isär eller försvagas när det utsätts för rätt ljusvåglängd. Hon konstruerade också materialet som ett "dubbelnätverk, "där ett polymernätverk omger ett annat.

"Du bildar ett polymernätverk och bildar sedan ett annat polymernätverk runt det, så det är verkligen trassligt. Det gör det väldigt tufft och stretchigt, "Säger Raman.

Materialets egenskaper kan justeras genom att variera gelens sammansättning. När den ljuskänsliga länken utgör en högre procentandel av materialet, det bryts ner snabbare som svar på ljus men är också mekaniskt svagare. Forskarna kan också styra hur lång tid det tar att bryta ner materialet genom att använda olika ljusets våglängder. Blått ljus fungerar långsammare men utgör mindre risk för celler som är känsliga för skador från ultraviolett ljus.

Tömdes av ljus

Gelen och dess nedbrytningsprodukter är biokompatibla, och gelen kan enkelt formas till en mängd olika former. I den här studien, forskarna använde den för att demonstrera två möjliga tillämpningar:en tätning för en bariatrisk ballong och en esofagusstent. Standard bariatriska ballonger, som ibland används för att behandla fetma, blåses upp i patientens mage och fylls med saltlösning. Efter ungefär sex månader, ballongen avlägsnas genom endoskopisk kirurgi.

I kontrast, den bariatriska ballongen som MIT -teamet designat kan tömmas genom att tätningen utsätts för ett litet LED -ljus, som i princip skulle sväljas och sedan passera ut ur kroppen. Deras ballong är tillverkad av latex och fylld med natriumpolyakrylat, som absorberar vatten. I den här studien, forskarna testade ballongerna hos grisar och fann att ballongerna svällde upp så snart de placerades i magen. När en liten, intagbar LED som avger blått ljus placerades i magen i cirka sex timmar, ballongerna tömdes långsamt. Med ett ljus med högre effekt, materialet gick sönder inom 30 minuter.

Forskarna formade också den ljuskänsliga gelen till en esofagusstent. Sådana stenter används ibland för att behandla matstrupscancer eller andra störningar som orsakar en förträngning av matstrupen. En ljusutlösbar version kan brytas ner och passera genom mag-tarmkanalen när den inte längre behövs.

Förutom de två ansökningarna, detta tillvägagångssätt kan användas för att skapa andra typer av nedbrytbara enheter, såsom fordon för att leverera läkemedel till mag -tarmkanalen, enligt forskarna.

"Denna studie är ett bevis på konceptet att vi kan skapa den här typen av material, och nu funderar vi på vad som är de bästa applikationerna för det, "Säger Traverso.