Många operationer utförs idag via minimalt invasiva procedurer, där ett litet snitt görs och miniatyrkameror och kirurgiska verktyg trängs genom kroppen för att ta bort tumörer och reparera skadade vävnader och organ. Processen resulterar i mindre smärta och kortare återhämtningstider jämfört med öppen operation.

Även om många procedurer kan utföras på detta sätt, kirurger kan möta utmaningar i ett viktigt steg i processen:försegling av inre sår och revor.

Med inspiration från origami, MIT-ingenjörer har nu designat ett medicinskt plåster som kan vikas runt minimalt invasiva kirurgiska verktyg och levereras genom luftvägarna, tarmar, och andra smala utrymmen, att lappa upp inre skador. Plåstret liknar en vikbar, pappersliknande film när den är torr. När den väl kommer i kontakt med våta vävnader eller organ, det förvandlas till en stretchig gel, liknar en kontaktlins, och kan fastna på en skadad plats.

Till skillnad från befintliga kirurgiska lim, teamets nya tejp är designad för att motstå kontaminering när den utsätts för bakterier och kroppsvätskor. Över tid, plåstret kan säkert bryta ned biologiskt. Teamet har publicerat sina resultat i tidskriften Avancerade material .

Forskarna arbetar med kliniker och kirurger för att optimera designen för kirurgiskt bruk, och de föreställer sig att det nya bioadhesivet skulle kunna levereras via minimalt invasiva kirurgiska verktyg, opereras av en kirurg antingen direkt eller på distans via en medicinsk robot.

"Minimalinvasiv kirurgi och robotkirurgi antas alltmer, eftersom de minskar trauman och påskyndar tillfrisknandet i samband med öppen operation. Dock, tätningen av inre sår är utmanande vid dessa operationer, säger Xuanhe Zhao, professor i maskinteknik och civil- och miljöteknik vid MIT.

"Denna patch -teknik spänner över många områden, " tillägger medförfattaren Christoph Nabzdyk, en hjärtanestesiolog och intensivvårdsläkare vid Mayo Clinic i Rochester, Minnesota. "Detta kan användas för att reparera en perforation från en koloskopi, eller täta fasta organ eller blodkärl efter ett trauma eller elektivt kirurgiskt ingrepp. Istället för att behöva utföra ett helt öppet kirurgiskt tillvägagångssätt, man skulle kunna gå från insidan för att ge ett plåster för att täta ett sår åtminstone tillfälligt och kanske till och med långsiktigt."

Studiens medförfattare inkluderar huvudförfattarna Sarah Wu och Hyunwoo Yuk, och Jingjing Wu vid MIT.

Skiktat skydd

De biolim som för närvarande används i minimalt invasiva operationer finns oftast som biologiskt nedbrytbara vätskor och lim som kan spridas över skadade vävnader. När dessa lim stelnar, dock, de kan stelna över den mjukare underliggande ytan, skapa en ofullkomlig försegling. Blod och andra biologiska vätskor kan också kontaminera lim, förhindra framgångsrik vidhäftning till den skadade platsen. Lim kan också tvättas bort innan en skada är helt läkt, och, efter ansökan, de kan också orsaka inflammation och ärrvävnadsbildning.

Med tanke på begränsningarna i nuvarande design, teamet hade som mål att konstruera ett alternativ som skulle uppfylla tre funktionella krav. Den ska kunna hålla sig till den våta ytan på en skadad plats, undvika att binda till någonting innan du når din destination, och en gång applicerat på en skadad plats motstå bakteriell kontaminering och överdriven inflammation.

Teamets design uppfyller alla tre kraven, i form av en treskiktad lapp. Mittskiktet är det huvudsakliga bioadhesivet, tillverkad av ett hydrogelmaterial som är inbäddat med föreningar som kallas NHS-estrar. Vid kontakt med en våt yta, limmet absorberar allt omgivande vatten och blir smidigt och töjbart, gjutning till en vävnads konturer. Samtidigt, estrarna i limmet bildar starka kovalenta bindningar med föreningar på vävnadens yta, skapa en tät tätning mellan de två materialen. Designen av detta mellanlager är baserad på tidigare arbete i Zhaos grupp.

Teamet lade sedan limmet med två lager, var och en med olika skyddseffekt. Det undre lagret är tillverkat av ett material belagt med silikonolja, som verkar för att tillfälligt smörja limmet, förhindrar att den fastnar på andra ytor när den färdas genom kroppen. När limmet når sin destination och trycks lätt mot en skadad vävnad, silikonoljan pressas ut, låta bindemedlet binda till vävnaden.

Limmets översta skikt består av en elastomerfilm inbäddad med zwitterjoniska polymerer, eller molekylkedjor gjorda av både positiva och negativa joner som verkar för att attrahera alla omgivande vattenmolekyler till elastomerens yta. På det här sättet, limets utåtvända lager bildar en vattenbaserad hud, eller barriär mot bakterier och andra föroreningar.

"Vid minimalt invasiv kirurgi, du har inte lyxen att enkelt komma åt en webbplats för att applicera ett lim, " säger Yuk. "Du kämpar verkligen mot en massa slumpmässiga föroreningar och kroppsvätskor på din väg till din destination."

Passar robotar

I en serie demonstrationer, forskarna visade att det nya bioadhesivet starkt fäster vid djurvävnadsprover, även efter att ha varit nedsänkt i bägare med vätska, inklusive blod, under långa perioder.

De använde också origami-inspirerade tekniker för att vika limet runt instrument som vanligtvis används vid minimalt invasiva operationer, såsom en ballongkateter och en kirurgisk häftapparat. De trädde dessa verktyg genom djurmodeller av stora luftvägar och kärl, inklusive luftstrupen, matstrupe, aorta, och tarmar. Genom att blåsa upp ballongkatetern eller trycka lätt på häftapparaten, de kunde fästa plåstret på trasiga vävnader och organ, och hittade inga tecken på kontaminering på eller nära den lappade platsen upp till en månad efter appliceringen.

Forskarna föreställer sig att det nya bioadhesivet kan tillverkas i förviktade konfigurationer som kirurger enkelt kan passa runt minimalt invasiva instrument samt på verktyg som för närvarande används i robotkirurgi. De försöker samarbeta med designers för att integrera bioadhesivet i robotkirurgiska plattformar.

"Vi tror att den konceptuella nyheten i formen och funktionen av detta plåster representerar ett spännande steg mot att övervinna translationella barriärer inom robotkirurgi och underlätta en bredare klinisk användning av bioadhesiva material, " säger Wu.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.