Inspirerad av en klibbig substans som spindlar använder för att fånga sitt byte, MIT-ingenjörer har designat en dubbelsidig tejp som snabbt kan täta samman vävnader.

I tester på råttor och grisvävnader, forskarna visade att deras nya tejp kan binda hårt till vävnader som lungor och tarmar inom bara fem sekunder. De hoppas att den här tejpen så småningom kan användas i stället för kirurgiska suturer, som inte fungerar bra i alla vävnader och kan orsaka komplikationer hos vissa patienter.

"Det finns över 230 miljoner större operationer runt om i världen per år, och många av dem kräver suturer för att stänga såret, som faktiskt kan orsaka stress på vävnaderna och kan orsaka infektioner, smärta, och ärr. Vi föreslår ett fundamentalt annorlunda tillvägagångssätt för att försegla vävnad, säger Xuanhe Zhao, en docent i maskinteknik och i civil- och miljöteknik vid MIT och den seniora författaren till studien.

Den dubbelsidiga tejpen kan också användas för att fästa implanterbar medicinsk utrustning på vävnader, inklusive hjärtat, forskarna visade. Dessutom, det fungerar mycket snabbare än tissuelim, som vanligtvis tar flera minuter att binda tätt och kan droppa på andra delar av kroppen.

Doktoranderna Hyunwoo Yuk och Claudia Varela är huvudförfattarna till studien, som visas idag i Natur . Andra författare är MIT doktorand Xinyu Mao, MIT biträdande professor i maskinteknik Ellen Roche, Mayo Clinic intensivvårdsläkare Christoph Nabzdyk, och Brigham and Women's Hospitals patolog Robert Padera.

En tät tätning

Att bilda en tät tätning mellan vävnader anses vara mycket svårt eftersom vatten på vävnadernas yta stör vidhäftningen. Befintliga vävnadslim diffunderar adhesiva molekyler genom vattnet mellan två vävnadsytor för att binda samman dem, men denna process kan ta flera minuter eller till och med längre.

MIT-teamet ville komma på något som skulle fungera mycket snabbare. Zhaos grupp hade tidigare utvecklat andra nya lim, inklusive ett hydrogel-superlim som ger tuffare vidhäftning än de klibbiga material som förekommer i naturen, som de som musslor och havstulpaner använder för att hålla fast vid skepp och stenar.

För att skapa en dubbelsidig tejp som snabbt kan sammanfoga två våta ytor, teamet hämtade inspiration från den naturliga världen – specifikt, det klibbiga materialet som spindlar använder för att fånga sitt byte under våta förhållanden. Detta spindellim innehåller laddade polysackarider som kan absorbera vatten från ytan på en insekt nästan omedelbart, rensa bort en liten torr fläck som limmet kan fästa på.

För att efterlikna detta med ett konstruerat lim, forskarna designade ett material som först absorberar vatten från våta vävnader och sedan snabbt binder samman två vävnader. För vattenabsorption, de använde polyakrylsyra, ett mycket absorberande material som används i blöjor. Så snart tejpen har applicerats, det suger upp vatten, vilket gör att polyakrylsyran snabbt kan bilda svaga vätebindningar med båda vävnaderna.

Dessa vätebindningar och andra svaga interaktioner håller temporärt tejpen och vävnaderna på plats medan kemiska grupper som kallas NHS-estrar, som forskarna bäddade in i polyakrylsyran, bilda mycket starkare band, kallas kovalenta bindningar, med proteiner i vävnaden. Detta tar cirka fem sekunder.

För att göra deras tejp tillräckligt hård för att hålla inne i kroppen, forskarna inkorporerade antingen gelatin eller kitosan (en hård polysackarid som finns i insektsskal). Dessa polymerer gör att limmet håller sin form under långa tidsperioder. Beroende på vilket program bandet används för, forskarna kan kontrollera hur snabbt det bryts ner i kroppen genom att variera ingredienserna som ingår i det. Gelatin tenderar att bryta ner inom några dagar eller veckor i människokroppen, medan kitosan kan hålla längre (en månad eller till och med upp till ett år).

Snabb läkning

Denna typ av lim kan ha en stor inverkan på kirurgers förmåga att täta snitt och läka sår, säger Yuk. För att utforska möjliga tillämpningar för den nya dubbelsidiga tejpen, forskarna testade det i några olika typer av grisvävnad, inklusive hud, tunntarm, mage, och lever. De gjorde även tester i grislungor och luftstrupe, visar att de snabbt kunde reparera skador på dessa organ.

"Det är mycket utmanande att suturera mjuka eller ömtåliga vävnader som lungan och luftstrupen, men med vår dubbelhäftande tejp, inom fem sekunder kan vi enkelt försegla dem, " säger Yuk.

Tejpen fungerade också bra för att täta skador på mag-tarmkanalen, vilket kan vara mycket användbart för att förhindra läckage som ibland uppstår efter operation. Detta läckage kan orsaka sepsis och andra potentiellt dödliga komplikationer.

Att implantera medicinsk utrustning i kroppen är en annan applikation som MIT-teamet undersöker. Arbetar med Roches labb, forskarna visade att tejpen kunde användas för att ordentligt fästa en liten polyuretanplåster på hjärtat på levande råttor, som är ungefär lika stora som en miniatyrbild. Normalt är denna typ av ingrepp extremt komplicerad och kräver en erfaren kirurg för att utföra, men forskargruppen kunde helt enkelt fästa plåstret med sin tejp genom att trycka på i några sekunder, och den låg kvar i flera dagar.

Förutom hjärtplåstret i polyuretan, forskarna fann att tejpen framgångsrikt kunde fästa material som silikongummi, titan, och hydrogeler till vävnader.

"Detta ger en mer elegant, mer rakt på sak, och mer universellt tillämpligt sätt att introducera en implanterbar monitor eller läkemedelsleveransanordning, eftersom vi kan hålla fast vid många olika platser utan att orsaka skada eller sekundära komplikationer från punktering av vävnad för att fästa enheterna, " säger Yuk.

Forskarna arbetar nu med läkare för att identifiera ytterligare tillämpningar för denna typ av lim och för att utföra fler tester i djurmodeller.