Forskare vid Texas A&M University utnyttjar den kombinerade kraften hos organisk nanomaterialbaserad kemi och en naturprodukt som finns i kräftdjurs exoskelett för att hjälpa till att föra akutmedicin ett steg närmare en hållbar lösning för att lindra blodförlust, från sjukhuset till slagfältet.

Blödning är en ledande dödsorsak vid traumatiska skador, rankad fjärde i USA till en total kostnad av 671 miljarder USD 2013. Arbetar med ett tvärvetenskapligt team som involverar medarbetare från Assiut University i Egypten, Texas A&M-kemist Karen Wooleys forskargrupp har utvecklat ett bioabsorberbart sårförband som bygger på de redan beprövade blodflödesstärkande egenskaperna hos kitosan – ett naturligt material som ofta används i kommersiella sårförband – genom att ta dem i nanoskala för att öka deras effektivitet och effekt.

Wooleys team, leds av Texas A&M kemi Ph.D. student och NASA Space Technology Research Fellow Eric Leonhardt, framgångsrikt inkapslat mycket intrasslade nanofibrer av kitosan i en sockerbaserad hydrogel som löses upp på så lite som sju dagar, lämnar efter sig en betydligt större tillgänglig sårläkningsyta samtidigt som behovet av efterföljande fysiskt avlägsnande elimineras. Deras resultat publiceras i Naturkommunikation .

"Bioabsorberbara sårförband som kan appliceras och lämnas kvar på skadestället är önskvärda för en mängd olika blodförlustscenarier - till exempel, att kontrollera blödningar i traumatiska skador och att rädda liv på både civila och militära fronter, sa Leonhardt, som fungerade som första författare på lagets tidning. "Kompositmaterialen vi har utvecklat är formbara och kan lätt administreras till sårställen. De har också presterat betydligt bättre när det gäller att minska mängden blodförlust och den tid som krävs för att uppnå hemostas mot kommersiellt tillgängligt bioabsorberbart sårförband hos flera djur modeller."

Teammedlemmar förutom Leonhardt inkluderar Texas A&M materialvetenskap och teknik Ph.D. student Nari Kang; Dr. Mahmoud Elsabahy, biträdande chef för Texas A&M Laboratory for Synthetic-Biologic Interactions och chef för Assiut Clinical Center of Nanomedicine vid Al-Rajhy Liver Hospital; och Dr. Mostafa A. Hamad, professor vid kirurgiska institutionen inom Assuits medicinska fakultet.

Elsabahy insåg att medan kitosan är ett önskvärt alternativ i sådana förband på grund av dess bevisade effekt för att bromsa blodflödet och eftersom det erbjuder bonusantimikrobiella egenskaper, det har också en tendens att klumpa sig, vilket gör det svårt att införliva i ett bioabsorberbart material. Teamet övervann det hindret genom att ladda kitosan i en nanostrukturerad mallställning för att bättre sprida det och öka dess interaktion med blodkomponenter, vilket påskyndar både absorption och läkning.

Som ett första steg i deras banbrytande upptäcktsprocess, forskarna utvecklade hydrogeler från cyklodextriner – en typ av sackarid med hydrolytiskt nedbrytbara länkar – utformade med platser som kunde joniskt interagera med och binda till kitosanmolekyler. Efter frystorkning av det resulterande kompositmaterialet, de exponerade den för en lösning som tog bort mallställningen. De använde sedan svepelektronmikroskopi för att ytterligare analysera kitosan, som de fastställde hade satts ihop till mattor av mycket intrasslade nanofibrer som mätte cirka 10 till 20 nanometer i diameter.

"Inte bara är dessa fibrer betydligt mindre än vad som tidigare har rapporterats för kitosan, de är också mycket önskvärda, med tanke på att motsvarande ökning av ytan förväntas avsevärt förstärka den hemostatiska effekten, sa Elsabahy, vem som tänkte ut projektet. "Vi tror att detta arbete kommer att öka omfattningen av kitosan som en hemostatisk teknologi genom demonstration av dess tillverkning och användning som ett bioabsorberbart sårförband."

Hittills, teamet har applicerat sina kompositförband på leverskador hos råttor, kaniner och grisar, mäta mängden blodförlust, tid till hemostas och medelartärtryck i varje fall för att mäta effektiviteten. Förbanden implanterades också i levern och avbildades efter sju dagar för att utvärdera den biologiska nedbrytningen av kompositmaterialen. Inga rester kunde observeras i någon av inställningarna.

"Blödning är ansvarig för mer än 35 procent av dödsfall före sjukhus och mer än 40 procent av dödsfall inom de första 24 timmarna efter skada, ", sade Leonhardt. "Hemostatiska förband har potentialen att minska sjuklighet och dödlighet genom tidig kontroll av blödningar. Dessa förband kan inkluderas i första hjälpen-kit och bäras av soldater för att rädda liv på slagfältet, och de kan också användas för att kontrollera blödningar i olika skadescenarier och kirurgiska ingrepp på sjukhus. Absorberbart hemostatiskt förband kan lämnas kvar på skadestället och eliminerar behovet av att ta bort bäraren, vilket minskar risken för återblödning – vid borttagning av bärare av icke-absorberbara förband – och minskar den tid som krävs för de kirurgiska ingreppen."

Wooley avser att utvidga detta inledande arbete till att utvärdera materialen i studier som simulerar dödliga blödningsscenarier, följt av kliniska prövningar. Dessutom, hon skulle vilja genomföra framtida grundläggande studier för att ytterligare utforska mekanismen för bildning av kitosan nanofiber i mallställningarna, med syftet att i slutändan uppnå kontroll över monteringen för att möjliggöra inställning och optimering av den resulterande morfologin hos sårförbanden.