Neuer Klebstoff bindet nasse Oberflächen in Sekundenschnelle – könnte chirurgische Nähte ersetzen

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Die MIT-Ingenieure haben einen doppelseitigen Klebstoff entwickelt, mit dem Gewebe miteinander versiegelt werden können. Bildnachweis: Felice Frankel, Christine Daniloff, MIT

Das neue doppelseitige Klebeband für Gewebe bindet nasse Oberflächen innerhalb von Sekunden und kann zum Heilen von Wunden oder zum Implantieren von medizinischen Geräten verwendet werden.

Inspiriert von einer klebrigen Substanz, mit der Spinnen ihre Beute fangen, MIT Die Ingenieure haben ein doppelseitiges Klebeband entwickelt, mit dem sich Gewebe schnell versiegeln lassen.

In Tests an Ratten- und Schweinegeweben zeigten die Forscher, dass ihr neues Klebeband Gewebe wie Lunge und Darm innerhalb von nur fünf Sekunden festbinden kann. Sie hoffen, dass dieses Klebeband irgendwann anstelle von chirurgischen Nähten verwendet werden kann, die nicht in allen Geweben gut funktionieren und bei einigen Patienten Komplikationen verursachen können.

„Weltweit gibt es über 230 Millionen größere Operationen pro Jahr, und viele von ihnen erfordern Nähte, um die Wunde zu schließen, was das Gewebe tatsächlich belasten und Infektionen, Schmerzen und Narben verursachen kann. Wir schlagen einen grundlegend anderen Ansatz für die Versiegelung von Gewebe vor “, sagt Xuanhe Zhao, außerordentlicher Professor für Maschinenbau sowie Bau- und Umweltingenieur am MIT und leitender Autor der Studie.

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Das doppelseitige Klebeband kann auch verwendet werden, um implantierbare medizinische Geräte an Geweben, einschließlich des Herzens, zu befestigen, wie die Forscher zeigten. Darüber hinaus arbeitet es viel schneller als Gewebekleber, die normalerweise mehrere Minuten benötigen, um fest zu binden, und auf andere Körperteile tropfen können.

Die Doktoranden Hyunwoo Yuk und Claudia Varela sind die Hauptautoren der Studie, die am 30. Oktober 2019 im Internet veröffentlicht wurde Natur. Weitere Autoren sind die MIT-Absolventin Xinyu Mao, die MIT-Assistenzprofessorin für Maschinenbau Ellen Roche, der Intensivmediziner Christoph Nabzdyk von der Mayo Clinic und der Pathologe von Brigham and Women's Hospital, Robert Padera.

Eine dichte Versiegelung

Das Bilden einer dichten Abdichtung zwischen Geweben wird als sehr schwierig angesehen, da Wasser auf der Oberfläche der Gewebe die Adhäsion stört. Bestehende Gewebekleber diffundieren Klebemoleküle durch das Wasser zwischen zwei Gewebeoberflächen, um diese miteinander zu verbinden. Dieser Vorgang kann jedoch mehrere Minuten oder sogar länger dauern.

Das MIT-Team wollte sich etwas einfallen lassen, das viel schneller funktionieren würde. Die Gruppe von Zhao hatte zuvor andere neuartige Klebstoffe entwickelt, darunter einen Hydrogel-Sekundenkleber, der eine stärkere Haftung bietet als die in der Natur vorkommenden klebrigen Materialien, wie Muscheln und Seepocken, die zum Festhalten an Schiffen und Felsen verwendet werden.

Hyunwoo Yuk, Absolvent des MIT, zeigt den doppelseitigen Gewebekleber. Bildnachweis: Tony Pulsone

Um ein doppelseitiges Klebeband zu erstellen, das zwei nasse Oberflächen schnell miteinander verbindet, ließ sich das Team von der Natur inspirieren – insbesondere von dem klebrigen Material, mit dem Spinnen ihre Beute bei Nässe einfangen. Dieser Spinnenkleber enthält geladene Polysaccharide, die fast augenblicklich Wasser von der Oberfläche eines Insekts absorbieren und einen kleinen trockenen Fleck entfernen, an dem der Kleber haften kann.

Um dies mit einem technischen Klebstoff nachzuahmen, entwickelten die Forscher ein Material, das zunächst Wasser aus feuchten Geweben aufnimmt und anschließend zwei Gewebe schnell miteinander verbindet. Für die Wasseraufnahme verwendeten sie Polyacryl Acid, ein sehr saugfähiges Material, das in Windeln verwendet wird. Sobald das Klebeband angebracht ist, saugt es Wasser an, so dass die Polyacrylsäure mit beiden Geweben schnell schwache Wasserstoffbrückenbindungen eingeht.

Diese Wasserstoffbrücken und andere schwache Wechselwirkungen halten das Klebeband und das Gewebe vorübergehend an Ort und Stelle, während chemische Gruppen, sogenannte NHS-Ester, die die Forscher in die Polyacrylsäure eingebettet haben, viel stärkere Bindungen, sogenannte kovalente Bindungen, mit Proteinen im Gewebe eingehen. Dies dauert ungefähr fünf Sekunden.

Um das Klebeband so stark zu machen, dass es im Körper hält, haben die Forscher entweder Gelatine oder Chitosan (ein hartes Polysaccharid, das in Insektenschalen vorkommt) eingearbeitet. Diese Polymere ermöglichen es dem Klebstoff, seine Form für lange Zeiträume beizubehalten. Abhängig von der Anwendung, für die das Klebeband verwendet wird, können die Forscher steuern, wie schnell es im Körper zerfällt, indem sie die Inhaltsstoffe variieren, die darin enthalten sind. Gelatine neigt dazu, innerhalb weniger Tage oder Wochen im menschlichen Körper zusammenzubrechen, während Chitosan länger anhalten kann (einen Monat oder sogar bis zu einem Jahr).

„Durch die Kombination von zwei innovativen Konzepten gelang es dem Forscherteam, schnell und effektiv auf der feuchten und weichen Oberfläche eines Gewebes zu haften und über mehrere Tage hinweg eine gute Haftung und gute mechanische Eigenschaften aufrechtzuerhalten, ohne zu viele Entzündungsreaktionen auszulösen“, sagt Costantino Creton, ein Forscher Direktor am ESPCI Paris, der nicht an der Forschung beteiligt war.

Schnelle Heilung

Diese Art von Klebstoff könnte die Fähigkeit des Chirurgen, Schnitte zu versiegeln und Wunden zu heilen, erheblich beeinträchtigen, sagt Yuk. Um mögliche Anwendungen für das neue doppelseitige Klebeband zu untersuchen, testeten die Forscher es an einigen verschiedenen Arten von Schweinegewebe, einschließlich Haut, Dünndarm, Magen und Leber. Sie führten auch Tests in der Schweinelunge und in der Luftröhre durch und zeigten, dass sie Schäden an diesen Organen schnell reparieren konnten.

"Es ist sehr schwierig, weiche oder zerbrechliche Gewebe wie die Lunge und die Luftröhre zu nähen, aber mit unserem doppelseitigen Klebeband können wir sie innerhalb von fünf Sekunden problemlos versiegeln", sagt Yuk.

Das Klebeband hat auch gut funktioniert, um Schäden am Magen-Darm-Trakt abzudichten, was sehr nützlich sein kann, um ein Auslaufen zu verhindern, das manchmal nach einer Operation auftritt. Diese Leckage kann zu Sepsis und anderen möglicherweise tödlichen Komplikationen führen.

„Ich erwarte ein enormes translatorisches Potenzial dieses eleganten Ansatzes für verschiedene klinische Praktiken sowie für grundlegende technische Anwendungen, insbesondere in Situationen, in denen chirurgische Eingriffe wie das Nähen nicht einfach sind“, sagt Yu Shrike Zhang, Dozentin für Medizin an der Harvard Medical School, die nicht an der Forschung beteiligt war.

Das Implantieren von Medizinprodukten in den Körper ist eine weitere Anwendung, die das MIT-Team untersucht. In Zusammenarbeit mit Roches Labor zeigten die Forscher, dass mit dem Klebeband ein kleines Polyurethanpflaster fest an den Herzen lebender Ratten befestigt werden kann, die etwa die Größe eines Daumennagels haben. Normalerweise ist diese Vorgehensweise äußerst kompliziert und erfordert einen erfahrenen Chirurgen. Das Forschungsteam konnte das Pflaster jedoch einfach durch Drücken für einige Sekunden auf das Klebeband kleben und es blieb mehrere Tage an Ort und Stelle.

Zusätzlich zum Polyurethan-Herzpflaster stellten die Forscher fest, dass das Klebeband Materialien wie Silikonkautschuk, Titan und Hydrogele erfolgreich an Geweben befestigen konnte.

"Dies bietet eine elegantere, einfachere und universellere Möglichkeit zur Einführung eines implantierbaren Monitors oder Medikamentenabgabegeräts, da wir an vielen verschiedenen Stellen haften können, ohne Schäden oder sekundäre Komplikationen zu verursachen, wenn wir das Gewebe durchstechen, um die Geräte zu befestigen", erklärt Yuk .

Die Forscher arbeiten nun mit Ärzten zusammen, um zusätzliche Anwendungen für diese Art von Klebstoff zu identifizieren und weitere Tests in Tiermodellen durchzuführen.

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Literaturhinweis: "Trockenes doppelseitiges Klebeband zum Kleben von feuchten Tüchern und Vorrichtungen" von Hyunwoo Yuk, Claudia E. Varela, Christoph S. Nabzdyk, Xinyu Mao, Robert F. Padera, Ellen T. Roche und Xuanhe Zhao, 30. Oktober 2019, Natur.
DOI: 10.1038 / s41586-019-1710-5

Die Forschung wurde von der National Science Foundation und dem Office of Naval Research finanziert.

Quelle des Artikels
Autor: Anne Trafton, Massachusetts Institute of Technology

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