Шовный материал, вырабатывающий электричество, ускоряет заживление ран

Наложение швов в хирургии — стандартный метод закрытия больших разрезов, однако традиционно применяемый шовный материал обладает ограниченной функциональностью. Китайские исследователи скомбинировали этот подход с электростимуляцией, которая, как уже известно, способствует заживлению ран. Они разработали биоразлагаемый механоэлектрический шов, который генерирует электрические поля в ответ на движение и растяжение.

Шовный материал ученые изготовили из магниевого волокна, покрытого полимолочной-ко-гликолевой кислотой и затем поликапролактоном. Сначала они проверили биосовместимость на клеточной культуре — фибробласты выращивали в присутствии нитей шва или отдельных их компонентов в течение семи дней, оценивая морфологию и пролиферацию клеток. На жизнеспособности клеток материал или его составляющие не сказались.

Генерация электрических полей в волокне шва достигалась за счет трибоэлектрического эффекта — появления зарядов из-за трения компонентов материала друг о друга. Эффективность формирования электрических полей авторы измеряли в жидкости, руководствуясь тем, что после имплантации шовный материал будет контактировать с жидкой средой организма. Его намотали на искусственное мышечное волокно диаметром 0,5 см, которое растягивали, чтобы имитировать мышечное сокращение и расслабление. Создаваемое в волокне шва напряжение достигало 8,71 В и было достаточным для подсветки ЖК-дисплея (в сопровождающем материале к статье есть видео).

Деградацию биоэлектрического шва исследователи проверяли in vitro. Магниевый электрод и шовный материал погрузили в фосфатно-солевой буфер и инкубировали при постоянной температуре. Электрод и волокно шва полностью разрушились за 14 дней.

После базовых тестов на биосовместимость и деградацию материала ученые проверили его влияние на регенерацию в клеточной культуре. Фибробласты культивировали в присутствии нити шва, на которую подавали напряжение. При такой стимуляции эффективная степень миграции фибробластов достигалась за 24 часа, что намного быстрее, чем в контроле. Первоначальная площадь «раны», смоделированной в чашке Петри, составляла около 69%, однако благодаря электростимуляции она сократилась до 10,8% за сутки (в контрольной группе — до 32,6%). Электростимулирующий шов способствовал пролиферации фибробластов, а также — это показал дополнительный опыт — ингибировал рост бактерий. Последнее важно для клинического применения материала, поскольку позволит снизить риск инфицирования заживающих швов.

Дальнейшие опыты авторы проводили на крысах. Глубокий надрез мышцы бедра зашивали механоэлектрическим шовным материалом, а в качестве контроля накладывали рассасывающиеся швы или оставляли рану нестянутой. Заживление оценивали через 10 суток — размеры повреждения уменьшались на 60,4% в контроле, на 82,2% при использовании рассасывающегося шва и на 96,5% в опыте. Электромиограмма показала, что электрическая активность поврежденной мышцы была выше при наложении механоэлектрического шва, но не различалась между рассасывающимся материалом и отрицательным незашитым контролем.

Иммуногистохимический анализ выявил усиленную секрецию TGF-β и фактора роста сосудистого эндотелия VEGF-A в заживающей мышечной ткани при использовании биоэлектрического шва. Это подтвердилось результатами RT-qPCR; кроме того, применение новой разработки повышало уровень фосфорилирования PI3K, ERK и Akt.

Таким образом, электростимулирующий шовный материал стимулировал в заживающих тканях сигнальные пути PI3K/Akt/mTOR и MAPK, способствуя тем самым миграции, пролиферации и отложению внеклеточного матрикса (ECM). Это и позволило ускорить заживление раны.

Электропроводящий гидрогель способствует регенерации поврежденных мышц