Inteligentny plaster pomoże leczyć niegojące się rany

Naukowcy z Uniwersytetu Stanforda opracowali inteligentny plaster, który będzie nie tylko monitorował gojenie się ran, ale również przyspieszał proces gojenia poprzez elektrostymulację.

.Nie wszystkie rany goją się tak, jak powinny. Wynika to z infekcji czy chorób takich jak cukrzyca. Stłumiony układ często spowalnia gojenie. Rany mogą nie goić mogą miesiącami. W najgorszych przypadkach zagraża to ludzkiemy życiu. Do tej pory rozwiązania dotyczące leczenia ran przewlekłych były bardzo nieliczne. Ma się to jednak zmienić, bowiem naukowcy z Uniwersytetu Stanforda donoszą, że opracowali bezprzewodowy inteligentny plaster. Okazał się on obiecujący w przyspieszeniu naprawy tkanek, poprzez monitorowanie procesu gojenia się ran. Naukowcy, w artykule opublikowanym na łamach Nature Biotechnology, zwracają uwagę, że ich urządzenie sprzyja szybszemu gojeniu się ran, zwiększa przepływ nowej krwi do uszkodzonej tkanki i poprawia regenerację skóry poprzez znaczne zmniejszenie powstawania blizn.

Inteligentny plaster składa się z obwodów bezprzewodowych, które wykorzystują czujniki impedancji/temperatury do monitorowania postępu gojenia się ran. Jeśli rana jest gorzej zagojona lub wykryta zostanie infekcja, czujniki informują jednostkę centralną, aby zastosowała większą stymulację elektryczną wzdłuż łożyska rany. Przyspiesza to zamknięcie tkanek i zmniejszyć infekcję. Naukowcy byli w stanie śledzić dane z czujników w czasie rzeczywistym na smartfonie, a wszystko to bez potrzeby stosowania przewodów.

Jak jest zbudowany inteligentny plaster?

.Plaster składa się z warstwy elektronicznej, w tym jednostki mikrokontrolera (MCU), anteny radiowej, pamięci, stymulatora elektrycznego, bioczujników i innych komponentów. Wszystko to ma grubość zaledwie 100 mikronów, czyli mniej więcej grubość pojedynczej warstwy farby lateksowej.

Wszystkie te obwody znajdują się na sprytnie zaprojektowanym hydrożelu — gumowatym, podobnym do skóry polimerze — który jest zintegrowany w celu dostarczania leczniczej stymulacji elektrycznej do uszkodzonej tkanki i zbierania danych z bioczujników w czasie rzeczywistym – pisze Andrew Myers z Uniwersytetu Stanforda.

Polimer w hydrożelu jest starannie zaprojektowany, aby w razie potrzeby bezpiecznie przylegał do powierzchni rany, a jednocześnie odrywał się czysto i delikatnie bez szkody dla rany po podgrzaniu do zaledwie kilku stopni powyżej temperatury ciała (40°C).

Inteligentny plaster zabezpiecza ranę podczas jej gojenia. (…) Ale to nie jest pasywne narzędzie. To aktywne urządzenie lecznicze, które może zmienić standard opieki w leczeniu ran przewlekłych – mówi Yuanwen Jiang, współautor badania i doktor habilitowany w laboratorium Zhenana Bao, profesora KK Lee w dziedzinie inżynierii chemicznej w Szkole Stanforda Inżynierii.

Tajemnice stymulacji elektrycznej

.Stymulacja elektryczna, znana również jako galwanotaksja, przyspiesza migrację keratynocytów do miejsca rany, ogranicza infekcje bakteryjne i zapobiega rozwojowi biofilmów na powierzchni rany, proaktywnie promuje wzrost tkanki i pomaga ich naprawie. Naukowcy byli w stanie wykorzystać tę dobrze zbadaną technologię i zintegrować ją z danymi z biosensorów w czasie rzeczywistym, aby zapewnić nową zautomatyzowaną metodę leczenia, która jest informowana przez biosensory.

Bioczujnik inteligentnego plastra monitoruje zmiany biofizyczne w lokalnym środowisku, zapewniając szybki, solidny i niezwykle dokładny sposób pomiaru stanu rany w czasie rzeczywistym. Technicznie rzecz biorąc, inteligentny plaster wykrywa przewodnictwo i zmiany temperatury w skórze podczas gojenia się rany. Impedancja elektryczna wzrasta w miarę gojenia się ran, a lokalne temperatury spadają w miarę ustępowania stanu zapalnego.

Dzięki stymulacji i wykrywaniu w jednym urządzeniu inteligentny plaster przyspiesza gojenie, ale także śledzi postępy w gojeniu się rany. (…) Uważamy, że reprezentuje nową modalność, która umożliwi nowe odkrycia biologiczne i eksplorację wcześniej trudnych do przetestowania hipotez dotyczących procesu uzdrawiania człowieka – mówi Artem Trotsyuk, współautor badania.

Naukowcy posunęli się o krok dalej, starając się zrozumieć, dlaczego i jak stymulacja elektryczna przyspiesza gojenie się ran. Uważają, że stymulacja elektryczna sprzyja aktywacji genów proregeneracyjnych, takich jak Selenop, gen przeciwzapalny, który pomaga w usuwaniu patogenów i gojeniu ran, oraz Apoe, który, jak wykazano, zwiększa wzrost mięśni i tkanek miękkich .

Stymulacja elektryczna zwiększyła liczbę populacji białych krwinek, a mianowicie monocytów i makrofagów, poprzez rekrutację większych ilości makrofagów przeciwzapalnych M2, które wcześniej opisywano jako proregeneracyjne i odgrywające kluczową rolę w tworzeniu macierzy pozakomórkowej. Jest to wymagane podczas proliferacyjnych faz gojenia się ran.

Naukowcy zwracają uwagę, że inteligentny plaster jest na razie w fazie koncepcyjnej, choć obiecującej. Pozostaje jednak wiele wyzwań. Obejmują one zwiększenie rozmiaru urządzenia do skali człowieka, obniżenie kosztów i rozwiązanie problemów z długoterminowym przechowywaniem danych. Wszystko to, co jest niezbędne do masowej produkcji.

Istnieją potencjalnie nowe czujniki, które nie są obecnie zintegrowane, a które można dodać, takie jak te, które mierzą metabolity, biomarkery i pH. Są również pewne potencjalne przeszkody w zastosowaniu klinicznym, takie jak odrzucenie hydrożelu, w przypadku którego skóra może zareagować na urządzenie i stworzyć złą kombinację żelu ze skórą lub biozanieczyszczenie czujników, które może powodować podrażnienie.

MAC