Výzkumníci ze Švýcarské federální laboratoře pro materiálovou vědu a techniku „EMPA“ (Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology) v rámci výzkumu, na kterém se podílela také Univerzita Karlova (Václav Liška z Biomedicínského centra Lékařské fakulty UK v Plzni), vyvinuli způsob spojování ran prostřednictvím světelných infračervených paprsků a nanočástic. Jde o inovativní metodu, která umožňuje spojení tkání a utěsnění defektů bez použití klasického chirurgického šití. Pájecí kolagenní pasta je po aplikaci aktivována laserem k vytvoření mechanicky pevného spoje.
Ne každou ránu lze uzavřít jehlou a nití. Výzkumníci ve švýcarských laboratořích Empa nyní vyvinuli proces pájení pomocí nanočástic, které citlivým způsobem slučují tkáň. Očekává se, že technika pájení zabrání poruchám hojení ran a život ohrožujícím komplikacím při prosakování stehů. Tým nedávno zveřejnil slibnou metodu v časopise Small Methods a požádal o patent.
Zhruba před více než 5 000 lety přišel člověk s nápadem sešít ránu jehlou a nití. Od té doby se tento chirurgický princip příliš nezměnil: v závislosti na citu v konečcích prstů osoby provádějící operaci a vybavení lze rány nebo trhliny v tkáni spojit více či méně dokonale. Jakmile jsou obě strany rány pevně spojeny k sobě, tělo může začít zacelovat mezeru v tkáni přirozeným způsobem natrvalo.
Ne vždy však steh dosáhne toho, co má: ve velmi měkkých tkáních může nit proříznout tkáň a způsobit další zranění. A pokud se steh rány neuzavře na vnitřních orgánech, propustné stehy mohou představovat život ohrožující problém. Výzkumníci z laboratoří Empa a ETH v Curychu nyní vyvinuli a vyzkoušeli způsob, jak pájet rány pomocí laserů. Princip metody byl vyvinut již dříve, nicméně aplikaci v praxi bránila nemožnost účinně řešit termické poškození tkání při použití laseru.
Regulace teploty v reálném čase
Pájení obvykle zahrnuje spojování materiálů pomocí tepla a pojiva. Překážkou pro aplikaci pájení v medicíně zůstávala skutečnost, že tato tepelná reakce musí zůstat v přesných mezích pro biologické materiály a zároveň je obtížné kontrolovat teplotu neinvazivním způsobem. Tým vedený Oscarem Cipolatem a Inge Katrin Herrmannovou z laboratoře Particles Biology Interactions v Empa v St. Gallenu a laboratoře Nanoparticle Systems Engineering Laboratory v ETH Curych si proto pohrál s inteligentním systémem uzavírání ran, ve kterém lze jemně a efektivně ovládat pájení laserem. Pro tento účel vyvinuli pojivo s kovovými a keramickými nanočásticemi a použili nanoteploměr k regulaci teploty.
Elegance nového procesu pájení spočívá ve vzájemném působení obou typů nanočástic v pojivové proteinově‑želatinové pastě. Zatímco pasta je ozařována laserem, nanočástice nitridu titanu přeměňují světlo na teplo. Speciálně syntetizované částice bismutu vanadátu (bismut vanadát je anorganická sloučenina s chemickým vzorcem BiVO4 – světle žlutá pevná látka, která je široce studována jako fotokatalyzátor viditelného světla s úzkým energetickým rozpětím) v pastě naopak působí jako drobné fluorescenční nano teploměry: ty vyzařují světlo specifické vlnové délky v závislosti na teplotě, což umožňuje extrémně přesnou regulaci teploty v reálném čase. Díky tomu je metoda zvláště vhodná pro použití v minimálně invazivní chirurgii, protože nevyžaduje ruční zásah a určuje teplotní rozdíly s extrémně jemným prostorovým rozlišením v povrchových a hlubokých ranách.
Jemné infračervené (IR) paprsky
Když tým pomocí matematického modelování in silico (tzn. modelování v počítači – v umělém prostředí) optimalizoval podmínky pro „iSoldering“ (anglicky inteligentní pájení), mohli výzkumníci zkoumat výkonnost kompozitního materiálu. Spolu s chirurgy z Fakultní nemocnice v Curychu, Clevelandské kliniky (USA) a české Univerzity Karlovy dosáhl tým rychlého, stabilního a biokompatibilního spojení ran na orgánech, jako je slinivka břišní nebo játra, v laboratorních testech a s různými vzorky tkání. Stejně úspěšné a šetrné bylo uzavření zvláště náročných kusů tkáně, jako byla močová trubice, vejcovod nebo střevo, pomocí iSolderingu. Právě na nanočásticový kompozitní pájecí materiál byla podána patentová přihláška.
Výzkumníkům se navíc podařilo nahradit zdroj laserového světla jemnějším infračerveným (IR) světlem. Tím se technologie pájení o další krok přiblížila k použití v nemocnicích: „Pokud by byly použity lékařsky schválené IR lampy, inovativní technologie pájení by mohla být použita na běžných operačních sálech bez dodatečných opatření na ochranu proti laseru,“ říká výzkumnice z EMPA profesorka Inge Katrin Herrmann.
Původní kompletní studie je publikována v časopise Small Methods: O Cipolato, L Dosnon, J Rosendorf, S Sarcevic, A Bondi, V Liska, AA Schlegel, IK Herrmann; Nanothermometry-enabled intelligent laser tissue soldering; Small Methods (2023)
Zdroj & foto: Empa.ch
