Molti interventi chirurgici oggi vengono eseguiti tramite procedure minimamente invasive, in cui viene praticata una piccola incisione e telecamere in miniatura e strumenti chirurgici vengono infilati attraverso il corpo per rimuovere i tumori e riparare i tessuti e gli organi danneggiati. Il processo si traduce in meno dolore e tempi di recupero più brevi rispetto alla chirurgia a cielo aperto.

Sebbene molte procedure possano essere eseguite in questo modo, i chirurghi possono affrontare le sfide in una fase importante del processo:la sigillatura di ferite e lacrime interne.

Prendendo ispirazione dagli origami, Gli ingegneri del MIT hanno ora progettato un cerotto medico che può essere piegato attorno a strumenti chirurgici minimamente invasivi e somministrato attraverso le vie aeree, intestino, e altri spazi ristretti, per riparare le lesioni interne. Il cerotto ricorda un pieghevole, pellicola simile alla carta una volta asciutta. Una volta che entra in contatto con tessuti o organi bagnati, si trasforma in un gel elastico, simile a una lente a contatto, e può attaccarsi a un sito ferito.

A differenza degli adesivi chirurgici esistenti, il nuovo nastro del team è progettato per resistere alla contaminazione se esposto a batteri e fluidi corporei. Col tempo, il cerotto può biodegradarsi in sicurezza. Il team ha pubblicato i suoi risultati sulla rivista Materiale avanzato .

I ricercatori stanno lavorando con medici e chirurghi per ottimizzare il design per l'uso chirurgico, e prevedono che il nuovo bioadesivo possa essere consegnato tramite strumenti chirurgici minimamente invasivi, gestito da un chirurgo direttamente o in remoto tramite un robot medico.

"La chirurgia mininvasiva e la chirurgia robotica sono sempre più adottate, poiché riducono il trauma e accelerano il recupero correlato alla chirurgia a cielo aperto. Però, la sigillatura delle ferite interne è impegnativa in questi interventi chirurgici, "dice Xuanhe Zhao, professore di ingegneria meccanica e di ingegneria civile e ambientale al MIT.

"Questa tecnologia di patch abbraccia molti campi, " aggiunge il coautore Christoph Nabzdyk, un anestesista cardiaco e medico di terapia intensiva presso la Mayo Clinic di Rochester, Minnesota. "Questo potrebbe essere usato per riparare una perforazione da una colonscopia, o sigillare organi solidi o vasi sanguigni dopo un trauma o un intervento chirurgico elettivo. Invece di dover eseguire un approccio chirurgico completamente aperto, si potrebbe andare dall'interno per consegnare un cerotto per sigillare una ferita almeno temporaneamente e forse anche a lungo termine".

I coautori dello studio includono gli autori principali Sarah Wu e Hyunwoo Yuk, e Jingjing Wu al MIT.

Protezione a strati

I bioadesivi attualmente utilizzati negli interventi chirurgici mininvasivi sono disponibili principalmente come liquidi e colle biodegradabili che possono essere spalmati sui tessuti danneggiati. Quando queste colle si solidificano, però, possono irrigidirsi sulla superficie sottostante più morbida, creando un sigillo imperfetto. Anche il sangue e altri fluidi biologici possono contaminare le colle, impedendo l'adesione di successo al sito danneggiato. Le colle possono anche essere lavate via prima che una ferita sia completamente guarita, e, dopo l'applicazione, possono anche causare infiammazione e formazione di tessuto cicatriziale.

Dati i limiti dei progetti attuali, il team mirava a progettare un'alternativa che soddisfacesse tre requisiti funzionali. Dovrebbe essere in grado di aderire alla superficie bagnata di un sito ferito, evitare di legarsi a nulla prima di giungere a destinazione, e una volta applicato su un sito ferito resiste alla contaminazione batterica e all'eccessiva infiammazione.

Il design del team soddisfa tutti e tre i requisiti, sotto forma di una toppa a tre strati. Lo strato intermedio è il principale bioadesivo, costituito da un materiale idrogel che è incorporato con composti chiamati esteri NHS. A contatto con una superficie bagnata, l'adesivo assorbe l'acqua circostante e diventa flessibile ed elastico, modellandosi ai contorni di un tessuto. Contemporaneamente, gli esteri nell'adesivo formano forti legami covalenti con i composti sulla superficie del tessuto, creando una tenuta ermetica tra i due materiali. Il design di questo strato intermedio si basa sul lavoro precedente nel gruppo di Zhao.

Il team ha quindi inserito l'adesivo con due strati, ciascuno con un diverso effetto protettivo. Lo strato inferiore è costituito da un materiale rivestito con olio di silicone, che agisce per lubrificare temporaneamente l'adesivo, impedendogli di attaccarsi ad altre superfici mentre viaggia attraverso il corpo. Quando l'adesivo raggiunge la sua destinazione e viene premuto leggermente contro un tessuto ferito, l'olio di silicone viene spremuto, permettendo all'adesivo di legarsi al tessuto.

Lo strato superiore dell'adesivo è costituito da un film elastomerico incorporato con polimeri zwitterionici, o catene molecolari costituite da ioni sia positivi che negativi che agiscono per attrarre eventuali molecole d'acqua circostanti sulla superficie dell'elastomero. In questo modo, lo strato esterno dell'adesivo forma una pelle a base d'acqua, o barriera contro batteri e altri contaminanti.

"Nella chirurgia mininvasiva, non hai il lusso di accedere facilmente a un sito per applicare un adesivo, "Dice Yuk. "Stai davvero combattendo un sacco di contaminanti casuali e fluidi corporei sulla strada per la tua destinazione."

A misura di robot

In una serie di manifestazioni, i ricercatori hanno dimostrato che il nuovo bioadesivo aderisce fortemente ai campioni di tessuto animale, anche dopo essere stato immerso in bicchieri di liquido, compreso il sangue, per lunghi periodi di tempo.

Hanno anche usato tecniche ispirate agli origami per piegare l'adesivo attorno agli strumenti comunemente usati negli interventi chirurgici minimamente invasivi, come un catetere a palloncino e una suturatrice chirurgica. Hanno infilato questi strumenti attraverso modelli animali delle principali vie aeree e navi, compresa la trachea, esofago, aorta, e intestino. Gonfiando il catetere a palloncino o applicando una leggera pressione alla suturatrice, sono stati in grado di attaccare il cerotto su tessuti e organi strappati, e non ha trovato segni di contaminazione sopra o vicino al sito rattoppato fino a un mese dopo la sua applicazione.

I ricercatori prevedono che il nuovo bioadesivo potrebbe essere prodotto in configurazioni prepiegate che i chirurghi possono facilmente adattare intorno a strumenti minimamente invasivi e su strumenti attualmente utilizzati nella chirurgia robotica. Stanno cercando di collaborare con i progettisti per integrare il bioadesivo nelle piattaforme di chirurgia robotica.

"Riteniamo che la novità concettuale nella forma e nella funzione di questo cerotto rappresenti un passo entusiasmante verso il superamento delle barriere traslazionali nella chirurgia robotica e per facilitare la più ampia adozione clinica di materiali bioadesivi, " dice Wu.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.