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Se describe el protocolo más simple para preparar adhesivo médico biodegradable que tiene una capacidad hemostática eficaz. La cinta es un agregado supramolecular inmiscible en agua preparado mediante la mezcla de ácido tánico, un compuesto ubicuo encuentra en las plantas, y poli glicol (etileno), produciendo 2,5 veces mayor adhesión resistente al agua en comparación con la cola de fibrina comercial.
Este video describe el protocolo más simple para la preparación de pegamento quirúrgico biodegradable que tiene una capacidad hemostática eficaz y una mayor fuerza de adhesión resistente al agua que los adhesivos de tejidos comerciales. adhesivos médicos han atraído una gran atención como posibles herramientas alternativas a las suturas y grapas debido a su conveniencia en el uso con mínima invasividad. Aunque hay varios protocolos para el desarrollo de los adhesivos tisulares incluyendo los que están disponibles comercialmente, tales como colas de fibrina y materiales a base de cianoacrilato, la mayoría de ellos requieren una serie de síntesis químicas de moléculas orgánicas, o métodos proteína de purificación complicados, en el caso de materiales bio-driven (es decir, cola de fibrina). Además, el desarrollo de pegamentos quirúrgicos que exhibe altas propiedades adhesivas, manteniendo la biodegradabilidad sigue siendo un desafío debido a las dificultades para lograr un buen rendimiento en el ambiente húmedo del cuerpo. Ilustramos un nuevo método para preparar unaadhesivo médico, conocido como cinta, por la separación basada en el peso de un agregado supramolecular inmiscible en agua formado después de una mezcla física de a, molécula de adhesivo húmedo-resistente de origen vegetal, T Annic A cid (TA), y una bien conocida biopolímero, poli (etileno) glicol (PEG). Con nuestro enfoque, TAPE muestra alta resistencia a la adherencia, que es 2,5 veces más de cola de fibrina comercial en presencia de agua. Además, la cinta es biodegradable en condiciones fisiológicas y se puede usar como un pegamento hemostático potente contra el sangrado del tejido. Esperamos que el uso generalizado de la cinta en una variedad de entornos médicos y aplicaciones de administración de fármacos, tales como polímeros para muco-adherencia, como depósitos de fármacos, y otros.
En una década pasada, se han hecho esfuerzos para reemplazar las suturas y grapas quirúrgicas actuales para cerrar heridas con adhesivos biodegradables / bioabsorbibles debido a su conveniencia en el uso y capacidad de invasión de tejidos baja durante los tratamientos quirúrgicos. Disponibles comercialmente de tejido-adhesivos se clasifican en cuatro tipos: (1) derivados de cianoacrilato 1, (2) colas de fibrina formados por conversión enzimática de fibrinógeno en fibrina por la trombina polímeros 2,3, (3) materiales a base de proteínas, tales como química o físicamente albúmina reticulada y / o gelatina 4,5, y (4) a base de polímeros sintéticos los 6. A pesar de que se han utilizado en muchas aplicaciones clínicas, todos los adhesivos tienen sus propias desventajas intrínsecas y los inconvenientes que pueden ser obstáculos para su uso generalizado. colas a base-cianoacrilato muestran una alta fuerza de adhesión a los tejidos, pero su subproductos tóxicos tales como cianoacetato y formaldehído formado durante la degradación, a menudo causan signoificant grados de respuestas inflamatorias 7. Los pegamentos de fibrina y albúmina o materiales a base de gelatina tienen problemas de seguridad respecto a la transmisión de los componentes infecciosos, tales como virus de origen animal: plasma sanguíneo humano para pegamentos de fibrina y animales, incluyendo ganado vacuno, pollo, cerdos y peces para los pegamentos a base de gelatina 8. Aunque algunos adhesivos a base de polímeros sintéticos han sido aprobados por la Administración Federal de Drogas (FDA), la mayoría de los adhesivos hechos de polímeros sintéticos siguen teniendo dificultades para reducir al mínimo los pasos del proceso de fabricación y el logro de biocompatibilidad 9. Lo más importante, todas las colas sufren de mala resistencia mecánica y la adhesión a los tejidos húmedos 10. Recientemente, los adhesivos tisulares biomiméticos inspirados en los mejillones marinos 11-13, lagartijas, 14 gecko con el mejillón 15 y gusanos endoparásitos 16 han ido emergiendo como alternativas prometedoras a los pegamentos médicos actuales debido a su mecánica y sintonizablepropiedades adhesivas con biocompatibilidad. Sin embargo, a día de hoy, todavía hay cuestiones que deben abordarse antes de que se conviertan en productos comerciales 17.
Aquí, se presenta un nuevo tipo de adhesivo médico llamado cinta que se prepara mediante la unión de hidrógeno intermolecular entre una molécula de origen vegetal adhesivo, ácido tánico (TA), y un polímero bio-inerte poli (etilenglicol) (PEG), como su nombre lo indica. TA es un tanino hidrolizable representante ubicua encontrado durante el metabolismo secundario de las plantas. Se ha llamado mucho la atención debido a su anti-oxidante, anti-mutagénico, y propiedades anti-cancerígenos y se ha demostrado para participar en interacciones supramoleculares con muchos polímeros, tales como poli (N -isopropylacrylamide) (PNIPAM) y poli (N - vinilpirrolidona) (PVPON), para formar la capa por capa (LBL) películas 18-20 y drogas liberadora de microcápsulas 21-23. En este estudio, descubrimos que el AT puede actuar como un eficienteresto funcional adhesivo resistente al agua para formar un adhesivo médico, TAPE. Por la simple mezcla con TA, un ensuciamiento no PEG polímero se convierte en un pegamento supramolecular con 2,5 veces mayor fuerza de adhesión en comparación con la cola de fibrina comerciales, y esta adhesión se mantuvo durante hasta 20 ciclos de unión y separación, incluso en la presencia de agua . Su capacidad hemostática fue probado en un modelo de hemorragia hepática in vivo y mostró una buena capacidad hemostática para detener la hemorragia dentro de unos pocos segundos. La cinta tiene su significado importante en un campo relacionado como el primer adhesivo de origen vegetal que puede revelar nueva información sobre la solución de los inconvenientes de los problemas actuales con los enfoques inspirados en la biología. También esperamos que el uso generalizado de la cinta en una variedad de aplicaciones médicas y farmacéuticas tales como muco-adhesivos, parches de liberación de fármacos, vendajes para el cuidado de la herida, y otros debido a su método de preparación simple, la escalabilidad, la velocidad de biodegradación sintonizable, así como ADHES altamente resistentes en húmedopropiedades de los iones.
Todo el cuidado de los animales y los experimentos se realizan de acuerdo con el protocolo ético proporcionada por el KAIST (Corea del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología) IRB (Institutional Review Board).
1. Formación CINTA
2. Medición de la fuerza de adhesión de CINTA
3. Ensayo in vitro de degradación
4. Capacidad de hemostática CINTA
NOTA: Todos los experimentos con animales se realizaron de acuerdo con las directrices y protocolos éticos proporcionados por el Ministerio de Salud y Bienestar de Corea.
La cinta es un agregado supramolecular que se establece después de centrifugar la mezcla de dos soluciones acuosas que contienen TA (1 g / ml en agua destilada) y PEG (1 g / ml en agua destilada) con relación de 2: 1 volumen (Figura 1A). La proporción de mezcla es el factor clave para conseguir una alta fuerza de adhesión; Si la cinta está formado por una proporción de 2: 1 de mezcla, 20 unidades del grupo hidroxilo (-OH) en 25 unidades de TA interactúan entre grupo éter (-O-) en PEG, resultando en la formación de enlaces de hidrógeno intermolecular más alta con la máxima propiedades de adhesión. Las cinco unidades restantes de -OH parecen ser consumido por el enlace de hidrógeno intramolecular con grupos carbonilo adyacentes (C = O) en TA (Figura 1B). Cuando cualquiera de uno de los componentes era en exceso de la relación de 2: volumen 1, la fuerza de adhesión se redujo notablemente 25. El enlace de hidrógeno será también la interacción a nivel molecular crítico con los tejidos. Controladorla inter e intra-enlace de hidrógeno molecular entre TA y PEG para la cohesión, y entre TA y los tejidos para la adhesión podría ser un mecanismo plausible de la cinta como un pegamento quirúrgico eficaz.
Para la medición de la fuerza de adhesión, TAPE se aplicó primero entre cada lado epidérmico de dos pieles de cerdo con un diámetro de 6 mm. Posteriormente, se agarró en una máquina de tracción a través de varillas unidas fuera de cada piel porcina, tal como se representa en la figura 2A. La fuerza necesaria para separar dos pieles porcinas se midió por la máquina en ausencia (figura 2B) y la presencia de agua (Figura 2C) después de cada 5 ciclos de unión repetida y desprendimiento, de hasta 20 ciclos. La fuerza de adhesión en un estado seco era de aproximadamente 200 kPa a la medición inicial, e incluso aumentó hasta aproximadamente 250 kPa después de 20 ciclos. En presencia de agua añadida a cada ciclo, la adhesión fue de aproximadamente 90 kPa, que luegodisminuido a 50 kPa después de 20 ciclos. La fuerza de adhesión en estado húmedo fue menor que en un estado seco, pero todavía era comparable con el adhesivo comercial, cola de fibrina, que era alrededor de 70 kPa medido por un entorno idéntico al nuestro en ausencia de agua 25.
La degradabilidad de la cinta fue investigado por análisis gravimétrico in vitro (Figura 3). CINTA se sumergió en 1x PBS (pH 7,4) a 37 ° C con agitación suave, a continuación, la masa restante cada vez que se midió hasta 21 días. Fotos de la cinta restante cada vez se muestran también en la Figura 3B. La cinta hecha mediante la mezcla de TA y PEG con una relación 1: 1 se degradó completamente después de 13 días, y 42% de cinta hecha por dos componentes con una relación 2: 1 se degradó después de 21 días (Figura 3C). La velocidad de degradación está en correlación inversa con la fuerza de adhesión, debido a una degradación más rápida se debe principalmente amenor interacción intermolecular, y esta condición crea menor fuerza de adhesión en el caso de TAPE, como se mencionó anteriormente. Por lo que el resultado fue el esperado; Cinta mezclada por una proporción de 2: 1 mostró degradación más lenta que por una proporción de 1: 1 porque todos -OH reactiva en TA y todos -O- en PEG formaron el mayor número de enlaces de hidrógeno intermoleculares. En una relación de 1: 1, la cantidad en exceso de -O- en PEG podría debilitar la cohesión, lo que resulta en una degradación más rápida.
Por último, la capacidad hemostática de cinta se investigó in vivo. Cinta se aplica primero en el hígado de ratón inmediatamente después de daño de una aguja de 18 G, como se muestra en la Figura 4A. La cantidad de sangrado durante una 30 seg inicial después del tratamiento se recogió mediante la adsorción de sangre sobre un papel de filtro y comparando el negativo (sin tratamiento) y control positivo (cola de fibrina) (Figuras 4B y 4C). La cantidad total de sangrado también era calcullización creada por la recogida de la cantidad de sangrado cada 30 seg. hasta que se detuvo. Como se muestra en la figura 4D, el sangrado se suprimió significativamente por la capacidad hemostática de TAPE (La cantidad total de hemorragia fue de sólo el 15,4% de la caja sin tratar) en lugar de un producto comercial, cola de fibrina (La cantidad total de hemorragia fue de un 60,7% del caso sin tratar ).
Figura 1: Formación de TAPE (A) medidas seriadas de hacer CINTA. (Barra de escala: 0,5 cm). (B) Una reacción química de formación de la cinta por medio de enlaces de hidrógeno intra e inter-molecular. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2:. La resistencia de adherencia de cinta adhesiva en la piel porcina (A) Un programa de ajuste de medición. (B - C) cambia la fuerza de adherencia durante la fijación repetida y desprendimiento de piel porcina (B) en ausencia y (C) en presencia de agua. Las barras de error representan la media ± desviación estándar (SD) de 3 mediciones repetidas (* p <0,05, ** p <0,01, *** p <0,001 y **** p <0,0001, con una sola vía de prueba ANOVA). (Re-imprimir con permiso de ref 25). Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: Tasa de Degradación cinta en condiciones fisiológicas (A) Una foto de la configuración de medición.. (B) Representante photOS del restante de la cinta en cada ensayo de degradación. (C) El resto de cambios% en masa después de un período de tiempo de incubación en un tampón 1x PBS (pH 7,4) a 37 ° C se controló hasta 21 días (TA: PEG = 2: 1 y 1: 1) (n = 5 , barras de error ± dE). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4:. Capacidad hemostático de cinta en Vivo (A) Una foto que indica la aplicación de cinta adhesiva en la superficie de un hígado dañado por una aguja de 18 G. (B) fotos representativo que muestra la cantidad de sangrado de un 30 seg inicial. después del tratamiento de TAPE, así como el negativo (sin agente hemostático) y control positivo (cola de fibrina). Cada cantidad cuantitativa de bleeding se muestra en (C). (D) La cantidad total de sangrado, se recogió cada 30 segundos hasta que se detuvo. Las barras de error representan la media ± desviación estándar (SD) de 5 mediciones repetidas (* p <0,05, ** p <0,01, *** p <0,001 y **** p <0,0001, con una vía o de dos vías ANOVA de prueba). (Re-imprimir con permiso de ref 25). Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Hemos desarrollado una nueva clase de cinta adhesiva llamado hemostático inspirado en la interacción molecular resistente al agua de un compuesto polifenólico de origen vegetal, TA. TA es un tanino hidrolizable representativa que ha atraído considerablemente la atención debido a sus propiedades anti-oxidantes, anti-bacterianas, anti-mutagénicas y anticancerígenas.
El proceso de fabricación de cinta es extremadamente simple, escalable y con el medio ambiente, ya que es sólo la mezcla de un solo paso de dos soluciones acuosas seguido de centrifugación sin ningún tipo de procedimientos de síntesis química más.
El protocolo de dos mezcla componente es el método más típico y más simple para formar adhesivos de tejidos utilizados en los productos convencionales, tales como cola de fibrina. Está formado por la mezcla de fibrinógeno y trombina justo antes de aplicar a los tejidos 3. Sin embargo, es necesaria la síntesis química de varios pasos para preparar los componentes de un adhesivo en el caso of cianoacrilato pegamento y adhesivos a base de polímeros sintéticos. Además, los productos químicos altamente tóxicos a veces afecta también como un componente para reticular químicamente el otro componente compuesto de precursores poliméricos en los materiales a base de proteínas, curado por glutaraldehído y el pegamento que contiene formalina y resorcinol.
Materiales curados por glutaraldehído mostraron alta en la respuesta inflamatoria in vivo en los tejidos del pulmón y del hígado en estudios con animales que utilizan conejos, aunque ha sido aprobado por la FDA para los tejidos aórticos. Materiales de cola que contiene formol y resorcinol también sufre de problemas de toxicidad derivados de formalina al reaccionar con los tejidos circundantes 26.
El paso de centrifugación es el único inconveniente de CINTA desarrollo como en -Formar situ, adhesivo inyectable en el cuerpo, pero las ventajas de abundancia de TAPE prometer su utilización abierta y generalizada. Un paso crítico de la formación de la cinta es que la mezcla de dos componentes podríanser un poco complicado debido a su alta viscosidad, pero en general, cualquier persona puede hacer constantemente grandes cantidades de cinta en un laboratorio sin ninguna variación de lote a lote.
La fuerza de adhesión de cinta fue 2,5 veces mayor que la del adhesivo comercial ampliamente utilizado, cola de fibrina y la hemorragia masiva se suprimió con éxito por la unión de sangre resistente de cinta en el lugar de la herida en el modelo de hígado de ratón de sangrado in vivo. La velocidad de degradación y propiedades mecánicas de cinta puede estar más lejos sintonizable mediante el uso de PEG ramificado / multi-armada, así como uno que tienen grupos terminales funcionales tales como amina, carboxilato, y el epóxido. La fuerza máxima adherencia en nuestros datos se optimiza mediante la proporción de un tipo de PEG (4-brazos, 10 kDa y 2-armas, 6,4 kDa) a TA, sino que también debe verse afectada por grupos terminales funcionales, número de brazos y el peso molecular de PEG.
Esperamos que esa cinta también puede tener un uso extendido como un depósito de fármaco y adhesive parche para fines de cicatrización de heridas, no sólo como un agente hemostático debido a su capacidad para encapsular productos químicos a través de la conocida afinidad de TA a una variedad de macromoléculas, incluyendo albúmina de suero bovino 27, el ADN 28, poli (N -isopropylacrylamide) ( PNIPAM) 29 y 30 de iones metálicos.
The authors have nothing to disclose.
This study was supported by National Research Foundation of South Korea: Mid-career scientist grant (2014002855), and Ministry of Industry, Trade, and Natural Resources: World Premier Material Development Program. This work is also supported by in part by Center for Nature-inspired Technology (CNiT) in KAIST Institute for NanoCentury (KINC).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Tannic acid | Sigma-aldrich | 403040 | |
Poly(ethylene oxide), 4-arm, hydroxy terminated | Aldrich | 565709 | Averge Mn ~ 10,000 |
Poly(ethylene glycol) | Aldrich | 373001 | Average Mn 4,600 |
Biopsy punch | Miltex | 33-36 | Diameter = 6 mm |
Aron Alpha | Toagosei Co., Ltd. | Instant glue | |
Universal testing machine (UTM) | Instron | 5583 | |
Microcentrifuge tubes | SPL life science | 60015 | 1.5 ml |
Petri dish | SPL life science | 10090 | 90 x 15 mm |
Sodium phosphate monobasic | Sigma | S5011 | 1x PBS ingredient |
Sodium phosphate dibasic | Sigma | S5136 | 1x PBS ingredient |
Sodium chloride | Duchefa biochemie | S0520.5000 | 1x PBS ingredient |
Incubating shaker | Lab companion | SIF6000R | |
ICR mice | Orient bio | Normal ICR mouse | 6 weeks, 30 - 35 g, male |
Tiletamine-zolazepam (Zoletil 50) | Virbac | ||
Zylazine (Rompun) | Bayer | ||
PrecisionGlideTM needle (18 G) | BD | 302032 | 18 G |
Filter paper | Whatman | 1001 125 | Diameter = 125 mm |
Parafilm | Bemis Flexible Pakaging | PM996 |
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