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TAPE: A Biodégradable hémostatique Glue Inspiré par un composé ubiquitaire dans les plantes pour l'application chirurgicale

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DOI :

10.3791/53930

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8 juin 2016

 ,  , 
1The Graduate School of Nanoscience and Technology, Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), 2Department of Chemistry, Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), 3Center for Systems Biology, Massachusetts General Hospital/Harvard Medical School

Dans cet article

Résumé

Nous décrivons le protocole le plus simple pour préparer la colle médical biodégradable qui a une capacité hémostatique efficace. TAPE est un agrégat supramoléculaire non miscible à l'eau préparée en mélangeant de l'acide tannique, un composé omniprésent dans les plantes, et le poly (éthylène) glycol, ce qui donne un 2,5 fois plus grande adhérence résistant à l'eau par rapport à la colle de fibrine commerciale.

Résumé

Cette vidéo décrit le protocole le plus simple pour la préparation d'une colle chirurgicale biodégradable qui a une capacité hémostatique efficace et une plus grande force d'adhésion résistant à l'eau que les adhésifs de tissus commerciaux. adhésifs médicaux ont attiré une grande attention que d'autres outils potentiels pour sutures et les agrafes en raison de leur commodité dans l'utilisation avec invasivité minimale. Bien qu'il existe plusieurs protocoles pour développer des adhésifs tissulaires, y compris ceux disponibles dans le commerce tels que les colles de fibrine et les matériaux à base de cyanoacrylate, pour la plupart, ils nécessitent une série de synthèses chimiques des molécules organiques, ou des procédés de protéines de purification compliquées, dans le cas des matériaux entraîné bio- (ie, la colle de fibrine). En outre, le développement de colles chirurgicales présentant des propriétés adhésives élevées tout en maintenant la biodégradabilité est encore un défi en raison des difficultés à obtenir de bonnes performances dans l'environnement humide du corps. Nous illustrons une nouvelle méthode pour préparer uncolle médicale, connue sous le nom TAPE, par la séparation en fonction du poids d'un agrégat supramoléculaire non miscible à l' eau formée après un mélange physique d'une molécule d'adhésif humide résistant végétale, T Annic A cid (TA), et un bien-connue biopolymère, le poly (éthylène) glycol (PEG). Avec notre approche, TAPE montre la force d'adhérence élevée, ce qui est 2,5 fois plus de colle de fibrine commerciale en présence d'eau. En outre, la bande est biodégradable dans les conditions physiologiques et peut être utilisé comme une colle hémostatique efficace contre les saignements de tissus. Nous nous attendons à l'utilisation généralisée de TAPE dans une variété de paramètres médicaux et des applications d'administration de médicaments, tels que les polymères pour muco-adhérence, des dépôts de médicaments, et d'autres.

Introduction

Dans une dernière décennie, des efforts ont été faits pour remplacer les sutures et les agrafes chirurgicales actuelles pour fermer les plaies avec des adhésifs biodégradables / biorésorbables en raison de leur commodité dans l'utilisation et le faible invasivité des tissus pendant les traitements chirurgicaux. Disponibles dans le commerce tissulaires adhésifs sont classés en quatre catégories: (1) les dérivés de cyanoacrylate 1, (2) des colles de fibrine formée par conversion enzymatique de fibrinogène en fibrine polymères par la thrombine de 2,3, (3) des matériaux à base de protéines telles que chimique ou physique , albumine réticulée et / ou de gélatine et 4,5, et celles à base de polymère synthétique (4) 6. Bien qu'ils aient été utilisés dans de nombreuses applications cliniques, les adhésifs ont leurs propres inconvénients et les désavantages qui peuvent constituer des obstacles à leur utilisation répandue intrinsèques. colles à base de cyanoacrylate montrent la force d'adhérence élevée pour les tissus, mais leur sous-produits toxiques tels que le cyanoacétate et le formaldéhyde formé lors de la dégradation, provoquent souvent des signesdegrés ificant de réponses inflammatoires 7. Colles de fibrine et de l' albumine ou des matériaux à base de gélatine ont des problèmes de sécurité concernant la transmission des composantes infectieuses, telles que les virus d'origine animale: le plasma sanguin humain pour les colles de fibrine et d' animaux , notamment les bovins, les poulets, les porcs et les poissons pour les colles à base de gélatine 8. Bien que quelques adhésifs à base de polymères synthétiques ont été approuvés par la Federal Drug Administration (FDA), la plupart des adhésifs à base de polymères synthétiques continuent d'avoir des difficultés à réduire au minimum les étapes du processus de fabrication et la réalisation biocompatibilité 9. Plus important encore , toutes les colles souffrent d' une mauvaise résistance mécanique et l' adhérence aux tissus humides 10. Récemment, des adhésifs tissulaires biomimétiques inspirés par les moules marines 11-13, geckos 14, gecko avec moules 15, et les vers endoparasites 16 sont apparues comme des alternatives prometteuses aux colles médicales actuelles en raison de leur mécanique accordable etpropriétés adhésives avec biocompatibilité. Cependant, à ce jour, il y a encore des questions à traiter avant qu'ils ne deviennent des produits commerciaux 17.

Ici, nous rapportons un type entièrement nouveau de colle médicale appelée ruban qui est préparé par liaison hydrogène intermoléculaire entre une molécule d'adhésif d'origine végétale, l'acide tannique (TA), et un polymère bio-inerte poly (éthylène glycol) (PEG), comme son nom l'indique. TA est un tanin hydrolysable représentant ubiquitaire trouvé au cours du métabolisme secondaire des plantes. Il a beaucoup attiré l' attention en raison de ses propriétés anti-oxydantes, et des propriétés anti-cancérigènes antimutagène et il a été démontré que participer à des interactions avec de nombreux polymères supramoléculaires tels que le poly (N -isopropylacrylamide) (PNIPAM) et le poly (N - vinylpyrrolidone) (PVPON), pour former la couche par couche (LBL) films 18-20 et médicaments libérant des microcapsules 21-23. Dans cette étude, nous découvrons que TA peut agir comme un moyen efficacegroupement fonctionnel adhésif résistant à l'eau pour former un adhésif médical, CASSETTE. Par simple mélange à TA, un encrassement non polymère PEG est une colle supramoléculaire avec 2,5 fois plus grande résistance à l'adhérence par rapport à la colle de fibrine du commerce, et cette adhérence a été maintenue pendant jusqu'à 20 cycles d'attachement et de détachement, même en présence d'eau, . Sa capacité hémostatique a été testé sur un modèle de saignement du foie in vivo et a montré une bonne capacité hémostatique pour arrêter le saignement en quelques secondes. TAPE a sa signification importante dans un domaine connexe comme le premier adhésif d'origine végétale qui peut révéler de nouvelles informations sur la résolution des inconvénients des problèmes actuels avec les approches bio-inspirées. Nous nous attendons également l'utilisation généralisée de TAPE dans une variété d'applications médicales et pharmaceutiques telles que muco-adhésifs, des correctifs de médicaments libérant, les pansements de soins, et d'autres en raison de sa méthode de préparation simple, l'évolutivité, le taux de biodégradation accordable, ainsi que ADHES très humide résistantpropriétés d'ions.

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Protocole

Tous les soins des animaux et des expériences sont effectuées en conformité avec le protocole éthique fournie par le KAIST (Korea Advanced Institute of Science and Technology) IRB (Institutional Review Board).

1. TAPE Formation

  1. Pour préparer une solution TA, placez un flacon en verre de 4 ml de taille sur un agitateur magnétique, et ajouter 1 ml d'eau distillée avec un barreau d'agitation. Ajouter 1 g d'acide tannique dans le flacon, et le dissoudre dans l'eau par agitation douce à 200 rpm pendant plus de 1 h. Lorsque le TA est complètement dissous, le mélange devient transparent avec une couleur brune.
  2. Préparer une solution de PEG en ajoutant 1 g de poudre de PEG (4-bras, 10 kDa et linéaire, 4,6 kDa) à 1 ml d'eau distillée, puis en les mélangeant par tourbillonnement pendant quelques secondes pour former une suspension blanche. Gardez cette suspension dans l'incubateur à 60 ° C pendant 10 min. jusqu'à ce que le blanc devient tout à fait clair.
    NOTE: Le point de PEG de fusion avec 10 kDa de poids moléculaire est d' environ 55- 60 ° C, et 4 kDa un est de 53 - 58 ° C. Fondu PEG devient miscible à l'eau de sorte qu'une concentration élevée de PEG dans l'eau jusqu'à 1 g / ml peut être réalisé comme une solution claire. Une fois une solution limpide PEG est formée à une température élevée, la solution est toujours stable à la température ambiante après refroidissement.
  3. Ajouter 329 ul de PEG (4-bras, 10 kDa) la solution préparée à l'étape 1.2 à 671 ul de la solution TA préparé à l'étape 1.1 (Dans le cas d'un PEG linéaire avec 4,6 kDa, ajouter 311 ul d'une solution de PEG à 689 ul d'une solution TA) dans un tube de micro-centrifugeuse. Incorporer délicatement les deux solutions visqueuses et de miel comme avec une spatule étroite pour les mélanger de façon homogène.
    ATTENTION: Les deux solutions sont très visqueux, de sorte que le scientifique doit lentement mais suffisamment tirer vers le haut et transférer les solutions avec une micropipette.
  4. Essorer le mélange préparé à l'étape 1.3 à 12.300 x g pendant 3 min dans une centrifugeuse équipée d'un rotor à angle fixe.
  5. soigneusement remove autant de surnageant que possible en utilisant une micropipette, et recueillir le produit qui a installés: Ceci est le TAPE complètement formé. Après la formation de TAPE, le stocker dans le réfrigérateur (4-8 ° C) pendant plusieurs semaines . REMARQUE: TAPE peut être stérilisé par rayonnement gamma ou d' électrons traitement par faisceau avant l'utilisation dans des applications chirurgicales.

2. Mesure de la force d'adhérence de la BANDE

  1. Préparer deux morceaux de tissu porcin de peau d'un diamètre de 6 mm, en découpant avec un poinçon de biopsie après avoir retiré la graisse sur le tissu cutané.
    NOTE: Le tissu porcin de la peau a été obtenue à partir de la peau de porc sain de flanc et a été acheté auprès d' un marché de la viande locale situé à Daejeon en Corée du Sud.
  2. Appliquer la colle cyanoacrylate commerciale sur le côté extérieur de chaque tissu et fixer le tissu sur la tige métallique.
    REMARQUE: La tige métallique est utilisé comme une poignée supplémentaire afin tissus unen'êtes pas directement saisi par la machine. En conséquence, il peut être remplacé par d'autres matériaux qui suivent la configuration de la machine de traction.
  3. Appliquer une goutte de TAPE (une goutte de TAPE est d'environ 3-6 mg) d'un côté du tissu. Ensuite, étaler uniformément TAPE en utilisant un autre tissu entre les deux tissus sur leurs faces internes de sorte qu'ils sont fixés , comme le montre la figure 2A.
  4. Ensuite, fixez manuellement et détacher les deux côtés des tissus à plusieurs reprises pour mélanger de façon homogène et d'optimiser l'interface entre chaque tissu et TAPE.
  5. Avec l'UTM, soigneusement saisir chaque côté de la tige. La force d'adhésion est déterminée par la force nécessaire pour séparer deux tissus fixés avec du ruban adhésif. Tout d'abord, appliquer une force de 20 N pendant 1 min. Ensuite, avec la machine, tirer sur chaque tige dans une direction opposée à une vitesse de 1 mm / min. jusqu'à ce que les tissus sont complètement détachés.
    NOTE: Les données seront donnés en tant que force-distance (FD) courbe détectée par le mouvementde chaque tige.
  6. Calculer la force d'adhérence de la bande en divisant la force maximale ( en kN) représentée sur la courbe FD obtenu à l' étape 2.5 de l'aire de surface de l' échantillon, qui est, 3,14 x (0,003 m) 2.
  7. Pour la surveillance de la force d'adhérence en présence d'eau, ajouter 20 pi d'eau sur la zone isolée entre deux tissus, et les attacher immédiatement. Avec la machine, effectuer à nouveau le test de détachement.

3. Dégradation in vitro Essai

  1. Coupez un chapeau (d = 8 mm) du tube de micro-centrifugeuse, et peser le bouchon pour le définir comme W c.
  2. Remplissez le bouchon avec 150 mg de TAPE, et peser tous ensemble à nouveau pour le définir comme un poids initial total W 0.
    ATTENTION: Ne pas surcharger TAPE dans le capuchon. La hauteur de bande doit être inférieure à la partie supérieure du capuchon, car il peut être une barrière physique à un flux de tampon PBS généré par le processus d'agitation pendant l'incubation à l'étape 3.4.
  3. Mettre le bouchon contenant TAPE dans un flacon de culture cellulaire (75 cm 2), et ajouter 50 ml de tampon PBS (1x, pH 7,4) dans le flacon de culture cellulaire de sorte que le TAPE dans le bouchon est complètement immergé dans le tampon PBS, comme représenté sur la figure 3A (n = 5).
  4. Incuber la fiole de culture de cellules préparée à l'étape 3.3 dans un incubateur agitateur orbital à 37 ° C, semblable à des conditions physiologiques, sous légère agitation (50 tpm).
    ATTENTION: Garder l'état d'agitation à 50 tours par minute. rpm supérieur pourrait provoquer un effondrement du TAPE.
  5. A chaque point de temps, prenez le bouchon avec TAPE du flacon de culture cellulaire, puis les sécher en soufflant de l'azote gazeux. Peser le bouchon contenant restant TAPE. Réglez le poids à chaque point à W t de temps. Remplacez le PBS frais à nouveau, et le secouer à nouveau après la mesure de W t à chaque point de temps.
  6. Calculer le poids relatif restant (%) l'équation suivante.
    Poids relatif restant (%) = (W t - W c) / (W 0 - W c) x 100%

4. hémostatique Capacité de TAPE

REMARQUE: Toutes les expériences sur les animaux doivent être effectués en conformité avec les directives et protocoles éthiques fournis par le ministère coréen de la santé et du bien - être.

  1. Pour évaluer la capacité hémostatique in vivo, revoir le modèle du foie hémorragie de la souris comme décrit dans la référence 24.
  2. Anesthésier quinze souris (souris ICR normale, 6 semaines, 30 - 35 g, mâles) avec une injection intrapéritonéale de tilétamine-zolazepam (33,333 mg / kg) et de xylazine (7,773 mg / kg) (n = 5 par groupe). Pour confirmer anesthetization bon, pincez la patte de l'animal doucement et observer des mouvements tels que le retrait de la patte, etc. Aucun mouvement indique que l'animal est suffisamment anesthésié pour faire la chirurgie.
  3. Pour prévenir la sécheresse des yeux de l'animal, appliquer une pommade vétérinaire pour les yeux suffisamment soumis à uneesthesia. Exposer le foie par une incision abdominale médiane, et piquez le foie avec une aiguille de 18 G pour induire des saignements.
  4. Retirez le sang qui coule avec une gaze stérile, et de mettre 100 pi de TAPE ou de la colle de fibrine (contrôle positif) immédiatement sur le site de saignement.
    REMARQUE: Aucune autre suturer est nécessaire après application CASSETTE en raison de ses propriétés d' adhérence très sang sur les tissus résistant à la plaie. Pour le contrôle négatif, aucun traitement ne se produit sur le site de saignement.
  5. Dans chaque cas, mettre un papier filtre ayant une masse connue sous le foie pour recueillir le sang à partir du site endommagé. Remplacez le papier par une nouvelle toutes les 30 secondes pour 4 fois (ie., 2 min).
  6. Mesurer la masse de sang absorbée sur chaque papier filtre recueilli toutes les 30 secondes. Après l'expérimentation animale, sacrifier les souris par asphyxie au CO2 euthanasie.

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Résultats

La bande est un agrégat supramoléculaire qui se dépose vers le bas après centrifugation du mélange de deux solutions aqueuses contenant TA (1 g / ml dans l' eau distillée) et du PEG (1 g / ml dans l' eau distillée) à 2: 1 en volume (figure 1A). Le rapport de mélange est le facteur clé dans la réalisation de la force d'adhérence élevée; Lorsque le ruban est formé par un rapport de 2: 1 mélange de 20 unités du groupement hydroxyle (-OH) dans 25 unités de TA int...

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Discussion

Nous avons développé une toute nouvelle classe de hémostatique adhésif nommé TAPE inspiré par l'interaction moléculaire résistant à l'eau d'un composé polyphénolique d'origine végétale, TA. TA est un tanin hydrolysable représentatif qui a considérablement attiré l'attention en raison de ses anti-oxydants, des propriétés anti-bactériennes, anti-mutagène et anti-cancérigènes.

Le processus de fabrication TAPE est extrêmement simple, évolutive et respectueuse de l'environ...

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Déclarations de divulgation

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Remerciements

Cette étude a été financée par la Fondation nationale pour la recherche de Corée du Sud : subvention pour les scientifiques en milieu de carrière (2014002855), et le ministère de l’Industrie, du Commerce et des Ressources naturelles : Programme de développement de matériaux de premier plan mondial. Ce travail est également soutenu en partie par le Center for Nature-inspired Technology (CNiT) du KAIST Institute for NanoCentury (KINC).

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Acide tanniqueSigma-aldrich403040
Poly(oxyde d’éthylène), 4 bras, à terminaison hydroxyléeAldrich565709 Averge Mn ~ 10 000
Poly(éthylène glycol)Aldrich373001Moyenne Mn 4 600
Poinçon de biopsieMiltex33-36Diamètre = 6 mm
Aron AlphaToagosei Co., Ltd.Colle instantanée
Machine d’essai universelle (UTM)Instron5583
Tubes de microcentrifugationSPL life science600151,5 ml
Boîte de PétriSPL life science1009090 x 15 mm
Phosphate de sodium monobasiqueSigmaS50111x ingrédient PBS
Phosphate de sodium dibasiqueSigmaS51361x Ingrédient PBS
Chlorurede sodium Duchefa biochemieS0520.50001x ingrédient PBS
Agitateur d’incubationCompagnon de laboratoireSIF6000R
souris ICROrient bioSouris ICR normales6 semaines, 30 - 35 g, mâle
Tiletamine-zolazépam (Zoletil 50)Virbac
Zylazine (Rompun)Bayer
Aiguille PrecisionGlideTM (18 G)BD30203218 G
Papier filtreWhatman1001 125Diamètre = 125 mm
ParafilmBemis Flexible PakagingPM996

Références

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Mots-clés

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