Точное нанесение волокон медицинского клея на печень с модифицированным электрическим полем на месте для быстрого гемостаза

Фон

Резекция печени - эффективный способ лечения рака печени [1]. Однако при резекции печени обычно возникает сильное кровотечение из-за большого количества кровеносных сосудов в этом особом месте [2]. Несвоевременная остановка кровотечения может привести к серьезной органной недостаточности, которая может даже угрожать жизни человека [3]. Современные методы остановки кровотечения в основном ориентированы на механические методы, такие как наложение швов и лигирование, термические методы, такие как электрокоагуляция [4], и использование гемостатических средств, таких как фибриновые герметики [5, 6], желатиновая матрица [7] и хитозановый гидрогелевый клей [8] ]. Конечно, все они имеют очевидные преимущества и недостатки. Например, наложение швов - самый эффективный способ остановить кровотечение, но он требует своевременной и кропотливой обработки; в противном случае это вызывает длительную ишемию [9]. Точно так же термические методы могут повредить местные ткани и сделать их аномальными по сравнению с нормальной тканью, которую трудно отличить [10]. Более того, фибриновые герметики, широко используемые для гемостаза, могут легко привести к неблагоприятному иммунному ответу человека, и у них также есть недостатки, такие как короткий срок хранения, уязвимость для проникновения микробов и высокая цена [11]. Напротив, технология электронного прядения демонстрирует отличный потенциал в области гемостаза благодаря своим особенностям, таким как использование меньшей дозировки и нанесение покрытия на участки раны даже с неровными поверхностями [12, 13]. Однако существующие методы электронного прядения и устройства для гемостаза по-прежнему имеют несколько проблем, которые необходимо преодолеть:(1) объем и вес настолько велики, что их нельзя легко носить с собой, (2) неточное укладывание волокон [14] занимает больше времени. для реализации того же эффекта гемостаза и могут также вызывать слипание тканей после операции, и (3) они зависят от городского электроснабжения, поэтому они не подходят для использования на открытом воздухе и в удаленных районах без источника питания [15]. Хотя наша группа недавно сообщила о технике электронного прядения с помощью воздушного потока, в которой используется воздуходувка с воздушным насосом для ориентированного осаждения волокон [12], для этого требуется дополнительный источник питания для воздушного насоса. Поэтому крайне желательны портативная техника и устройство электронного прядения, которые не зависят в основном от электричества, но могут также обеспечивать ориентированное отложение волокон для быстрого гемостаза.

Металлическая пластина, помещенная в электростатическое поле, будет генерировать индукционные заряды на своей поверхности из-за электростатического взаимодействия, которое может вызвать новое электрическое поле и, таким образом, изменить исходное распределение электростатического поля [16,17,18]. С другой стороны, процесс электронного прядения использует нестабильное взбивание и расщепление заряженных струй во время электростатического поля для получения микро- / нановолокон и, в конечном итоге, осаждения на заземленном коллекторе [19, 20]. Заряженная струя чувствительна к распределению электростатического поля, поэтому более тонкие волокна обычно получаются путем изменения напряжения [21, 22]. Следовательно, на основе этого принципа, описанного выше, мы можем ввести металлическую пластину в процесс электронного прядения для получения более ориентированного осаждения за счет уменьшения угла расхождения летящей струи за счет изменения распределения электростатического поля. Кроме того, мы используем клинически используемый цианоакрилатный (СА) медицинский клей [23] в качестве препарата для гемостаза [24], поскольку в клиниках обычно требуются большие дозировки для образования толстой пленки для гемостаза. Однако эта пленка является жесткой для большой толщины медицинского клея СА. Напротив, мембраны из полимерных волокон, полученные методами электронного прядения, часто бывают достаточно гибкими и компактными [25]. Поэтому очень важно использовать методы модифицированного электростатическим полем для электронного формования медицинского клея CA с точным нанесением на печень для быстрого гемостаза.

В этом исследовании мы предлагаем метод электронного прядения с изменением электрического поля для реализации контролируемого точного нанесения волокон медицинского клея на место резекции печени. Диапазон осаждения волокон электронного прядения настраивается путем изменения размера металлического конуса. Этот метод электронного прядения с модифицированным электрическим полем был в дальнейшем использован для точного нанесения медицинского клея на месте N -октил-2-цианоакрилат (NOCA) волокна на место резекции печени крысы для реализации быстрого гемостаза в течение 10 секунд. Послеоперационные патологические результаты показывают, что в этой группе электронного прядения с модифицированным электрическим полем наблюдается меньшая воспалительная реакция и меньшая адгезия тканей по сравнению с таковыми в группе с традиционным воздушным потоком. Этот метод в сочетании с разработанным нами портативным электронным прядильным устройством может быть использован в неотложной медицинской помощи, клиниках, выживании в полевых условиях и домашнем уходе благодаря его портативности и точным характеристикам осаждения.

Методы

Материалы

Быстродействующий медицинский клей α-цианоакрилат (СА), состоящий из N -октил-2-цианоакрилат и полиметилметакрилат медицинского качества (ПММА, добавка для увеличения вязкости) были предоставлены Guangzhou Baiyun Medical Adhesive Co., Ltd. и использовались без дополнительной очистки. Хлоралгидрат был куплен у Aladdin и разбавлен до 10% для дальнейшей анестезии.

Гемостатические эксперименты in vivo

Эксперименты по гемостазу после резекции печени крысы были прооперированы на 40 взрослых крысах-самцах SD массой 300-350 г. Этих крыс случайным образом разделили на две группы для экспериментов с воздушным потоком на месте ( n =20) и электронное вращение с изменением электрического поля ( n =20) лечение. Каждая крыса принимала 0,7 мл 10% хлоралгидрата перед операцией, затем выполнялась лапаротомия без долей и 50% резекция печени с последующей модификацией электрического поля in situ (длина стороны электрода 2,5 см, угол электрода 60 °, e - расстояние отжима 10 см, напряжение 10 кВ) или с помощью воздушного потока (диаметр выхода 1,2 мм, напряжение 10 кВ, расход 120 мкл мин ⁻¹ и расстояние электронного прядения 10 см) волокна NOCA электронного прядения. Для каждой крысы весь процесс занимал около 20 мин. Все рабочие процедуры соответствовали правилам управления Национального колледжа экспериментов на животных и Университетскому комитету по исследованиям животных.

Анализ крови и патологические срезы

Образцы крови собирали путем пункции сердца на третий и пятый дни после операции для определения количества лейкоцитов (WBC) и функциональных тестов печени. Крыс умерщвляли, и на седьмой день после операции вырезали долю, в которой долю дополнительно фиксировали в 4% растворе нейтрального формалина, заливали парафином и окрашивали гематоксилином и эозином (HE).

Моделирование электрического поля

Для моделирования распределения электрического поля использовался метод конечных элементов. Геометрическая модель состоит из источника питания 12 кВ, медной иглы с медным конусом и алюминиевой коллекторной пластины в воздухе. Параметры длины иглы, диаметра конуса и расстояния приема были установлены как 3, 5 и 10 см соответственно.

Характеристика

СЭМ-изображения выполняли на сканирующем электронном микроскопе Hitachi TM-1000. Инфракрасный спектр с преобразованием Фурье (FTIR) измеряли на спектрометре Nicolet In10 для анализа межмолекулярной структуры волокон. Оптический микроскоп (Olympus BX51) использовался для определения границы осаждения и оценки площади осаждения. Камера Casio Exilim использовалась для записи процесса резекции печени in vivo.

Результаты и обсуждение

Электронное вращение с модификацией электрического поля для точного осаждения

Рисунок 1 и Дополнительный файл 1:Рисунок S1 показывает наше самодельное портативное устройство электронного прядения, оснащенное техникой электронного прядения с модифицированным электрическим полем. Он использует две безртутные щелочные батареи AAA (диаметр 10 мм, высота 44 мм; LR03, Fujian Nanping, Nanfu Battery, China) в качестве источника питания с высоковольтным преобразователем и избавляет от ограничений городского электроснабжения, которые значительно развиваются. портативное использование на открытом воздухе. Важно отметить, что в отличие от нашего недавно опубликованного устройства электронного прядения [11], вращающаяся игла оснащена металлическим конусом регулируемого размера. Введение металлического конуса изменит исходное распределение электромагнитного поля и повлияет на процесс электронного вращения. Следует отметить, что проблемы безопасности, такие как поражение электрическим током, обычно вызваны сильным током, а не высоким напряжением. В этом исследовании портативное устройство имеет преобразователь, который используется для поддержания высокого напряжения и низкого тока для обеспечения безопасности.

Принципиальная схема модифицированных электрическим полем электронных прядильных волокон NOCA для гемостаза после резекции печени

На рис. 2а показано СЭМ-изображение волокон NOCA из медицинского клея. Диаметр волокон NOCA составляет примерно 1 ~ 3 мкм, и эти волокна демонстрируют сплошную морфологию волокна. На рисунке 2b показан FTIR-спектр этих волокон NOCA. Пики на 714 см ⁻¹ , 2761 см ⁻¹ , и 1732 см ⁻¹ соответствуют вибрации –CH ₂ -, –C≡N и –C =O соответственно. Пик при 3127 см ⁻¹ соответствующий =CH– почти исчезает, что вызвано процессом полимеризации во время процесса электронного прядения:большая часть алкенильных связей C =C в молекулах мономера превращается в полимерные цепи. Кроме того, мы исследуем взаимосвязь между размером металлического конуса и ориентированным осаждением. Как показано на рис. 2в, диаметр зоны осаждения уменьшается с уменьшением размера металлического конуса, когда расстояние между кончиком иглы и коллектором было зафиксировано на 10 см. Это явление, вероятно, связано с тем, что электростатическое поле будет ограничиваться в более узком диапазоне [26, 27] с уменьшением размера металлического конуса, и, таким образом, процесс взбивания при электронном прядении будет более ограниченным, что приведет к меньшей площади осаждения. . Кроме того, также была изучена взаимосвязь между расстоянием электронного вращения и площадью осаждения (рис. 2d). Дополнительный файл 1:Таблица S1 представляет ширину нанесения трех различных методов электронного прядения с увеличением расстояния электронного прядения. При осаждении бетона было обнаружено, что площадь осаждения увеличивается с увеличением расстояния электронного прядения, что согласуется с традиционными результатами электронного прядения. Однако, по сравнению с традиционным электронным прядением, наше электронное прядение с модифицированным электрическим полем с металлическим конусом приводит к меньшей площади осаждения, а именно к лучшему ориентированному осаждению. Даже по сравнению с нашим недавно опубликованным электронным прядением с помощью воздушного потока, это электронное прядение с модифицированным электрическим полем демонстрирует более ориентированное осаждение. Как показано на рис. 2c, d, настройка расстояния электронного вращения и длины стороны металлического конуса может сфокусировать электрическое поле и вызвать более сильную силу схождения. Хотя какая-то более близкая часть, такая как кожа или мышцы живота, может создавать силу, привлекающую летящую струю, мы можем настроить эти два параметра для создания более сильной силы схождения, которая может уменьшить этот отрицательный эффект от силы притяжения. Кроме того, электронное прядение с воздушным потоком требует дополнительного источника питания для воздушного насоса, и это модифицированное в полевых условиях электронное прядение может избавиться от него, обеспечивая большее удобство.

а Изображение SEM и b FTIR-спектр волокон NOCA, полученных с помощью устройства электронного прядения с помощью электрического поля. Размер зоны осаждения как функция c диаметр металлического конуса и d расстояние электронного вращения

Анализ механизма точного осаждения

Чтобы понять причину, по которой это устройство электронного прядения, оснащенное металлическим конусом, могло обеспечить меньшую площадь осаждения, было проведено дальнейшее моделирование электрического поля. На рис. 3 показано распределение электрического поля в моделях электронного прядения с металлическим конусом и без него. Красная стрелка представляет линию электрического поля, направление и длина которой обозначают ориентацию и напряженность электрического поля в этой точке соответственно. Традиционное электронное вращение - это спиннинг без металлического конуса (рис. 3a), а наше электронное вращение с модифицированным электрическим полем - это спиннинг с металлическим конусом (рис. 3b). Как показано на рис. 3, электрический потенциал (цветная полоса) значительно уменьшается в направлении от иглы к собирающей пластине, и, таким образом, положительно заряженные волокна могут быть собраны на собирающей пластине. Что еще интереснее, сравнивая рис. 3a с b, более сильная напряженность электрического поля и меньший угол расходимости направления электрического поля наблюдались на рис. 3b, и эти явления более очевидны, когда они находятся вблизи металлического конуса. Его влияние на изменение электрического поля действует как эффект конвергенции света выпуклой линзой. Силовые линии электрического поля сходятся, так что это приводит к меньшему углу расхождения направления электрического поля. Более того, напряженность электрического поля в том же месте также становится больше из-за этой конвергенции и принципа суперпозиции электрического поля. На вставке - типичная линия электрического поля, выбранная из той же области с увеличением. Напряженность поля 4 × 10 ⁵ В / м на вставке к рис. 3б, что больше 3 × 10 ⁵ В / м на вставке к рис. 3а, что указывает на то, что большая напряженность электрического поля возникает в космосе после добавления металлического конуса. А угол расхождения направления электрического поля составляет 6 ° на вставке к рис. 3b, что меньше 20 ° на вставке к рис. 3а. Эти результаты означают, что это электронное прядение с модифицированным электрическим полем, оснащенное металлическим конусом, обеспечивающим меньшую площадь осаждения, можно объяснить более сильной напряженностью электрического поля и меньшим углом расходимости, которые сужают положительно заряженные волокна, летящие в более узком пространстве, тем самым ограничивая их отложение на меньшую площадь.

Распределение электрического поля в моделях электронного прядения, оборудованных a без и b с металлическим конусом. На вставках представлены увеличенные изображения той же области, на которых показан угол между линией поля и вертикальным направлением

Быстрый гемостаз и анализ in vivo

На рис. 4a – c показан основной процесс гемостаза при резекции печени крыс. Быстрый и эффективный гемостаз был достигнут в течение 10 секунд с помощью волокон NOCA с использованием этой техники электронного прядения с модифицированным электрическим полем, которое является более быстрым, чем метод электронного прядения с помощью воздушного потока. Это явление можно отнести к более ориентированному нанесению электронного вращения с модифицированным электрическим полем, чем электронное вращение с помощью воздушного потока, подтвержденное на рис. 2d, что означает, что такое же количество медицинского клея может быть более точно нанесено на место раны во время такое же время электронного отжима. Фактически, медицинский клей NOCA, используемый в клиниках, обычно распыляется [28,29,30], в то время как площадь осаждения относительно велика, что приводит к серьезным спайкам тканей, что затрудняет выполнение послеоперационных операций, таких как снятие швов и т. Д. даже нанести вторичный ущерб. Лучше ориентированное осаждение не только обеспечивает более быстрый гемостаз, но также позволяет избежать слипания тканей. На рисунке 4d показано поперечное сечение СЭМ-изображений волокон NOCA, которые откладываются на поверхности печени для гемостаза. Он показывает, что волокна NOCA плотно прилегают к поверхности участка печени и образуют компактную волокнистую мембрану толщиной около 50 мкм с временем электронного прядения 10 с. В течение этого короткого времени электронного вращения, составляющего 10 с, изменение расстояния, вызванное дрожанием руки, которое обычно происходит из-за усталости, невелико, обычно не более 1 см, и, таким образом, изменение диапазона осаждения невелико. Что еще более интересно, поверхность участка печени не гладкая, а неправильной формы (рис. 4c), в то время как волокна NOCA могут осаждаться на этой неправильной поверхности с хорошей однородной толщиной (рис. 4d), что означает, что этот модифицированный электрическим полем e -техника спиннинга обладает уникальными преимуществами в быстром гемостазе даже на неровных поверхностях органов.

Гемостаз в модели резекции печени крысы посредством электронного вращения in situ с помощью электрического поля. а Печень была диссоциирована, и была обнажена доля печени. б Долю освободили и зафиксировали хирургическим швом, чтобы временно заблокировать кровоток в печени. c Была сделана гепатэктомия, и волокна медицинского клея NOCA были нанесены на место раны с помощью нашего электронного прядильного устройства с поддержкой электрического поля. г СЭМ-изображение поперечного сечения волокон медицинского клея NOCA, нанесенных на поверхность печени для гемостаза

Тест на количество лейкоцитов (рис. 5а) использовался для оценки послеоперационных инфекций, вызванных гепатэктомией и гемостазом у крыс. Через пять дней после операции количество лейкоцитов ( P <0,05) в группе электронного прядения с модифицированным электрическим полем была значительно ниже, чем в группе обычного распыления и группе с использованием воздушного потока ( P <0,01). Более того, он был близок к группе имитации операции (контрольная группа), что указывает на то, что острое воспаление через 5 дней в группе электронного спиннинга с модифицированным электрическим полем спало до нормального состояния. Напротив, крысы в ​​группе распыления и группе с воздушным потоком демонстрируют серьезную воспалительную реакцию и более медленную регрессию.

Анализ крови. а Количество лейкоцитов. б - г Ферментный тест функции печени. б Аланинаминотрансфераза (АЛТ). c Аспартатаминотрансфераза (АСТ). г Глутамилтрансаминаза (GGT)

Функцию печени оценивали по концентрации сывороточного АЛТ (фиг. 5b), AST (фиг. 5c) и GGT (фиг. 5d). При этом концентрация АЛТ и АСТ может точно отражать степень повреждения клеток печени. Высокие концентрации GGT могут отражать гепатит, механическую желтуху, застой желчи и другие симптомы. Как показано на рис. 5b – d, уровни ферментов функции печени в группе электронного спиннинга с модифицированным электрическим полем после 5 дней операции были в основном близки к уровням в фиктивной группе (контрольная группа) и были значительно ниже, чем в группе обычного спиннинга. группа распыления и группа с воздушным потоком, что указывает на то, что физиологическое состояние крыс в группе электронного вращения с модифицированным электрическим полем и имитационной группе было сходным. Однако GGT в группе распыления и группе с использованием воздушного потока все еще оставался высоким на пятый день после операции ( P <0,001), что указывает на наличие серьезных проблем, таких как застой желчи и повреждение печени.

В дальнейшем была проведена патологическая биопсия на тканях печени после гемостаза. На рис. 6а и с показаны патологические срезы печени после гемостаза с помощью электронного вращения с помощью воздушного потока и с модифицированным электрическим полем, соответственно, а на рис. 6b и d - их увеличенные изображения. По сравнению с группой электронного прядения с воздушным потоком границы ткани печени в группе электронного прядения с модифицированным электрическим полем относительно четкие и имеют более тонкую капсулу. Эти результаты показывают, что способность к регенерации печени лучше в группе, получавшей модифицированное электрическое поле. Более того, в капсуле наблюдалось меньше воспалительных клеток, что указывает на то, что фиброзные мембраны NOCA, изготовленные методом модификации электрического поля, могут вызывать меньшую воспалительную реакцию. Эти результаты можно объяснить тем фактом, что методы, модифицированные электрическим полем, имеют более ориентированное осаждение, чем методы с использованием воздушного потока, что снижает количество медицинского клея NOCA, используемого для достижения того же гемостатического эффекта, что снижает адгезию тканей и, следовательно, воспалительные процессы. отклик. Кроме того, на рис. 6a, b также можно увидеть, что медицинский клей был отделен от ткани печени, что может быть вызвано воздушным ударом, что указывает на то, что адгезия между ними при использовании электронного вращения с помощью воздушного потока не такая сильная, как электронный спиннинг с изменением электрического поля.

Гистопатологическое исследование с окрашиванием HE наблюдается под a , c увеличение × 100 и b , d увеличение × 200. Гистопатологическое исследование показывает воспалительную реакцию и повреждение печени среди гепатоцитов в двух группах на седьмой день. Эти две группы - это a , b группа с воздушным потоком и c , d группа с модифицированным электрическим полем (синяя стрелка:воспалительные клетки; красный кружок:медицинский клей; черная стрелка:толщина зоны гиперемии)

Выводы

Таким образом, мы предлагаем метод электронного прядения с изменением электрического поля с металлическим конусом, прикрепленным к прядильному соплу, для реализации контролируемого точного осаждения волокон. Диапазон осаждения волокон e-spun настраивается путем изменения размера металлического конуса, а механизм объясняется сфокусированным электрическим полем, подтвержденным теоретическим моделированием. Этот метод электронного прядения с модифицированным электрическим полем был в дальнейшем использован для точного нанесения волокон медицинского клея NOCA на место резекции печени крысы для достижения быстрого гемостаза в течение 10 секунд. Послеоперационные патологические результаты показывают, что в этой группе электронного спиннинга с модифицированным электрическим полем наблюдается меньшая воспалительная реакция и меньшая адгезия тканей по сравнению с таковой в традиционной группе с использованием воздушного потока. Этот метод в сочетании с разработанным нами портативным электронным прядильным устройством может быть использован в неотложной медицинской помощи, клиниках, выживании в полевых условиях и домашнем уходе благодаря его портативности и точным характеристикам осаждения.

Сокращения

ALT:

Аланинаминотрансфераза

AST:

Аспартатаминотрансфераза

CA:

Цианакрилат

Электронное вращение:

Электропрядение

FTIR:

Инфракрасное преобразование Фурье

GGT:

Глутамилтрансаминаза

HE:

Гематоксилин и эозин

NOCA:

N -Октил-2-цианоакрилат

PMMA:

Полиметилметакрилат

SEM:

Сканирующий электронный микроскоп

WBC:

Лейкоциты