TAPE: A Biodégradable hémostatique Glue Inspiré par un composé ubiquitaire dans les plantes pour l'application chirurgicale
Summary
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.
Abstract
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.
Protocol
Representative Results
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 respe…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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).
Materials
| 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 |
Riferimenti
- Leggat, P. A., Smith, D. R., Kedjarune, U. Surgical applications of cyanoacrylate adhesives: a review of toxicity. ANZ J Surg. 77 (4), 209-213 (2007).
- MacGillivray, T. E. Fibrin Sealants and Glues. J Cardiac Surg. 18 (6), 480-485 (2003).
- Radosevich, M., Goubran, H. A., Burnouf, T. Fibrin sealant: scientific rationale, production methods, properties and current clinical use. Vox. Sang. 72 (3), 133-143 (1997).
- Nomori, H., Horio, H., Suemasu, K. The efficacy and side effects of gelatin-resorcinol formaldehyde-glutaraldehyde (GRFG) glue for preventing and sealing pulmonary. Surg. Today. 30 (3), 244-248 (2000).
- Duarte, A. P., Coelho, J. F., Bordado, J. C., Cidade, M. T., Gil, M. H. Surgical adhesives: Systematic review of the main types and development forecast. Prog. Polym. Sci. 37 (8), 1031-1050 (2012).
- Bhatia, S. K. Traumatic injuries. Biomaterials for clinical applications. , 213-258 (2010).
- Bouten, P. J. M., et al. The chemistry of tissue adhesive materials. Prog.Polym. Sci. 39 (7), 1375-1405 (2014).
- Annabi, N., Tamayol, A., Shin, S. R., Ghaemmaghami, A. M., Peppas, N. A., Khademhosseini, A. Surgical materials: Current challenges and nano-enabled solutions. Nano Today. 9 (5), 574-589 (2014).
- Strausberg, R. L., Link, R. P. Protein-based medical adhesives. Trends.Biotechnol. 8 (2), 53-57 (1990).
- Bilic, G., et al. Injectable candidate sealants for fetal membrane repair: bonding and toxicity in vitro. Am J Obstet Gynecol. 202 (1), 1-9 (2010).
- Mehdizadeh, M., Weng, H., Gyawali, D., Tang, L., Yang, J. Injectable citrate-based mussel-inspired tissue bioadhesives with high wet strength for sutureless wound closure. Biomaterials. 33 (32), 7972-7980 (2012).
- Ryu, J. H., Lee, Y., Kong, W. H., Kim, T. G., Park, T. G., Lee, H. Catechol-functionalized chitosan/pluronic hydrogels for tissue adhesives and hemostatic materials. Biomacromolecules. 12 (7), 2653-2660 (2011).
- Mahdavi, A., et al. A biodegradable and biocompatible gecko-inspired tissue adhesive. Proc Natl Acad Sci USA. 105 (7), 2307-2310 (2008).
- Lee, H., Lee, B. P., Messersmith, P. B. A reversible wet/dry adhesive inspired by mussels and geckos. Nature. 488, 338-341 (2007).
- Yang, S. Y., et al. A bio-inspired swellable microneedle adhesive for mechanical interlocking with tissue. Nature Commun. 4, 1702-1710 (2013).
- Spotnitz, W. D., Burks, S. Hemostats, sealants, and adhesives: components of the surgical toolbox. Transfusion (Paris). 48 (7), 1502-1516 (2008).
- Erel, I., Schlaad, H., Demirel, A. L. Effect of structural isomerism and polymer end group on the pH-stability of hydrogen-bonded multilayers. J Colloid Interface Sci. 361 (2), 477-482 (2011).
- Shutava, T. G., Prouty, M. D., Agabekov, V. E., Lvov, Y. M. Antioxidant Properties of Layer-by-Layer films on the Basis of Tannic Acid. Chem Lett. 35 (10), 1144-1145 (2006).
- Schmidt, D. J., Hammond, P. T. Electrochemically erasable hydrogen-bonded thin films. Chem Commun. 46 (39), 7358-7360 (2010).
- Shutava, T., Prouty, M., Kommireddy, D., Lvov, Y. pH Responsive Decomposable Layer-by-Layer Nanofilms and Capsules on the Basis of Tannic Acid. Macromolecules. 38 (7), 2850-2858 (2005).
- Erel, I., Zhu, Z., Zhuk, A., Sukhishvili, S. A. Hydrogen-bonded layer-by-layer films of block copolymer micelles with pH-responsive cores. J Colloid Interface Sci. 355 (1), 61-69 (2011).
- Kim, B. -. S., Lee, H. -. I., Min, Y., Poon, Z., Hammond, P. T. Hydrogen-bonded multilayer of pH-responsive polymeric micelles with tannic acid for surface drug delivery. Chem Commun. 45 (28), 4194-4196 (2009).
- Murakami, Y., Yokoyama, M., Nishida, H., Tomizawa, Y., Kurosawa, H. A simple hemostasis model for the quantitative evaluation of hydrogel-based local hemostatic biomaterials on tissue surface. Colloids Surf B Biointerfaces. 65 (2), 186-189 (2008).
- Kim, K., et al. TAPE: A Medical Adhesive Inspired by a Ubiquitous Compound in Plants. Adv Funct Mater. 25 (16), 2402-2410 (2015).
- Suzuki, S., Ikada, Y. Adhesion of cells and tissues to bioabsorbable polymeric materials: scaffolds, surgical tissue adhesives and anti-adhesive materials. J Adhes. Sci. Technol. 24 (13), 2059-2077 (2010).
- Lomova, M. V., et al. Multilayer Capsules of Bovine Serum Albumin and Tannic Acid for Controlled Release by Enzymatic Degradation. ACS Appl Mater Interfaces. 7 (22), 11732-11740 (2015).
- Shin, M., Ryu, J. H., Park, J. P., Kim, K., Yang, J. W., Lee, H. DNA/Tannic Acid Hybrid Gel Exhibiting Biodegradability, Extensibility, Tissue Adhesiveness, and Hemostatic Ability. Adv Funct Mater. 25 (8), 1270-1278 (2015).
- Kozlovskaya, V., Kharlampieva, E., Drachuk, I., Chenga, D., Tsukruk, V. V. Responsive microcapsule reactors based on hydrogen-bonded tannic acid layer-by-layer assemblies. Soft Matter. 6 (15), 3596-3608 (2010).
- Oh, D. X., et al. A rapid, efficient, and facile solution for dental hypersensitivity: The tannin-iron complex. Sci Rep. 5, 10884 (2015).
