Dépôt précis in situ modifié par champ électrique de fibres de colle médicale électrofilées sur le foie pour une hémostase rapide

Contexte

La résection hépatique est un moyen efficace de traiter les cancers du foie [1]. Cependant, des saignements abondants surviennent généralement lors de la résection hépatique en raison de l'abondance des vaisseaux sanguins dans ce site spécial [2]. Le fait de ne pas arrêter le saignement à temps peut entraîner une grave défaillance d'organe pouvant même menacer la vie humaine [3]. Les méthodes actuelles pour arrêter les saignements sont principalement axées sur les méthodes mécaniques telles que la suture et la ligature, les méthodes thermiques telles que l'électrocoagulation [4] et l'utilisation d'agents hémostatiques tels que les colles de fibrine [5, 6], la matrice de gélatine [7] et l'adhésif hydrogel de chitosane [8 ]. Bien sûr, tous ont des avantages et des limites évidents. Par exemple, la suture est le moyen le plus efficace d'arrêter le saignement, mais elle nécessite un processus rapide et méticuleux; sinon, il provoque une ischémie à long terme [9]. De même, les méthodes thermiques peuvent endommager les tissus locaux et les rendre anormaux des tissus normaux qui ne peuvent pas être distingués facilement [10]. De plus, les colles de fibrine largement utilisées pour l'hémostase peuvent facilement entraîner une réponse immunitaire humaine défavorable, et elles présentent également des inconvénients tels qu'une courte durée de conservation, une vulnérabilité à l'intrusion microbienne et un prix élevé [11]. En revanche, la technologie de filage électronique montre un excellent potentiel en hémostase pour ses caractéristiques spéciales telles que l'utilisation de moins de dosage et de revêtement sur les sites de plaie même avec des surfaces irrégulières [12, 13]. Cependant, les techniques et dispositifs de filage électronique existants pour l'hémostase ont encore plusieurs problèmes à surmonter :(1) le volume et le poids sont si volumineux qu'ils ne peuvent pas être facilement transportés, (2) le dépôt inexact de fibres [14] prend plus de temps pour obtenir le même effet hémostatique et peuvent également provoquer une adhérence des tissus après l'opération, et (3) ils dépendent de l'alimentation électrique urbaine, ils ne conviennent donc pas à des utilisations en extérieur et dans des zones reculées sans alimentation électrique [15]. Bien que notre groupe ait récemment signalé une technique de filage électronique assistée par flux d'air qui utilise un ventilateur à pompe à air pour permettre un dépôt orienté de fibres [12], elle nécessite une alimentation électrique supplémentaire pour la pompe à air. Par conséquent, une technique et un dispositif de filage électronique portables qui ne reposent pas principalement sur l'électricité mais peuvent également réaliser un dépôt orienté de fibres pour une hémostase rapide sont fortement souhaités.

Une plaque métallique placée dans le champ électrostatique générera des charges inductives à sa surface en raison de l'interaction électrostatique, ce qui peut induire un nouveau champ électrique et ainsi modifier les distributions originales du champ électrostatique [16,17,18]. D'autre part, le processus de filage électronique utilise le fouettement et la division instables des jets chargés pendant le champ électrostatique pour obtenir des micro-/nanofibres et finalement se déposer sur un collecteur mis à la terre [19, 20]. Le jet chargé est sensible à la distribution du champ électrostatique, donc des fibres plus fines sont généralement obtenues en changeant la tension [21, 22]. Par conséquent, sur la base de ce principe décrit ci-dessus, nous pouvons introduire une plaque métallique dans le processus de filage électronique pour produire un dépôt plus orienté en diminuant l'angle de divergence du jet volant en modifiant la distribution du champ électrostatique. De plus, nous utilisons de la colle médicale cyanoacrylate (CA) utilisée en clinique [23] comme médicament hémostatique [24], car une dose importante est généralement requise dans les cliniques pour former un film épais pour l'hémostase. Cependant, ce film est rigide pour la grande épaisseur de la colle médicale CA. Au contraire, les membranes en fibres polymères générées par les méthodes de filage électronique sont souvent suffisamment flexibles et compactes [25]. Par conséquent, il est très important d'utiliser des méthodes électrostatiques modifiées sur le terrain pour le filage électronique de la colle médicale CA avec un dépôt précis sur le foie pour une hémostase rapide.

Dans cette étude, nous proposons une technique de filage électronique modifiée par champ électrique pour réaliser un dépôt précis et contrôlable de fibres de colle médicale sur le site de résection hépatique. La plage de dépôt des fibres e-spun est réglable en modifiant la taille du cône métallique. Cette méthode de filage électronique modifiée par champ électrique a également été utilisée pour déposer in situ avec précision de la colle médicale N Fibres de -octyl-2-cyanoacrylate (NOCA) sur le site de résection du foie de rat pour réaliser une hémostase rapide en 10 s. Les résultats pathologiques postopératoires indiquent que moins de réponse inflammatoire et d'adhérence tissulaire sont observées dans ce groupe de filage électronique modifié par champ électrique par rapport à ceux du groupe traditionnel assisté par flux d'air. Cette technique, combinée à notre dispositif de filage électronique portable conçu, pourrait être utilisée dans les traitements médicaux d'urgence, les cliniques, la survie sur le terrain et les soins à domicile pour sa portabilité et ses caractéristiques de dépôt précises.

Méthodes

Matériaux

Adhésif médical rapide -cyanoacrylate (CA) composé de N Le -octyl-2-cyanoacrylate et le polyméthacrylate de méthyle de qualité médicale (PMMA, un additif pour augmenter la viscosité) ont été fournis par Guangzhou Baiyun Medical Adhesive Co., Ltd. et utilisés sans autre purification. L'hydrate de chloral a été acheté auprès d'Aladdin, qui a été dilué dans 10 % pour une anesthésie supplémentaire.

Expériences hémostatiques in vivo

Les expériences d'hémostase après résection hépatique de rat ont été effectuées sur 40 rats SD mâles adultes pesant 300 ~ 350 g. Ces rats ont été divisés au hasard en deux groupes pour le flux d'air in situ assisté (n = 20) et e-spinning modifié par champ électrique (n = 20) traitement. Chaque rat a accepté 0,7 ml d'hydrate de chloral à 10 % avant l'opération, puis une laparotomie, sans lobe, et une résection du foie à 50 %, suivies d'un champ électrique modifié in situ (longueur du côté de l'électrode de 2,5 cm, angle d'électrode de 60 °, e -distance de rotation de 10 cm, tension de 10 kV) ou assistée par flux d'air (diamètre de sortie de 1,2 mm, tension de 10 kV, débit de 120 μl min ⁻¹ , et distance de filage électronique de 10 cm) fibres NOCA à filage électronique. L'ensemble du processus a duré environ 20 min pour chaque rat. Toutes les procédures d'exploitation étaient conformes aux règlements du Collège national d'expérimentation animale et aux règlements de gestion du Comité universitaire de recherche animale.

Test sanguin et section pathologique

Des échantillons de sang ont été prélevés par ponction cardiaque les troisième et cinquième jours après l'opération pour la détection du nombre de globules blancs (WBC) et les tests de la fonction hépatique. Les rats ont été euthanasiés et le lobe a été excisé le septième jour après l'opération, au cours duquel le lobe a été encore fixé dans la solution de formol neutre à 4 %, inclus dans de la paraffine et coloré à l'hématoxyline et à l'éosine (HE).

Simulation de champ électrique

La méthode d'analyse par éléments finis a été utilisée pour simuler la distribution du champ électrique. Le modèle géométrique se compose d'une alimentation de 12 kV, d'une aiguille en cuivre fixée par un cône en cuivre et d'une plaque collectrice en aluminium dans l'air. Les paramètres de longueur d'aiguille, de diamètre de cône et de distance de réception ont été définis sur 3, 5 et 10 cm, respectivement.

Caractérisation

L'imagerie SEM a été réalisée sur un microscope électronique à balayage Hitachi TM-1000. Le spectre infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) a été mesuré sur un spectromètre Nicolet In10 pour analyser la structure intermoléculaire des fibres. Un microscope optique (Olympus BX51) a été utilisé pour trouver la limite de dépôt et évaluer la zone de dépôt. La caméra Casio Exilim a été utilisée pour enregistrer le processus de résection hépatique in vivo.

Résultats et discussion

Tournage électronique modifié par champ électrique pour un dépôt précis

Figure 1 et fichier 1 supplémentaire :la figure S1 présente notre appareil de filage électronique portatif fait maison équipé de la technique de filage électronique modifiée par champ électrique. Il utilise deux piles alcalines AAA sans mercure (diamètre 10 mm, hauteur 44 mm; LR03, Fujian Nanping, Nanfu Battery, Chine) comme alimentation avec un convertisseur haute tension et s'affranchit de la limitation de l'approvisionnement en électricité urbaine qui se développe fortement l'utilisation portable en extérieur. Il est important de noter que, très différent de notre récent dispositif de filage électronique [11], un cône métallique de taille ajustable est équipé au niveau de l'aiguille de filage. L'introduction du cône métallique modifierait les distributions originales du champ électromagnétique et affecterait le processus de filage électronique. Il convient de noter que les problèmes de sécurité tels que les chocs électriques sont généralement causés par un courant élevé plutôt qu'une haute tension. Dans cette étude, l'appareil portable dispose d'un convertisseur qui est utilisé pour maintenir une haute tension et un faible courant pour assurer la sécurité.

Schéma de principe des fibres NOCA e-spinning modifiées par champ électrique pour l'hémostase de résection hépatique

La figure 2a montre l'image SEM des fibres NOCA de la colle médicale. Le diamètre des fibres NOCA est d'environ 1 à 3 μm, et ces fibres présentent une morphologie de fibre continue. La figure 2b montre le spectre FTIR de ces fibres NOCA. Pics à 714 cm ⁻¹ , 2761 cm ⁻¹ , et 1732 cm ⁻¹ correspondent à la vibration de –CH₂ –, –C≡N et –C=O, respectivement. Le pic à 3127 cm ⁻¹ correspondant à =CH– disparaît presque, ce qui est causé par le processus de polymérisation au cours du processus de filage électronique selon lequel la plupart des liaisons alcényles C=C dans les molécules de monomère sont transformées en chaînes polymères. De plus, nous étudions la relation entre la taille du cône métallique et le dépôt orienté. Comme le montre la figure 2c, le diamètre de la zone de dépôt diminue avec la diminution de la taille du cône métallique lorsque la distance entre la pointe de l'aiguille et le collecteur est fixée à 10 cm. Ce phénomène est probablement dû au fait que le champ électrostatique serait limité à une plage plus étroite [26, 27] avec la diminution de la taille du cône métallique, et ainsi, le processus de fouettage dans le filage électronique serait plus restreint, ce qui entraînerait une zone de dépôt plus petite. . De plus, la relation entre la distance de rotation électronique et la zone de dépôt a également été étudiée (Fig. 2d). Fichier supplémentaire 1 :le tableau S1 présente la largeur de dépôt de trois méthodes de filage électronique différentes avec une distance de filage électronique croissante. Le dépôt de béton a révélé que la zone de dépôt augmente avec l'augmentation de la distance de filage électronique, ce qui est cohérent avec les résultats de filage électronique traditionnels. Cependant, par rapport au filage électronique traditionnel, notre filage électronique modifié par champ électrique avec un cône métallique entraîne une zone de dépôt plus petite, à savoir un dépôt mieux orienté. Même comparé à notre filage électronique assisté par flux d'air récemment rapporté, ce filage électronique modifié par champ électrique présente un dépôt mieux orienté. Comme le montrent les figures 2c, d, le réglage de la distance de rotation électronique et la longueur des côtés du cône métallique peuvent focaliser le champ électrique et provoquer une force de convergence plus forte. Bien qu'une partie plus proche, comme la peau ou le muscle de l'abdomen, puisse produire une force pour attirer le jet volant, nous pouvons régler ces deux paramètres pour générer une force de convergence plus forte qui peut réduire cet effet négatif de la force d'attraction. De plus, l'e-spinning assisté par flux d'air nécessite une alimentation électrique supplémentaire pour la pompe à air, et cet e-spinning modifié sur le terrain peut s'en débarrasser, apportant plus de commodité.

un L'image SEM et b Spectre FTIR de fibres NOCA obtenu par le dispositif de filage électronique assisté par champ électrique. La taille de la zone de dépôt en fonction de c diamètre du cône métallique et d distance de rotation électronique

Analyse du mécanisme de dépôt précis

Pour comprendre la raison pour laquelle ce dispositif de filage électronique équipé d'un cône métallique pourrait entraîner une zone de dépôt plus petite, leurs simulations de champ électrique ont été menées plus avant. La figure 3 montre la distribution du champ électrique des modèles de filature électronique équipés et sans cône métallique. La flèche rouge représente la ligne de champ électrique, dont la direction et la longueur représentent respectivement l'orientation et la force du champ électrique à ce point. La filature électronique traditionnelle est celle sans cône métallique (Fig. 3a), et notre filature électronique modifiée par champ électrique est celle avec un cône métallique (Fig. 3b). Comme le montre la figure 3, le potentiel électrique (barre de couleur) est considérablement diminué le long de la direction allant de l'aiguille à la plaque collectrice, et ainsi, des fibres chargées positivement peuvent être assemblées sur la plaque collectrice. Plus intéressant encore, en comparant la figure 3a avec b, une intensité de champ électrique plus forte et un angle de divergence plus petit de la direction du champ électrique ont été observés sur la figure 3b, et ces phénomènes sont plus évidents lorsqu'ils sont près du cône métallique. Son effet sur la modification du champ électrique agit comme l'effet de convergence sur la lumière par une lentille convexe. Les lignes de champ électrique sont convergentes, de sorte qu'il en résulte un angle de divergence plus petit de la direction du champ électrique. De plus, l'intensité du champ électrique à la même position devient également plus grande en raison de cette convergence et du principe de superposition du champ électrique. L'encart est la ligne de champ électrique représentative sélectionnée dans la même zone avec un grossissement. L'intensité du champ est de 4 × 10 ⁵ V/m dans l'encart de la Fig. 3b, qui est supérieur à 3 × 10 ⁵ V/m dans l'encart de la Fig. 3a, indiquant que la plus grande intensité de champ électrique se produit dans l'espace après l'ajout d'un cône métallique. Et l'angle de divergence de la direction du champ électrique est de 6° dans l'encart de la figure 3b, ce qui est inférieur à 20° dans l'encart de la figure 3a. Ces résultats impliquent que ce filage électronique modifié par champ électrique équipé d'un cône métallique entraînant une zone de dépôt plus petite peut être attribué à une intensité de champ électrique plus forte et à un angle de divergence plus petit, qui resserrent les fibres chargées positivement volant dans un espace plus étroit confinant ainsi leur dépôt dans une zone plus petite.

Distribution du champ électrique des modèles de filature électronique équipés a sans et b avec un cône en métal. Les encarts sont des images agrandies de la même zone et montrent l'angle entre la ligne de champ et la direction verticale

Hémostase et analyse rapides in vivo

La figure 4a–c montre le processus principal de l'hémostase dans la résection hépatique chez le rat. Une hémostase rapide et efficace a été obtenue en 10 secondes par les fibres NOCA à l'aide de cette technique de filature électronique modifiée par champ électrique, qui est plus rapide que celle de la filature électronique assistée par flux d'air. Ce phénomène peut être attribué au dépôt mieux orienté du e-spinning modifié par champ électrique que le e-spinning assisté par flux d'air vérifié sur la Fig. 2d, ce qui signifie que la même quantité de colle médicale peut être déposée avec plus de précision sur le site de la plaie pendant le même temps de filage électronique. En fait, la colle médicale NOCA utilisée dans les cliniques prend généralement une voie de pulvérisation [28,29,30], tandis que la zone de dépôt est relativement grande conduisant à de graves adhérences tissulaires, ce qui rend difficile la réalisation d'opérations postopératoires telles que le retrait des sutures et même causer des dommages secondaires. Un dépôt mieux orienté permet non seulement une hémostase plus rapide, mais peut également éviter l'adhérence des tissus. La figure 4d montre l'image SEM en coupe transversale des fibres NOCA qui se sont déposées à la surface du foie pour l'hémostase. Il montre que les fibres NOCA adhèrent étroitement à la surface de la section hépatique et forment une membrane fibreuse compacte dont l'épaisseur est d'environ 50 μm avec un temps de filage électronique de 10 s. Pendant ce court temps de filage électronique de 10 s, le changement de distance causé par le tremblement de la main qui provient généralement de la fatigue est minime, généralement pas plus de 1 cm, et donc, la variation de la plage de dépôt est faible. Plus intéressant encore, la surface de la section du foie n'est pas lisse mais de forme irrégulière (Fig. 4c), tandis que les fibres NOCA pourraient se déposer sur cette surface irrégulière avec une bonne épaisseur uniforme (Fig. 4d), ce qui implique que ce champ électrique modifié e -la technique de filature possède des avantages uniques dans l'hémostase rapide même sur certaines surfaces irrégulières des organes.

Hémostase dans un modèle de résection hépatique de rat par e-spinning in situ assisté par champ électrique. un Le foie était dissocié et le lobe hépatique était exposé. b Le lobe était libre et fixé avec une suture chirurgicale pour bloquer temporairement le flux sanguin hépatique. c Une hépatectomie a été réalisée et des fibres de colle médicale NOCA ont été déposées sur le site de la plaie avec notre dispositif de filage électronique assisté par champ électrique. d Image SEM en coupe transversale de fibres de colle médicale NOCA déposées sur la surface du foie pour l'hémostase

Le test de comptage des globules blancs (Fig. 5a) a été utilisé pour évaluer les infections postopératoires causées par l'hépatectomie et l'hémostase chez le rat. Cinq jours après la chirurgie, le nombre de GB (P < 0,05) dans le groupe de filage électronique modifié par champ électrique était significativement inférieur à celui du groupe de pulvérisation conventionnelle et du groupe assisté par flux d'air (P < 0,01). De plus, il était proche du groupe opéré de manière fictive (groupe témoin), ce qui indique que l'inflammation aiguë après 5 jours dans le groupe de filage électronique modifié par champ électrique est revenue à un état normal. Au contraire, les rats du groupe de pulvérisation et du groupe assisté par flux d'air présentent une réponse inflammatoire grave et une régression plus lente.

Test sanguin. un nombre de GB. b –d Test enzymatique de la fonction hépatique. b Alanine aminotransférase (ALT). c Aspartate aminotransférase (AST). d Glutamyltransaminase (GGT)

La fonction hépatique a été évaluée par la concentration sérique d'ALT (Fig. 5b), d'AST (Fig. 5c) et de GGT (Fig. 5d). Ici, les concentrations d'ALT et d'AST peuvent refléter de manière sensible l'étendue des dommages aux cellules hépatiques. Des concentrations élevées de GGT peuvent refléter une hépatite, un ictère obstructif, une stase biliaire et d'autres symptômes. Comme le montre la figure 5b–d, les niveaux d'enzymes de la fonction hépatique dans le groupe de filage électronique modifié par champ électrique après 5 jours d'opération étaient fondamentalement proches de ceux du groupe fictif (groupe témoin) et étaient significativement inférieurs à ceux du groupe conventionnel. groupe de pulvérisation et le groupe assisté par flux d'air, indiquant que l'état physiologique des rats dans le groupe e-spinning modifié par champ électrique et le groupe simulé était similaire. Cependant, la GGT dans le groupe de pulvérisation et le groupe assisté par flux d'air est toujours restée à un niveau élevé le cinquième jour après l'opération (P < 0.001), indiquant qu'il existe des problèmes graves tels qu'une stase biliaire et des lésions hépatiques.

La biopsie pathologique sur les tissus hépatiques après hémostase a été réalisée plus avant. Les figures 6a et c sont des coupes pathologiques du foie après hémostase avec e-spinning assisté par flux d'air et modifié par champ électrique, respectivement, et les figures 6b et d sont leurs images agrandies. Par rapport au groupe d'e-spinning assisté par flux d'air, les limites des tissus hépatiques dans le groupe d'e-spinning modifié par champ électrique sont relativement plus claires et ont une capsule plus fine. Ces résultats indiquent que la capacité de régénération du foie est meilleure dans le groupe à champ électrique modifié. De plus, moins de cellules inflammatoires ont été observées dans la capsule, ce qui indique que les membranes fibreuses NOCA fabriquées par la méthode modifiée par champ électrique peuvent entraîner une réponse moins inflammatoire. Ces résultats peuvent être attribués au fait que les méthodes modifiées par champ électrique ont un dépôt mieux orienté que les méthodes assistées par flux d'air, réduisant ainsi la quantité de colle médicale NOCA utilisée pour obtenir le même effet hémostatique, ce qui réduira l'adhérence tissulaire et donc l'inflammation. réponse. De plus, on peut également voir sur la figure 6a, b que la colle médicale a été séparée du tissu hépatique, ce qui peut être causé par le souffle d'air, ce qui indique que l'adhérence entre eux à l'aide d'un e-spinning assisté par flux d'air n'est pas aussi forte que la filature électronique modifiée par champ électrique.

Examen histopathologique avec coloration HE observée sous a , c grossissement × 100 et b , d grossissement × 200. L'examen histopathologique montre une réponse inflammatoire et une lésion hépatique parmi les hépatocytes dans deux groupes au septième jour. Les deux groupes sont les a , b groupe assisté par flux d'air et c , d groupe modifié par champ électrique (flèche bleue :cellules inflammatoires ; cercle rouge :colle médicale ; flèche noire :épaisseur de la zone d'hyperhémie)

Conclusions

En résumé, nous proposons une technique de filage électronique modifiée par champ électrique avec un cône métallique attaché à la buse de filage pour réaliser un dépôt précis et contrôlable de fibres. La plage de dépôt des fibres e-spun est réglable en modifiant la taille du cône métallique, et le mécanisme est attribué au champ électrique focalisé vérifié par des simulations théoriques. Cette méthode de filage électronique modifiée par champ électrique a en outre été utilisée pour déposer in situ avec précision des fibres de colle médicale NOCA sur le site de résection du foie de rat afin de réaliser une hémostase rapide en 10 s. Les résultats pathologiques postopératoires indiquent que moins de réponse inflammatoire et d'adhérence tissulaire sont observées dans ce groupe de filage électronique modifié par champ électrique par rapport à celui du groupe traditionnel assisté par flux d'air. Cette technique, combinée à notre dispositif de filage électronique portable conçu, pourrait être utilisée dans les traitements médicaux d'urgence, les cliniques, la survie sur le terrain et les soins à domicile pour sa portabilité et ses caractéristiques de dépôt précises.

Abréviations

ALT :

Alanine aminotransférase

AST :

Aspartate aminotransférase

CA :

Cyanoacrylate

Frottage électronique :

Électrofilage

FTIR :

Transformée de Fourier infrarouge

GGT :

Glutamyltransaminase

LUI :

Hématoxyline et éosine

NOCA :

N -Octyl-2-cyanoacrylate

PMMA :

Polyméthacrylate de méthyle

SEM :

Microscope électronique à balayage

WBC :

Globule blanc