Erste transiente elektronische Bandage beschleunigt die Heilung um 30 %

22. Februar 2023 (Nanowerk-Neuigkeiten) Forscher der Northwestern University haben einen einzigartigen kleinen, flexiblen und dehnbaren Verband entwickelt, der die Heilung beschleunigt, indem er Elektrotherapie direkt an die Wundstelle liefert. In einer Tierstudie heilte der neue Verband diabetische Geschwüre 30 % schneller als bei Mäusen ohne den Verband. Die Bandage überwacht auch aktiv den Heilungsprozess und löst sich dann – mit Elektroden und allem – harmlos im Körper auf, wenn sie nicht mehr benötigt wird. Das neue Gerät könnte ein leistungsstarkes Hilfsmittel für Patienten mit Diabetes sein, deren Geschwüre zu verschiedenen Komplikationen führen können, einschließlich amputierter Gliedmaßen oder sogar zum Tod. Die in der Zeitschrift veröffentlichten Forschungsergebnisse Wissenschaft Fortschritte („Bioresorbierbares, drahtloses und batterieloses System zur Elektrotherapie und Impedanzmessung an Wundstellen“). Es ist der erste bioresorbierbare Verband, der Elektrotherapie abgeben kann, und das erste Beispiel für ein intelligentes regeneratives System. Ein genauer Blick auf die beiden Elektroden des Verbands: Eine winzige blumenförmige Elektrode, die direkt auf dem Wundbett sitzt, und eine ringförmige Elektrode, die auf gesundem Gewebe sitzt, um die gesamte Wunde zu umgeben. (Bild: Northwestern University) „Wenn eine Person eine Wunde entwickelt, besteht das Ziel immer darin, diese Wunde so schnell wie möglich zu schließen“, sagte Guillermo A. Ameer von Northwestern, der die Studie mitleitete. „Andernfalls ist eine offene Wunde anfällig für Infektionen. Und für Menschen mit Diabetes sind Infektionen noch schwieriger zu behandeln und gefährlicher. Für diese Patienten besteht ein großer ungedeckter Bedarf an kostengünstigen Lösungen, die für sie wirklich funktionieren. Unser neuer Verband ist kostengünstig, einfach anzulegen, anpassungsfähig, bequem und effizient beim Wundverschluss, um Infektionen und weiteren Komplikationen vorzubeugen.“ „Obwohl es sich um ein elektronisches Gerät handelt, sind die aktiven Komponenten, die mit dem Wundbett in Kontakt kommen, vollständig resorbierbar“, sagte John A. Rogers von Northwestern, der die Studie mitleitete. „Als solches verschwinden die Materialien nach Abschluss des Heilungsprozesses auf natürliche Weise, wodurch jegliche Schädigung des Gewebes vermieden wird, die sonst durch eine physikalische Extraktion verursacht werden könnte.“ Als Experte für regenerative Technik ist Ameer Daniel-Hale-Williams-Professor für Biomedizintechnik an der Northwestern McCormick School of Engineering und Professor für Chirurgie an der Feinberg School of Medicine der Northwestern University. Er leitet auch das Center for Advanced Regenerative Engineering (CARE) und das Predoctoral Regenerative Engineering Training Program, das von den National Institutes of Health finanziert wird. Rogers ist Louis-Simpson- und Kimberly-Querrey-Professor für Materialwissenschaft und -technik, Biomedizinische Technik und Neurologische Chirurgie bei McCormick und Feinberg. Außerdem leitet er das Querrey Simpson Institute for Bioelectronics. Professor Guillermo Ameer hält das kleine, dünne, flexible Gerät. (Bild: Northwestern University)

Kraft der Elektrizität

Fast 30 Millionen Menschen in den USA haben Diabetes, und etwa 15 bis 25 % dieser Bevölkerung entwickeln irgendwann in ihrem Leben ein diabetisches Fußgeschwür. Da Diabetes Nervenschäden verursachen kann, die zu Taubheit führen, können Menschen mit Diabetes eine einfache Blase oder einen kleinen Kratzer erleiden, der unbemerkt und unbehandelt bleibt. Da hohe Glukosespiegel auch die Kapillarwände verdicken, verlangsamt sich die Blutzirkulation, was die Heilung dieser Wunden erschwert. Es ist ein perfekter Sturm für eine kleine Verletzung, die sich zu einer gefährlichen Wunde entwickelt. Die Forscher waren neugierig, ob eine elektrische Stimulationstherapie helfen könnte, diese hartnäckigen Wunden zu schließen. Laut Ameer können Verletzungen die normalen elektrischen Signale des Körpers stören. Durch die Anwendung elektrischer Stimulation stellt es die normalen Signale des Körpers wieder her und zieht neue Zellen an, die zum Wundbett wandern. „Unser Körper ist auf elektrische Signale angewiesen, um zu funktionieren“, sagte Ameer. „Wir haben versucht, eine normalere elektrische Umgebung über der Wunde wiederherzustellen oder zu fördern. Wir beobachteten, dass Zellen schnell in die Wunde einwanderten und Hautgewebe in dem Bereich regenerierten. Das neue Hautgewebe enthielt neue Blutgefäße und die Entzündung war gedämpft.“ In der Vergangenheit haben Kliniker Elektrotherapie zur Heilung eingesetzt. Aber die meisten dieser Geräte umfassen kabelgebundene, sperrige Geräte, die nur unter Aufsicht in einer Krankenhausumgebung verwendet werden können. Um ein bequemeres Produkt zu entwickeln, das zu Hause rund um die Uhr getragen werden kann, hat sich Ameer mit Rogers zusammengetan, einem Pionier der Bioelektronik, der 2018 erstmals das Konzept der bioresorbierbaren elektronischen Medizin vorstellte.

Fernwartung

Die beiden Forscher und ihre Teams entwickelten schließlich einen kleinen, flexiblen Verband, der sich sanft um die Verletzungsstelle wickelt. Eine Seite des intelligenten regenerativen Systems enthält zwei Elektroden: Eine winzige blumenförmige Elektrode, die direkt auf dem Wundbett sitzt, und eine ringförmige Elektrode, die auf gesundem Gewebe sitzt und die gesamte Wunde umgibt. Die andere Seite des Geräts enthält eine Energiegewinnungsspule zur Stromversorgung des Systems und ein Nahfeldkommunikationssystem (NFC) zur drahtlosen Übertragung von Daten in Echtzeit. Das Team hat auch Sensoren eingebaut, die beurteilen können, wie gut die Wunde heilt. Durch Messen des Widerstands des elektrischen Stroms durch die Wunde können Ärzte den Fortschritt überwachen. Eine allmähliche Abnahme der Strommessung bezieht sich direkt auf den Heilungsprozess. Wenn also der Strom hoch bleibt, wissen die Ärzte, dass etwas nicht stimmt. Durch den Einbau dieser Fähigkeiten kann das Gerät ohne Kabel ferngesteuert werden. Aus der Ferne kann ein Arzt entscheiden, wann er die elektrische Stimulation anwendet, und den Heilungsfortschritt der Wunde überwachen. „Wenn eine Wunde zu heilen versucht, erzeugt sie eine feuchte Umgebung“, sagte Ameer. „Dann, während es heilt, sollte es austrocknen. Feuchtigkeit verändert den Strom, daher können wir dies erkennen, indem wir den elektrischen Widerstand in der Wunde verfolgen. Dann können wir diese Informationen sammeln und drahtlos übertragen. Beim Wundversorgungsmanagement möchten wir, dass sich die Wunde idealerweise innerhalb eines Monats schließt. Wenn es länger dauert, kann diese Verzögerung Anlass zur Sorge geben.“ In einer Kleintiermodellstudie wandten die Forscher die elektrische Stimulation nur 30 Minuten am Tag an. Schon diese kurze Zeit beschleunigte die Schließung um 30 %.

Verschwindende Handlung

Wenn die Wunde verheilt ist, löst sich die blumenförmige Elektrode einfach im Körper auf, sodass sie nicht entfernt werden muss. Das Team stellte die Elektroden aus einem Metall namens Molybdän her, das in elektronischen und Halbleiteranwendungen weit verbreitet ist. Sie entdeckten, dass Molybdän, wenn es dünn genug ist, biologisch abgebaut werden kann. Außerdem stört es den Heilungsprozess nicht. „Wir sind die ersten, die zeigen, dass Molybdän als biologisch abbaubare Elektrode für die Wundheilung verwendet werden kann“, sagte Ameer. „Nach etwa sechs Monaten war das meiste weg. Und wir haben festgestellt, dass sich in den Organen nur sehr wenig ansammelt. Nichts Außergewöhnliches. Aber die Menge an Metall, die wir zur Herstellung dieser Elektroden verwenden, ist so gering, dass wir nicht davon ausgehen, dass dies zu größeren Problemen führen wird.“ Als nächstes plant das Team, seinen Verband für diabetische Geschwüre in einem größeren Tiermodell zu testen. Dann wollen sie es an Menschen testen. Da der Verband die körpereigene Heilkraft nutzt, ohne Medikamente oder Biologika freizusetzen, gibt es weniger regulatorische Hürden. Dies bedeutet, dass Patienten es möglicherweise viel früher auf dem Markt sehen könnten.

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• Quelle: https://www.nanowerk.com/news2/biotech/newsid=62432.php