Eine neue und einfache Möglichkeit, die Klebrigkeit medizinischer Klebstoffe mit Ultraschall zu kontrollieren, macht die Verwendung potenziell toxischer Chemikalien zur Erhöhung der Bioadhäsion überflüssig. Die Technik, entwickelt von Forschern aus McGill University in Kanada und ETH Zürich in der Schweiz, könnte sich für Anwendungen wie Gewebereparatur, Wundheilung, tragbare Elektronik und Arzneimittelabgabe als unschätzbar erweisen.
Verbände und Pflaster haften normalerweise nicht gut auf nasser Haut. Ultraschall könnte helfen, dieses Problem zu überwinden, nicht nur auf der Haut, sondern auch auf vielen anderen Geweben, einschließlich Schleimhäuten und Aorta, erklärt der Hauptautor Zhenwei Ma, jetzt an der Harvard University und der University of British Columbia.
In ihrer Arbeit nutzten die Forscher Mikrobläschen, die durch niederfrequenten Ultraschall induziert wurden, um Klebstoffe klebriger zu machen. Die Wellen „kochen“ lokal die Flüssigkeit in einer Haftgrundierung, die auf dem Gewebesubstrat verteilt ist (eine Lösung, die Chitosan, Gelatine oder Zellulose enthält), wodurch Dampfblasen entstehen, die wachsen und heftig in Richtung der Gewebeoberfläche kollabieren. „Dann wurden Hydrogelpflaster aus Polyacrylamid oder Poly(N-isopropylacrylamid) in Kombination mit Alginat auf die behandelte Region aufgetragen, um eine starke Haftung zu erreichen“, erklärt Ma.
„Diese Bewegung führt zu mechanischen Wechselwirkungen, die die Klebstoffe vorübergehend in die Haut und andere Gewebe drücken, um eine stärkere Bioadhäsion zu erreichen“, sagt Ma Physik-Welt. „Indem wir einfach die Intensität des Ultraschalls anpassen und die Ultraschallsonde manövrieren, mit der die Blasen erzeugt werden, können wir die Klebrigkeit der Pflaster sehr genau steuern.“
Die Forscher testeten ihre Technik an Ratten- und Schweinegewebe. Sie fanden heraus, dass der Ultraschall die Adhäsionsenergie zwischen dem Gewebe und dem Hydrogel um das bis zu 100-fache verstärkte und die Grenzflächenermüdungsschwelle zwischen den beiden um das 10-fache erhöhte. Tatsächlich maßen sie Adhäsionsenergien von über 2000 J/m2 für die Haut etwa 295 J/m2 für Mundschleimhaut und etwa 297 J/m2 für Aorta. Im Vergleich dazu betrugen die Adhäsionsenergien für nicht beschallte Hydrogele etwa 50, 12 und 17 J/m2, Bzw.
Ultraschallinduzierte Kavitation
Die theoretischen Modellrechnungen des Teams deuten darauf hin, dass der Hauptmechanismus, der dieser Bioadhäsion zugrunde liegt, die ultraschallinduzierte Kavitation ist, die die Verankerungsprimer im Gewebe antreibt und immobilisiert. Es ist die mechanische Verriegelung und gegenseitige Durchdringung dieser Anker, die letztendlich eine starke Haftung zwischen Hydrogel und Gewebe ohne die Notwendigkeit einer chemischen Bindung erzeugt.
Der Ultraschallaufkleber bietet eine kontinuierliche Bildgebung der inneren Organe
Die Klebstoffe könnten auch verwendet werden, um Arzneimittel durch die Haut zu verabreichen. „Diese Paradigmenwechsel-Technologie wird große Auswirkungen auf viele Bereiche der Medizin haben“, sagt Ma. „Wir freuen uns sehr darauf, diese Technologie für Anwendungen in Kliniken zur Gewebereparatur, Krebstherapie und Präzisionsmedizin einzusetzen.“
Neben der beispiellosen Steuerbarkeit der Bioadhäsionsstärke sagen die Forscher, dass ihre Technik es ermöglichen wird, viel mehr Arten von Materialien als Bandagen, Pflaster und Schnittstellen mit biologischem Gewebe zu verwenden. Dadurch würden sich zwangsläufig die möglichen Anwendungsbereiche erweitern, heißt es.
Die Forscher berichten in Wissenschaft.
