Ειδικοί από το Ελβετικό Ομοσπονδιακό Ινστιτούτο Επιστήμης και Τεχνολογίας Υλικών (EMPA) και το ερευνητικό κέντρο ETH Ζυρίχης ένωσαν τις δυνάμεις τους για να δημιουργήσουν ένα πρωτοποριακό έργο. Κατάφεραν να αναπτύξουν μια τεχνική συγκόλλησης με λέιζερ που επουλώνει τις πληγές γρήγορα και με ασφάλεια χωρίς πρόσθετη προστασία με λέιζερ.
Οι ειδικοί εφαρμόζουν ένα κατάπλασμα με νανοσωματίδια στην πληγή και στη συνέχεια χρησιμοποιούν φως για να σκληρύνουν την πληγή - μια νέα μέθοδος σφράγισης πληγών που θα μπορούσε να γίνει νέο εργαλείο στο χειρουργείο.
Σύμφωνα με την ομάδα ETH, χειρουργοί έχουν πραγματοποιήσει έρευνα σχετικά με τη συγκόλληση με λέιζερ ως μέθοδο κλεισίματος τραυμάτων στο παρελθόν. Αυτή η μέθοδος πιστεύεται ότι επιταχύνει την επούλωση και μειώνει τον κίνδυνο μόλυνσης, αλλά συνοδεύεται από την πρόκληση της παρακολούθησης και του ελέγχου της θερμοκρασίας.
Το βασικό ζήτημα που αντιμετωπίζουν είναι ότι αυτή η θερμική απόκριση πρέπει να παραμείνει εντός του εγγενούς φάσματος των βιοϋλικών και η θερμοκρασία είναι δύσκολο να μετρηθεί με μη επεμβατικό τρόπο - κάτι που ήταν μια πρόκληση στην εφαρμογή των διαδικασιών συγκόλλησης στην ιατρική.
Προηγούμενη έρευνα περιλαμβάνει ένα έργο του 2018 στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Αριζόνα που ενσωμάτωσε νανοσωματίδια χρυσού σε υλικά συγκόλλησης για να επηρεάσει τα θερμικά αποτελέσματα και να ελαχιστοποιήσει τη φλεγμονή.
Η λύση αυτή τη φορά, από την άλλη πλευρά, σχεδιάστηκε από το Εργαστήριο Σωματιδίων-Βιολογικών Αλληλεπιδράσεων της EMPA και το Εργαστήριο Μηχανικής Συστημάτων Νανοσωματιδίων στο ETH Ζυρίχης. Ανέπτυξαν μια κόλλα που περιέχει μεταλλικά και κεραμικά νανοσωματίδια και χρησιμοποίησαν ένα νανοθερμόμετρο για τον έλεγχο της θερμοκρασίας. Η νέα μέθοδος συγκόλλησης ονομάζεται "iSoldering" (έξυπνη συγκόλληση).
Η τεχνική χρησιμοποιεί δύο τύπους νανοσωματιδίων - νιτρίδιο τιτανίου και βαναδικό βισμούθιο. Όταν αυτά τα σωματίδια φωτίζονται από μια πηγή φωτός που απορροφάται ασθενώς από τον περιβάλλοντα ιστό, το νιτρίδιο του τιτανίου μετατρέπει το φως σε θερμότητα, ενώ το βαναδικό βισμούθιο δρα ως «νανο-θερμόμετρο» που εκπέμπει διαφορετικά μήκη κύματος ανάλογα με τη θερμοκρασία.
Κλινική μετάφραση από ιατρικούς υπέρυθρους λαμπτήρες
Αυτός ο συνδυασμός νανοσωματιδίων καθιστά το iSoldering ιδιαίτερα κατάλληλο για ελάχιστα επεμβατικές διαδικασίες, σύμφωνα με τους ερευνητές. Αυτό συμβαίνει επειδή η συνδυασμένη συγκόλληση δεν απαιτεί ανάδευση και η διαφορά θερμοκρασίας μπορεί να προσδιοριστεί με πολύ υψηλή χωρική ανάλυση τόσο σε ρηχά όσο και σε βαθιά τραύματα.
Μετά την ολοκλήρωση της μαθηματικής μοντελοποίησης της προτεινόμενης τεχνολογίας, το έργο ξεκίνησε μια συνεργασία με χειρουργούς από το Πανεπιστημιακό Νοσοκομείο της Ζυρίχης, την Κλινική Κλίβελαντ στις Ηνωμένες Πολιτείες και το Πανεπιστήμιο του Καρόλου στην Πράγα για να ξεκινήσει η αξιολόγηση των δυνατοτήτων του iSoldering για κλινικές εφαρμογές.
Οι ειδικοί από το EMPA είπαν: "Σε εργαστηριακές δοκιμές, η ερευνητική ομάδα πέτυχε γρήγορη, σταθερή και βιοσυμβατή σύνδεση τραυμάτων οργάνων, συμπεριλαμβανομένου του παγκρέατος και του ήπατος. Το iSoldering έδειξε την εξαιρετική του σφραγιστική δράση ακόμη και σε δύσκολα μπλοκ ιστού όπως η ουρήθρα , σάλπιγγες ή έντερα."
Η ερευνητική ομάδα σημείωσε περαιτέρω στο έγγραφό της ότι το iSoldering έχει μεγάλες δυνατότητες χρήσης στη ρομποτική και λαπαροσκοπική χειρουργική όταν αντιμετωπίζει κοινά προβλήματα όπως η λανθασμένη τοποθέτηση ραμμάτων.
Επί του παρόντος, ενώ η επιλογή "iSoldering" είχε αρχικά οραματιστεί ως μια μέθοδος άμεσης ακτινοβολίας λέιζερ, η ομάδα διερευνά εάν το ίδιο αποτέλεσμα μπορεί να επιτευχθεί μέσω της χρήσης ηπιότερου, χαμηλής έντασης εγγύς υπέρυθρο φωτισμό. Εάν επιτευχθεί, αυτό θα απλοποιούσε σημαντικά τη διαδικασία κλινικής μεταφοράς, καθώς το εγγύς υπέρυθρο φως είναι ήδη ευρέως αναγνωρισμένο και χρησιμοποιείται στην ιατρική.
Η Inge Herrmann της EMPA σχολίασε: "Εάν είναι δυνατό να χρησιμοποιηθεί ιατρικά αποδεκτό υπέρυθρο φως, τότε αυτή η καινοτόμος τεχνική συγκόλλησης ελπίζουμε να βρει τον δρόμο της στο παραδοσιακό χειρουργείο χωρίς την ανάγκη πρόσθετων μέτρων προστασίας με λέιζερ".
Αυτός ο συνδυασμός νανοσωματιδίων καθιστά το iSoldering ιδιαίτερα κατάλληλο για ελάχιστα επεμβατικές χειρουργικές επεμβάσεις, είπαν οι ερευνητές. Αυτό συμβαίνει επειδή η συνδυασμένη συγκόλληση δεν απαιτεί ανάδευση και η διαφορά θερμοκρασίας μπορεί να προσδιοριστεί με πολύ υψηλή χωρική ανάλυση τόσο σε ρηχά όσο και σε βαθιά τραύματα.
Μετά την ολοκλήρωση της μαθηματικής μοντελοποίησης της προτεινόμενης τεχνολογίας, το έργο ξεκίνησε μια συνεργασία με χειρουργούς από το Πανεπιστημιακό Νοσοκομείο της Ζυρίχης, την Κλινική Κλίβελαντ στις Ηνωμένες Πολιτείες και το Πανεπιστήμιο του Καρόλου στην Πράγα για να ξεκινήσει η αξιολόγηση των δυνατοτήτων του iSoldering για κλινικές εφαρμογές.
Οι ειδικοί από το EMPA είπαν: "Σε εργαστηριακές δοκιμές, η ερευνητική ομάδα πέτυχε γρήγορη, σταθερή και βιοσυμβατή σύνδεση τραυμάτων οργάνων, συμπεριλαμβανομένου του παγκρέατος και του ήπατος. Το iSoldering έδειξε την εξαιρετική του σφραγιστική δράση ακόμη και σε δύσκολα μπλοκ ιστού όπως η ουρήθρα , σάλπιγγες ή έντερα."
Η ερευνητική ομάδα σημείωσε περαιτέρω στο έγγραφό της ότι το iSoldering έχει μεγάλες δυνατότητες χρήσης στη ρομποτική και λαπαροσκοπική χειρουργική όταν αντιμετωπίζει κοινά προβλήματα όπως η λανθασμένη τοποθέτηση ραμμάτων.
Επί του παρόντος, ενώ η επιλογή "iSoldering" είχε αρχικά οραματιστεί ως μια μέθοδος άμεσης ακτινοβολίας λέιζερ, η ομάδα διερευνά εάν το ίδιο αποτέλεσμα μπορεί να επιτευχθεί μέσω της χρήσης ηπιότερου, χαμηλής έντασης εγγύς υπέρυθρο φωτισμό. Εάν επιτευχθεί, αυτό θα απλοποιούσε σημαντικά τη διαδικασία κλινικής μεταφοράς, καθώς το εγγύς υπέρυθρο φως είναι ήδη ευρέως αναγνωρισμένο και χρησιμοποιείται στην ιατρική.
Η Inge Herrmann της EMPA σχολίασε: "Εάν είναι δυνατό να χρησιμοποιηθεί ιατρικά αποδεκτό υπέρυθρο φως, τότε αυτή η καινοτόμος τεχνική συγκόλλησης ελπίζουμε να βρει τον δρόμο της στο παραδοσιακό χειρουργείο χωρίς την ανάγκη πρόσθετων μέτρων προστασίας με λέιζερ".
