Schnelle Leberhämostase durch elektrisch-feld-verstärkte elektrogesponnene medizinische Klebstofffasern

Zusammenfassung

Die präzise Ablagerung elektrogesponnener Fasern bleibt eine große Herausforderung für die Organhämostase. Wir präsentieren ein elektrisch-feld-modifiziertes Elektrospinn-System, das einen Metallkegel an der Düse integriert und eine kontrollierbare Faserablage ermöglicht. Der Ablagerungsbereich lässt sich durch Variation der Kegelgröße einstellen, ein Verhalten, das durch Finite-Elemente-Simulationen bestätigt wurde. In einem Ratten-Leberresektionsmodell applizierten wir N-Octyl-2-cyanoacrylat (NOCA)-Fasern direkt auf die Wunde und erreichten vollständige Hämostase innerhalb von 10 Sekunden. Die postoperative Histologie zeigte eine deutlich reduzierte Entzündung und Gewebeadhäsion im Vergleich zum konventionellen luftstromunterstützten Elektrospinnen. Dieses handliche, batteriebetriebene Gerät demonstriert, dass tragbares, feldtaugliches Elektrospinnen schnelle, präzise Hämostase für Notfall-, klinische und häusliche Pflegeszenarien bieten kann.

Hintergrund

Die Leberresektion ist eine Standardbehandlung für Lebermalignome, doch massive Blutungen sind aufgrund der reichen Vaskularisation des Organs häufig. Konventionelle hämostatische Techniken – Naht, Ligatur, Elektrokoagulation sowie Fibrin- oder Gelatinesealants – haben Einschränkungen wie verzögerte Applikation, Gewebeschäden, Immunogenität, kurze Haltbarkeit oder hohe Kosten. Elektrospinnen bietet einen Niedrigdosis-Oberflächenbeschichtungsansatz, der sich unregelmäßiger Wundtopografie anpassen kann. Bestehende Elektrospinn-Geräte sind jedoch sperrig, verfügen über keine präzise Ablagerungskontrolle und sind auf Netzstrom angewiesen, was ihren Einsatz in abgelegenen oder Notfallsituationen einschränkt. Unser jüngeres luftstromunterstütztes Elektrospinn-Design reduzierte den Ablagerungsbereich, benötigte jedoch eine externe Stromquelle für die Luftpumpe. Daher suchten wir nach einem tragbaren, elektrisch-feld-modifizierten System, das orientierte, präzise Faserablage ohne externe Stromversorgung jenseits eines kleinen Batteriepacks ermöglicht.

Metallische Leiter in einem elektrostatischen Feld können Oberflächenladungen induzieren, die die Feldverteilung verändern. Beim Elektrospinnen hängt die Bahn des geladenen Strahls vom lokalen Feld ab; ein strategisch positionierter Metallkegel kann den Strahl fokussieren, seine Divergenz verringern und den Ablagerungsbereich begrenzen. Wir wählten NOCA – einen klinisch zugelassenen Cyanoacrylat-Klebstoff – als Spinnmaterial, da polymere Faserbänder flexibler sind und weniger Volumen benötigen als ein konventioneller dicker Klebstofffilm.

In dieser Studie entwickelten wir eine elektrisch-feld-modifizierte Elektrospinn-Technik, die kontrollierbare, präzise Ablagerung von NOCA-Fasern an einer Ratten-Leberresektionsstelle ermöglicht und schnelle Hämostase erreicht. Die Tragbarkeit und Präzision der Technik machen sie für Notfall-, klinische, Feld- und Heimanwendungen geeignet.

Methoden

Materialien

Der NOCA-Klebstoff (N-Octyl-2-cyanoacrylat mit PMMA-Zusatz) wurde von Guangzhou Baiyun Medical Adhesive Co., Ltd. bezogen. Chloralhydrat (10%-Lösung) diente zur Rattenanästhesie.

In-vivo-Hämostase-Experimente

Vierzig adulte männliche SD-Ratten (300–350 g) wurden randomisiert in zwei Gruppen (n = 20 je Gruppe) eingeteilt: luftstromunterstütztes Elektrospinnen und elektrisch-feld-modifiziertes Elektrospinnen. Nach Anästhesie und Mittellinienlaparotomie wurde eine 50%-ige Linksleberresektion durchgeführt. In der elektrisch-feld-Gruppe wurde ein 2,5 cm großer, 60°-gewinkelter Metallkegel am Spinner montiert, mit einer Nadel-zu-Kollektor-Distanz von 10 cm und 10 kV Spannung. Die luftstromunterstützte Gruppe nutzte eine 1,2 mm Düse, 120 µl/min Fluss, 10 kV und 10 cm Distanz. Der gesamte Eingriff dauerte ca. 20 Minuten pro Ratte. Alle Experimente entsprachen den institutionellen Tierschutzrichtlinien.

Blutuntersuchung und Pathologische Schnittführung

Blut wurde an den postoperativen Tagen 3 und 5 durch Herzpunktion für Leukozytenzahl und Leberfunktionstests entnommen. Am Tag 7 wurden die Ratten euthanasiert, Lebern exzidiert, in 4% neutralem Formalin fixiert, paraffineingebettet und H&E-gefärbt.

Elektrisches Feldsimulation

Die Finite-Elemente-Analyse modellierte eine 12 kV Versorgung, Kupfernadel, Kupferkegel und Aluminiumkollektor in Luft. Nadellänge, Kegeldurchmesser und Kollektordistanz wurden auf 3 cm, 5 cm bzw. 10 cm festgelegt.

Charakterisierung

SEM-Aufnahmen erfolgten mit einem Hitachi TM-1000. FTIR-Spektren wurden mit einem Nicolet In10-Spektrometer aufgezeichnet. Ein optisches Mikroskop (Olympus BX51) bewertete Ablagerungsgrenzen, und eine Casio Exilim-Kamera dokumentierte den In-vivo-Vorgang.

Ergebnisse und Diskussion

Elektrisch-feld-modifiziertes Elektrospinnen für präzise Ablagerung

Das Handgerät (Abb. 1) nutzt zwei quecksilberfreie AAA-Batterien und einen Hochspannungswandler, wodurch die Abhängigkeit von Netzstrom entfällt. Ein einstellbarer Metallkegel ersetzt das vorherige Luftstrommodul und verändert die Feldverteilung ohne zusätzlichen Strombedarf. Sicherheit wird durch niedrigen Strom trotz hoher Spannung gewährleistet.

Schema des elektrisch-feld-modifizierten NOCA-Elektrospinn-Geräts für Leberhämostase.

SEM zeigte kontinuierliche NOCA-Fasern von 1–3 µm Durchmesser (Abb. 2a). FTIR bestätigte die Polymerisation: Peaks bei 714, 2761 und 1732 cm⁻¹ (–CH₂–, –C≡N, –C=O) sowie Verschwinden der 3127 cm⁻¹ (=CH–) Bande. Durch Variation des Kegeldurchmessers verkleinerte sich der Ablagerungsbereich proportional (Abb. 2c), was auf engere Strahlkonfinierung hindeutete. Eine Erhöhung der Nadel-Kollektor-Distanz verbreiterte den Bereich (Abb. 2d), doch der Kegel erzeugte stets eine geringere Streuung als konventionelles Elektrospinnen. Dies demonstriert die Fähigkeit des Kegels, das elektrische Feld zu fokussieren und die Ablagerungspräzision zu erhöhen.

a SEM von NOCA-Fasern; b FTIR-Spektrum; c Ablagerungsbereich vs. Kegeldurchmesser; d Ablagerungsbereich vs. Distanz.

Mechanismusanalyse der präzisen Ablagerung

Finite-Elemente-Ergebnisse (Abb. 3) zeigen, dass der Metallkegel die Feldstärke intensiviert und den Divergenzwinkel verringert. Die Feldlinie nahe dem Kegel erreicht 4 × 10⁵ V/m (vs. 3 × 10⁵ V/m ohne Kegel) und der Winkel sinkt von 20° auf 6°, was den geladenen Strahl auf eine kleinere Bahn begrenzt. Dies erklärt den experimentell beobachteten reduzierten Ablagerungsbereich.

Elektrische Feldverteilung: a ohne Kegel; b mit Kegel. Einblicke zeigen Feldlinienwinkel (6° vs. 20°).

In-vivo-Schnellhämostase und Analyse

Im Rattenmodell erreichte das elektrisch-feld-modifizierte Gerät vollständige Hämostase innerhalb von 10 Sekunden (Abb. 4a–c), schneller als luftstromunterstütztes Elektrospinnen. SEM der Leberoberfläche (Abb. 4d) offenbarte eine gleichmäßige 50 µm dicke Fasermembran, die sich der unregelmäßigen Wundtopografie anpasste und die Anpassungsfähigkeit der Technik unterstreicht.

Hämostase im Ratten-Leberresektionsmodell: a freigelegte Leber; b temporäre Naht; c NOCA-Ablagerung; d Querschnitts-SEM der Fasermembran.

Leukozytenzahlen (Abb. 5a) zeigten signifikant geringere Entzündung in der elektrisch-feld-Gruppe am Tag 5 (p < 0,05), vergleichbar mit Sham-Kontrollen. Leberenzyme (ALT, AST, GGT) waren ebenfalls deutlich reduziert (Abb. 5b–d), was auf minimale Leberschädigung hindeutet. Histologie (Abb. 6) offenbarte eine klarere Gewebegrenze, dünnere Kapsel und weniger Entzündungszellen in der elektrisch-feld-Gruppe gegenüber luftstromunterstützten Kontrollen, was reduzierte Gewebeadhäsion und Entzündungsreaktion belegt.

Bluttests: a Leukozyten; b–d Leberenzyme (ALT, AST, GGT).

H&E-Histologie (×100 und ×200). Entzündung und Leberschädigung waren in beiden Gruppen sichtbar, aber in der elektrisch-feld-Gruppe weniger stark ausgeprägt.

Schlussfolgerungen

Wir haben demonstriert, dass ein elektrisch-feld-modifiziertes Elektrospinn-System mit einstellbarem Metallkegel präzise, orientierte Ablagerung von NOCA-Fasern für schnelle Leberhämostase liefert. Der Ablagerungsbereich ist über die Kegelgröße kontrollierbar, und Simulationen bestätigen, dass das fokussierte Feld die Strahldivergenz reduziert. In vivo erreicht die Technik Hämostase in 10 Sekunden, mit geringerer Entzündung und Gewebeadhäsion im Vergleich zum luftstromunterstützten Elektrospinnen. Das handliche, batteriebetriebene Design macht diesen Ansatz für Notfall-, klinische, Feld- und Heimanwendungen geeignet.

Abkürzungen

ALT:

Alanin-Aminotransferase

AST:

Aspartat-Aminotransferase

CA:

Cyanoacrylat

E-Spinnen:

Elektrospinnen

FTIR:

Fourier-Transform-Infrarot

GGT:

Glutamyltransaminase

HE:

Hämatoxylin und Eosin

NOCA:

N-Octyl-2-cyanoacrylat

PMMA:

Polymethylmethacrylat

SEM:

Rasterelektronenmikroskop

WBC:

Weiße Blutzellen