Il bendaggio intelligente wireless fornisce aiuta nel processo di guarigione delle ferite croniche

Un nuovo tipo di bendaggio combina stimolazione elettrica wireless e biosensori per portare speranza ai ai diabetici con lesioni che guariscono lentamente

Alcune ferite semplicemente non guariscono. Infezioni, malattie come il diabete e sistemi immunitari soppressi spesso si accumulano per rallentare la guarigione. Le ferite croniche possono durare mesi e portare ad ansia e depressione. Nel peggiore dei casi, sono in pericolo di vita. Il costo del trattamento è salito a $ 25 miliardi ogni anno.

Finora, tuttavia, le soluzioni per il trattamento delle ferite croniche sono state poche e lontane tra loro, ma i ricercatori della Stanford University ora riferiscono di aver sviluppato una benda intelligente wireless che si è dimostrata promettente nell’accelerare la riparazione dei tessuti monitorando il processo di guarigione della ferita e trattando il ferita contemporaneamente. I ricercatori affermano in un articolo pubblicato il 24 novembre su Nature Biotechnology ^che il loro dispositivo promuove una chiusura più rapida delle ferite, aumenta il nuovo flusso di sangue al tessuto danneggiato e migliora il recupero della pelle riducendo significativamente la formazione di cicatrici.

Il bendaggio intelligente è composto da circuiti wireless che utilizzano sensori di impedenza/temperatura per monitorare la progressione della guarigione della ferita. Se la ferita è meno guarita o viene rilevata un’infezione, i sensori informano un’unità di elaborazione centrale di applicare più stimolazione elettrica attraverso il letto della ferita per accelerare la chiusura del tessuto e ridurre l’infezione. I ricercatori sono stati in grado di tracciare i dati del sensore in tempo reale su uno smartphone, il tutto senza bisogno di cavi.

Meraviglia ingegneristica

Lo strato elettronico, che include un’unità a microcontrollore (MCU), un’antenna radio, una memoria, uno stimolatore elettrico, biosensori e altri componenti, ha uno spessore di appena 100 micron, circa lo spessore di una singola mano di vernice al lattice.

Tutto quel circuito si trova su un idrogel abilmente progettato, un polimero gommoso simile alla pelle, che è integrato sia per fornire stimolazione elettrica curativa al tessuto ferito sia per raccogliere dati di biosensori in tempo reale.

Il polimero nell’idrogel è accuratamente progettato per aderire saldamente alla superficie della ferita quando necessario, ma per staccarsi in modo pulito e delicato senza danneggiare la ferita quando viene riscaldato a pochi gradi sopra la temperatura corporea (40°C/104°F).

“Nel sigillare la ferita, la benda intelligente protegge mentre guarisce”, afferma Yuanwen Jiang , co-primo autore dello studio e borsista post-dottorato nel laboratorio di Zhenan Bao , il professore di ingegneria chimica di KK Lee alla Stanford School di Ingegneria. “Ma non è uno strumento passivo. È un dispositivo di guarigione attiva che potrebbe trasformare lo standard di cura nel trattamento delle ferite croniche”.

La stimolazione elettrica, nota anche come galvanotassi, è stata precedentemente segnalata per accelerare la migrazione dei cheratinociti nel sito della ferita, limitare le infezioni batteriche e prevenire lo sviluppo di biofilm sulle superfici della ferita, per promuovere in modo proattivo la crescita dei tessuti e aiutare con la riparazione dei tessuti. I ricercatori sono stati in grado di prendere questa tecnologia ben studiata e integrarla con i dati dei biosensori in tempo reale per fornire una nuova modalità di trattamento automatizzata informata dai biosensori.

Le capacità di biorilevamento della benda intelligente monitorano i cambiamenti biofisici nell’ambiente locale, fornendo un modo in tempo reale, rapido, robusto ed estremamente accurato per misurare la condizione della ferita. Tecnicamente parlando, la benda intelligente rileva i cambiamenti di conduttività e temperatura nella pelle mentre la ferita guarisce: l’impedenza elettrica aumenta mentre le ferite guariscono e le temperature locali diminuiscono mentre l’infiammazione si attenua. “Con la stimolazione e il rilevamento in un unico dispositivo, la benda intelligente accelera la guarigione, ma tiene anche traccia del miglioramento della ferita”, afferma Artem Trotsyuk , anch’egli co-primo autore dello studio che ha completato il suo lavoro di laurea nel laboratorio di Geoffrey Gurtner, MD, ex Johnson & Johnson Distinguished Professor of Surgery (Emeritus) presso la Stanford School of Medicine, e attualmente Presidente del Dipartimento di Chirurgia e Professore di Ingegneria Biomedica presso l’Università dell’Arizona a Tucson. “Pensiamo che rappresenti una nuova modalità che consentirà nuove scoperte biologiche e l’esplorazione di ipotesi precedentemente difficili da verificare sul processo di guarigione umana”.

Risultati positivi, nuove direzioni

I ricercatori hanno fatto un ulteriore passo avanti nel loro studio, avventurandosi per capire perché e come la stimolazione elettrica guarisce la ferita più velocemente. Ora credono che la stimolazione elettrica promuova l’attivazione di geni pro-rigenerativi come Selenop, un gene antinfiammatorio che è stato trovato per aiutare con l’eliminazione dei patogeni e la riparazione delle ferite, e Apoe,che ha dimostrato di aumentare la crescita muscolare e dei tessuti molli. Allo stesso modo, la stimolazione elettrica ha aumentato la quantità di popolazioni di globuli bianchi, in particolare monociti e macrofagi, attraverso il reclutamento di maggiori quantità di macrofagi antinfiammatori M2, che sono stati precedentemente segnalati come pro-rigenerativi e svolgono un ruolo chiave nella formazione della matrice extracellulare che è richiesto durante le fasi proliferative della guarigione della ferita.

I ricercatori avvertono che la benda intelligente è, per ora, una prova del concetto, anche se promettente. Rimangono tuttavia molte sfide. Questi includono l’aumento delle dimensioni del dispositivo a misura d’uomo, la riduzione dei costi e la risoluzione dei problemi di archiviazione dei dati a lungo termine: tutto ciò che è necessario per scalare fino alla produzione di massa se necessario e si presentano opportunità. Allo stesso modo, ci sono potenzialmente nuovi sensori non attualmente integrati che potrebbero essere aggiunti, come quelli che misurano metaboliti, biomarcatori e pH. E ci sono alcuni potenziali ostacoli all’uso clinico, come il rigetto dell’idrogel, in cui la pelle può reagire al dispositivo e creare una cattiva combinazione gel-pelle, o il biofouling dei sensori, che può causare irritazione.

Nonostante questi ostacoli, i ricercatori stanno andando avanti e rimangono ottimisti sul potenziale del loro bendaggio intelligente per fornire speranza ai pazienti che soffrono di ferite croniche.

Stanford co-primi autori: Yuanwen Jiang è un borsista post-dottorato nel gruppo Bao; Artem Trotsyuk è un ex studente laureato del Gurtner Lab; Simiao Niu è un ex borsista post-dottorato del Gruppo Bao.

Altri coautori di Stanford: Dominic Henn, Kellen Chen, Zeshaan Maan, Melanie Rodrigues, Clark A. Bonham, Michael Januszyk, Ethan Beard, Tanish Jain, Jagannath Padmanabhan, Katharina Fischer e Sun Hyung Kwon sono membri del Gurtner Lab; Alana Mermin-Bunnell, Smiti Mittal, Sydney Steele, Gurupranav Gurusankar, Christopher Neimeth, Hudson Kussie, Madelyn Larson e Serena Jing sono studenti universitari del Gurtner Lab; Dharshan Sivaraj e Melissa Leeolou sono studentesse di Medicina al Gurtner Lab; David Perrault e Arhana Chattopadhyay sono specializzandi in chirurgia plastica e sono membri del Gurtner Lab; Chien-Chung Shih, Jian-Cheng Lai, Jing Tang e Donglai Zhong sono borsisti post-dottorato; Willian Viana ed Eric Zhao sono studenti laureati; Ronjon Nag è uno Stanford Distinguished Careers Institute Fellow e professore a contratto di genetica; Michael Snyder è professore e presidente del dipartimento di genetica; Aref Saberi, Kefan Sun e Kui Liang; Zhenan Bao è anche membro di  Stanford Bio-X , Stanford Cardiovascular Institute ,  Maternal & Child Health Research Institute (MCHRI) ,  Precourt Institute for Energy ,  Sarafan ChEM-H ,  Stanford Woods Institute for the Environment ,  Wu Tsai Human Performance Alliance , il  Wu Tsai Neurosciences Institute e un ricercatore di CZ Biohub ; Geoffrey Gurtner è anche membro dello  Stanford Bio-X , dello Stanford Cardiovascular Institute , dello Stanford Cancer Institute e del Wu Tsai Neurosciences Institute ed è stato il direttore fondatore dello Stanford Advanced Wound Care Center (AWCC). Kailiang Zhang è un ricercatore presso BOE Technology Group.

I premi eWEAR-TCCI per la scrittura scientifica sono un progetto commissionato dalla Wearable Electronics Initiative (eWEAR) presso la Stanford University e reso possibile grazie al finanziamento del membro del programma di affiliazione industriale eWEAR Shanda Group e del Tianqiao and Chrissy Chen Institute (TCCI®) .