Hydrogels photodégradables comme déclencheurs dynamiques dans les appareils gastro-intestinaux. (A) Schéma de l'insertion et du gonflage du ballon (à gauche), dégradation via une source de lumière LED endoscopique ou non attachée (au milieu), et la déflation subséquente (à droite). (B) Coulée de goupilles de gel oNB-PAAM (en haut) et ballon assemblé scellé avec une goupille de gel coulé (en bas). Crédit photo :Ritu Raman, MIT. (C) Le ballon est inséré à travers l'œsophage et gonfle dans l'estomac comme observé par endoscopie 1 min après l'insertion (en haut) et par radiographie (en bas) immédiatement après l'insertion et après 6 heures in vivo. (D) Conception d'un capuchon LED pouvant être fixé à l'extrémité insérée d'un endoscope. Les fils pour alimenter les LED sont enfilés à travers l'endoscope, et un trou dans la matrice maintient la visibilité à travers la caméra intégrée de l'endoscope. Un aimant au centre du réseau permet de s'arrimer à la pièce métallique fixée à l'extrémité scellée du ballon. (E) Conception de LED en forme de pilule ingérable. Le rendu de la conception assistée par ordinateur (CAO) montre le processus d'assemblage des LED ingérables :piles, LED, et l'aimant sont insérés dans un corps cylindrique creux imprimé en 3D et scellés avec de l'époxy dans un dispositif étanche à l'eau. La LED s'allume lorsqu'une languette métallique conductrice est enfoncée dans la fente sur le côté de l'appareil. L'amarrage magnétique de la LED au ballon in vivo est observé radiographiquement (en bas à droite). (F) Après la dégradation de la broche de gel oNB-PAAM déclenchable par la lumière, la charge fuit et le ballon diminue de manière significative comme observé radiographiquement à t =0 heures (en haut) et 6 heures (en bas). (G) Les ballons dégradés en utilisant à la fois la matrice de LED endoscopique et la LED non attachée ont diminué de manière significative en taille à t =6 heures par rapport à un contrôle (n =3, P <0,05), indiquant une activation à la demande réussie du déclencheur de gel oNB-PAAM. (H) Schéma du dispositif de stent oesophagien composé d'un anneau de gel oNB-PAMPS avec des billes PCL. (I) Photographie (en haut) et image radiographique (en bas) de l'appareil assemblé. Les billes PCL sont peintes avec une peinture au sulfate de baryum pour augmenter la visibilité par rayons X. Crédit photo :Ritu Raman, MIT. (J) Le dispositif assemblé est placé à l'intérieur d'un œsophage ex vivo, et le gonflement du dispositif assure un ajustement serré avec le tissu qui résiste à la compression. (K) Réduction de la force résistive des stents œsophagiens à la compression externe in vitro et ex vivo après dégradation déclenchée par la lumière (n =3, P <0,05). (L) En haut :Suite à la dégradation avec le réseau de LED endoscopiques décrit en (D), le gel change de couleur du clair à l'orange, un indicateur de dégradation comme observé sur la fig. S6. En bas :le gel dégradé s'échappe de l'œsophage lorsque le tissu est comprimé à la moitié de sa largeur d'origine en fonction du mouvement péristaltique de l'œsophage in vivo. Crédit photo :Ritu Raman, MIT. Avancées scientifiques (2020). advances.sciencemag.org/content/6/3/eaay0065
Une variété de dispositifs médicaux peuvent être insérés dans le tractus gastro-intestinal pour traiter, diagnostiquer, ou surveiller les troubles gastro-intestinaux. Beaucoup d'entre eux doivent être retirés par chirurgie endoscopique une fois leur travail terminé. Cependant, Les ingénieurs du MIT ont maintenant trouvé un moyen de déclencher la panne de tels dispositifs à l'intérieur du corps lorsqu'ils sont exposés à la lumière d'une LED ingérable.
La nouvelle approche est basée sur un hydrogel sensible à la lumière que les chercheurs ont conçu. L'incorporation de ce matériel dans les dispositifs médicaux pourrait éviter de nombreuses procédures endoscopiques et donnerait aux médecins un moyen plus rapide et plus facile de retirer les dispositifs lorsqu'ils ne sont plus nécessaires ou ne fonctionnent pas correctement, disent les chercheurs.
"Nous développons un ensemble de systèmes pouvant résider dans le tractus gastro-intestinal, et dans le cadre de cela, nous cherchons à développer différentes manières de déclencher le démontage d'appareils dans le tractus gastro-intestinal sans nécessiter une procédure majeure, " dit Giovanni Traverso, professeur assistant en génie mécanique, un gastro-entérologue au Brigham and Women's Hospital, et l'auteur principal de l'étude.
Dans une étude chez le porc, les chercheurs ont montré que les appareils fabriqués avec cet hydrogel sensible à la lumière peuvent être déclenchés pour se décomposer après avoir été exposés à la lumière bleue ou ultraviolette d'une petite LED.
Ritu Raman, un post-doctorant au Koch Institute for Integrative Cancer Research du MIT, est l'auteur principal de l'article, qui apparaît aujourd'hui dans Avancées scientifiques . Les autres auteurs de l'article sont d'anciens associés techniques Tiffany Hua, Jianlin Zhou, Tina Esfandiary, et Vance Soares; associés techniques Declan Gwynne, Joy Collins, et Siddartha Tamang; étudiant diplômé Simo Pajovic; Division de médecine comparée vétérinaire Alison Hayward; et le professeur Robert Langer de l'Institut David H. Koch.
Panne contrôlée
Au cours des dernières années, Traverso et Langer ont développé de nombreux dispositifs ingérables conçus pour rester dans le tractus gastro-intestinal pendant de longues périodes. Ils ont également travaillé sur une variété de stratégies pour contrôler la panne de ces appareils, y compris les méthodes basées sur les changements de pH ou de température, ou l'exposition à certains produits chimiques.
"Compte tenu de notre intérêt pour le développement de systèmes pouvant résider pendant des périodes prolongées dans le tractus gastro-intestinal, nous continuons d'étudier une gamme d'approches pour faciliter l'élimination de ces systèmes dans le cadre d'une réaction indésirable ou lorsqu'ils ne sont plus nécessaires, " dit Traverso. " Nous examinons vraiment différents déclencheurs et comment ils fonctionnent, et si nous pouvons les appliquer à différents paramètres."
Dans cette étude, les chercheurs ont exploré un déclencheur basé sur la lumière, qu'ils croyaient pouvoir offrir certains avantages par rapport à leurs approches antérieures. Un avantage potentiel est que la lumière peut agir à distance et n'a pas besoin d'entrer en contact direct avec le matériau à décomposer. Aussi, la lumière ne pénètre normalement pas dans le tractus gastro-intestinal, il n'y a donc aucune chance de déclenchement accidentel.
Pour créer le nouveau matériau, Raman a conçu un hydrogel photosensible basé sur un matériau développé dans le laboratoire de Kristi Anseth, un ancien postdoctorant du laboratoire Langer qui est maintenant professeur de génie chimique et biologique à l'Université du Colorado à Boulder. Ce gel polymère comprend une liaison chimique qui se rompt lorsqu'elle est exposée à une longueur d'onde de lumière comprise entre 405 et 365 nanomètres (du bleu à l'ultraviolet).
Raman a décidé qu'au lieu de fabriquer un matériau composé exclusivement de ce polymère photosensible, elle l'utiliserait pour lier ensemble des composants plus forts tels que le polyacrylamide. Cela rend le matériau global plus durable, mais lui permet toujours de se briser ou de s'affaiblir lorsqu'il est exposé à la bonne longueur d'onde de la lumière. Elle a également construit le matériau comme un « double réseau, " dans lequel un réseau polymère en entoure un autre.
"Vous formez un réseau polymère, puis vous formez un autre réseau polymère autour de lui, donc c'est vraiment enchevêtré. Cela le rend très résistant et extensible, " dit Raman.
Les propriétés du matériau peuvent être ajustées en faisant varier la composition du gel. Lorsque le lieur photosensible constitue un pourcentage plus élevé du matériau, il se décompose plus rapidement en réponse à la lumière mais est aussi mécaniquement plus faible. Les chercheurs peuvent également contrôler le temps qu'il faut pour décomposer le matériau en utilisant différentes longueurs d'onde de lumière. La lumière bleue fonctionne plus lentement mais présente moins de risques pour les cellules sensibles aux dommages causés par la lumière ultraviolette.
Dégonflé par la lumière
Le gel et ses produits de dégradation sont biocompatibles, et le gel peut être facilement moulé dans une variété de formes. Dans cette étude, les chercheurs l'ont utilisé pour démontrer deux applications possibles :un joint pour un ballon bariatrique et un stent œsophagien. Ballons bariatriques standards, qui sont parfois utilisés pour aider à traiter l'obésité, sont gonflés dans l'estomac d'un patient et remplis de solution saline. Après environ six mois, le ballon est retiré par chirurgie endoscopique.
En revanche, le ballon bariatrique conçu par l'équipe du MIT peut être dégonflé en exposant le sceau à une minuscule lumière LED, qui serait en principe avalé puis sortirait du corps. Leur ballon est en latex et rempli de polyacrylate de sodium, qui absorbe l'eau. Dans cette étude, les chercheurs ont testé les ballons sur des porcs et ont découvert que les ballons gonflaient dès qu'ils étaient placés dans l'estomac. Quand un petit, Une LED ingérable émettant de la lumière bleue a été placée dans l'estomac pendant environ six heures, les ballons se dégonflent lentement. Avec une lumière plus puissante, le matériau s'est décomposé en 30 minutes.
Les chercheurs ont également moulé le gel photosensible dans un stent œsophagien. De tels stents sont parfois utilisés pour aider à traiter le cancer de l'œsophage ou d'autres troubles qui provoquent un rétrécissement de l'œsophage. Une version déclenchée par la lumière pourrait être décomposée et transmise à travers le tube digestif lorsqu'elle n'est plus nécessaire.
En plus de ces deux applications, cette approche pourrait être utilisée pour créer d'autres types de dispositifs dégradables, tels que des véhicules pour administrer des médicaments au tractus gastro-intestinal, selon les chercheurs.
"Cette étude est une preuve de concept que nous pouvons créer ce genre de matériel, et maintenant nous réfléchissons à quelles sont les meilleures applications pour cela, " dit Traverso.
