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Patchs électriques imprimables flexibles pour une cicatrisation accélérée des plaies

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Il existe une myriade de façons dont les gens peuvent subir des blessures physiques – des égratignures et écorchures mineures aux effets de la chirurgie, des blessures graves, des brûlures et d’autres traumatismes majeurs. Le processus de cicatrisation de ces plaies peut également varier d’une personne à l’autre et peut être affecté par des problèmes de santé sous-jacents tels que les insuffisances vasculaires, le diabète, l’obésité et l’âge avancé. Dans les cas graves, des processus de cicatrisation anormaux peuvent entraîner des plaies chroniques, une condition qui peut affecter considérablement la mobilité, la qualité de vie et les coûts des soins de santé.

Le processus normal de cicatrisation des plaies implique une série complexe de quatre étapes qui se chevauchent mais distinctes. Au cours des premières étapes, les plaquettes du sang contrôlent le saignement en signalant la formation d’un bouchon de matrice protéique; ils génèrent également des molécules qui resserrent les vaisseaux sanguins et mobilisent d’autres types de cellules sur le site. Ces cellules supplémentaires tuent les agents pathogènes dans la zone de la plaie et déclenchent la cicatrisation et la formation de vaisseaux sanguins. Dans les étapes ultérieures, la matrice protéique, la croissance et les connexions des vaisseaux sanguins sont encore plus développées, et la peau et d’autres cellules de surface commencent à migrer vers le site. Ensemble, la peau et la matrice protéique forment un tissu de granulation pour réparer et refermer la plaie. Dans la dernière étape, la formation des vaisseaux sanguins se rétrécit et le tissu de granulation continue de se développer jusqu’à ce qu’il devienne finalement une cicatrice.

Les thérapies existantes pour la cicatrisation des plaies comprennent les pansements, les bandages à pression négative, les médicaments à base de facteur de croissance et anti-inflammatoires, le débridement et les traitements par ultrasons. Mais même dans les meilleures conditions, le temps moyen de fermeture complète de la plaie est de 12 semaines avec ces méthodes.

Une thérapie plus récente qui est à l’étude est la stimulation par champ électrique (FE); cette méthode accélère la cicatrisation des plaies avec des effets secondaires limités. L’administration d’une stimulation EF au site de la plaie active la migration de la peau et d’autres cellules de granulation vers le site, induit la formation de vaisseaux sanguins et contrôle l’inflammation excessive. En conséquence, des dispositifs de stimulation EF portables ont été conçus qui ont montré des améliorations dans les temps de cicatrisation des plaies. Cependant, l’encombrement et la rigidité de leurs électrodes conventionnelles entraînent une incompatibilité conformationnelle avec la plaie, ce qui augmente le potentiel d’inflammation et de cicatrisation prolongée. La fabrication de ces électrodes nécessite également des technologies dédiées.

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Une équipe collaborative de l’Institut Terasaki pour l’innovation biomédicale a développé un patch électrique flexible « intelligent » (ePatch) qui répond pleinement aux défis posés par les dispositifs de stimulation EF existants et offre de nombreuses fonctionnalités avantageuses.

L’équipe a d’abord choisi des nanofils d’argent comme électrodes, qui offrent non seulement des propriétés antibactériennes, mais également une conductivité élevée sous contrainte. Ils ont ensuite choisi d’enrober les électrodes dans de l’alginate, une substance gélatineuse qui maintient de bons niveaux d’humidité et de biocompatibilité et qui est actuellement utilisée dans les pansements chirurgicaux absorbants.

Par une modification chimique de l’alginate et l’ajout de calcium, ils ont pu produire un matériau qui augmenterait la stabilité et la fonction des électrodes. En ajustant davantage le rapport nanofil d’argent/alginate modifié, ils ont pu obtenir un gel flexible et imprimable avec précision, ou bio-encre, qui produirait un patch avec une conformité personnalisable à diverses formes et tailles de plaies. De plus, le calcium qui a été ajouté au mélange a induit la prolifération et la migration des cellules vers le site de la plaie, ce qui à son tour favoriserait la formation de vaisseaux sanguins.

Pour fabriquer l’e-Patch, un gabarit a été appliqué sur une feuille de silicone et la bio-encre a été déposée sur le gabarit. Lors de la solidification de la bio-encre, le modèle a été retiré.

« Grâce à une sélection minutieuse des matériaux et à l’optimisation de notre formulation de gel, nous avons pu développer un e-Patch multifonctionnel, facile à fabriquer et rentable qui facilitera et accélérera grandement la cicatrisation des plaies », a déclaré Han-Jun Kim, chercheur au TIBI. , Ph.D., DVM.

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Les qualités bénéfiques de l’e-Patch développé par l’équipe TIBI ont été validées par plusieurs séries d’expérimentations. Les tests mécaniques ont démontré que l’e-Patch présentait une stabilité et une conductivité améliorées de l’électrode, et les résultats des tests de contrainte ont montré une bonne tolérance, à un niveau nécessaire pour une déformation normale de la peau.

Les tests effectués sur des cellules cultivées sur l’e-Patch ont montré que les e-Patches pulsés avec une stimulation EF présentaient une prolifération, une migration, une agrégation et un alignement cellulaires significativement plus rapides, ainsi qu’une sécrétion accrue de facteurs de croissance, tous facteurs qui contribuent à une cicatrisation plus rapide.

Des études sur des modèles animaux sur des rats présentant des plaies ouvertes ont été menées et les résultats ont montré que des résultats de cicatrisation significativement accélérés ont été obtenus avec l’e-Patch. Non seulement l’e-Patch stimulé par EF a montré une progression plus rapide des étapes de cicatrisation, mais il y avait également un processus de cicatrisation plus directionnel, entraînant une cicatrisation minimale, le dépôt de couches de peau normales et la croissance des cheveux après la fermeture de la plaie.

D’autres expériences ont confirmé les propriétés antibactériennes des électrodes à nanofils d’argent utilisées dans les e-Patches et cette propriété s’est avérée indépendante de la quantité de stimulation EF appliquée.

D’autres expériences encore ont testé l’adhérence cellulaire au composant en silicone de l’e-Patch, et il a été constaté que le silicone fournissait une surface efficace et antiadhésive pour les cellules. Cette fonctionnalité aide à garantir qu’il y a moins de dommages cutanés et de cicatrices excessives.

« Notre ePatch offre une combinaison sans précédent de fonctionnalités optimales pour une cicatrisation accélérée des plaies », a déclaré le directeur et PDG de TIBI, Ali Khademhosseini, Ph.D. « C’est l’un des nombreux beaux exemples du travail que nous faisons dans notre plateforme de biomatériaux personnalisés. »

La recherche a été publiée dans Biomatériaux.


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