محققان در مطالعه جدیدی که توسط مجله Scientific Reports منتشر شده‌ست، از یک سیستم بیوالکتریک پوشیدنی برای انتقال عوامل درمانی مربوط به زخم پرده‌برداری کردند.
تاریخچه:
تولید سیستمهای بیوالکترونیک پوشیدنی روشی مناسب برای بهبود سیستمهای انتقال دارو است. این سیستم‌ها به صورت مداوم با تامین یون‌ها، مولکول‌های زیستی باردار و شارژهای الکتریکی، برای مقاصد مختلف درمانی استفاده می‌شوند. از طرف دیگر، تولید نمونه‌های مختلف از این دستگاه‌ها برای تجویز منظم دارو در درمان‌های خاص با مقیاس‌پذیری مناسب، بسیار دشوار است.
درباره این پژوهش:
در مطالعه حال حاضر، محققان یک دستگاه پوشیدنی را برای انتقال بیوالکترونیکِ مستقیم داروهای بهبود زخم به سمت زخم، ایجاد کرده‌اند.
این سیستم شامل یه دستگاه انتقال سفارشی پلی دی متیل سیلکسان (PDMS) با چاپ سه بعدی بوده که با برد مدار چاپی (Printed circuit board-PBC) یکپارچه شده است. هم مدار و هم دستگاه انتقال دارای سوراخ‌های داخلی متناظر با پین‌های پوشیده شده توسط اپوکسی نقره بوده که امکان یکپارچگی فیزیکی و الکترونیکی را فراهم میکند. سیستم ماژولار ساخته شده شامل مخازن حاوی محلول، الکترودهای کاشته شده و لوله‌های مویرگی پر از هیدروژل هستند.
این گروه سه طراحی را برای مدار PCB ارائه دادند: یکی دارای اتصال با سیم و دوتای دیگر که توسط باتری تغذیه میشدند و دارای حافظه داخلی یا فاقد آن بودند. نسخه سیمی PCB از یک سیستم خارجی کنترلگر ولتاژ برای فعال شدن دستگاه استفاده میکند در حالی که دستگاههای داری باتری، از واحدهای میکروکنترلر که اجازه برنامه‌ریزی ولتاژ ورودی را می‌دهند، بهره می‌برند. همچنین این دو سیستم دارای ماژول “خواب عمیق” برای افزایش عمر باتری هستند. PCBای که توسط باتری تغذیه می‌شود و دارای حافظه داخلی است، برای ثبت جریان‌های انتقالی استفاده شده است که امکان تایید دریافت دوز تجویزی را ممکن میکند.
این دستگاه یون‌های هیدروژن (یون H+) را در C57B6 و مدل‌های موش وحشی در داخل بدن (in-vivo) و فلوکستین را در محیط‌های زخم شبیه‌سازی شده در شرایط خارج از بدن (ex-vivo) انتقال می‌دهند. دستگاه انتقال PMDS به عنوان یک پل بین نمونه‌های زیستی مانند محل زخم و قطعات الکتریکی معمول طراحی شده است. هنگامی که ولتاژ مثبت از بین الکترودهای کاری (working electrodes-WE) و الکترودهای مرجع (reference electrodes- RE) ایجاد شود، یون‌های دارویی از طریق الکترودهای کاری به سمت محل زخم به عنوان جایگزینی برای یون‌های سدیم بومی در الکترود مرجع کشیده می‌شوند.
در هر قطعه PCB چهار مسیر فعالسازی گنجانده شده است که در آنها جریان را میتوان با اتصال مقاومت‌ها به موازات ولتاژهای تامین شده توسط میکروکنترلرها یا کنترلگرهای خارجی اندازه‌گیری کرد. دستگاه متصل با سیم متکی بر اتصال PCB به یک کنترلگر خارجی ولتاژ است و شامل مجموعه‌های طراحی به کمک کامپیوتر (computer-aided design- CAD) زیر سیستمهای PDMS و PCB است.
دستگاه PMDS، دارای چهار مخزن برای نگهداری محلول‌های آبی، سوراخ‌های عبوری برای حمایت از پست‌های استوانه‌ای در اتصالات مکانیکی و الکتریکی با PCB و مویرگ‌های مملو از هیدروژل برای ایجاد ارتباط با بستر زخم و یک بیرونزدگی که برای جایگیری در بستر زخم طراحی شده است، می‌باشد.
نتایج
این روش مونتاژی، امکان مبادله اجزای تحتانی سیستمهای مختلف، مانند طراح‌های مختلف PCB و مخازن محلول‌ها را فراهم میکند. رنگ‌آمیزی ایمنی-بافتشناسی بهبود 36% در نسبت M1 به M2 را در زخم‌های درمان شده با یون هیدروژن (H+) در مقایسه با گروه کنترل نشان داد که نشان میدهد این پلتفرم میتواند به شکل بالقوه بهبود زخم را افزایش دهد.
بطور مشخص این ابزار میتواند مولکول‌های زیستی باردار، یون‌ها و محیط الکتریکی را بطور مداوم در شرایط داخل و خارج بدنی فراهم کند. این فناوری به تنهایی ممکن است به سمت تبدیل شدن به بخشی از تجهیزات پوشیدنی برای انتقال دارو گسترده شود. باتوجه به ماژولار بودن فرآیند یکپارچه سازی، تغییرات زیادی در دستگاههای PDMS ایجاد نشد درحالی که PCB برای دستیابی به قابلیت‌های مختلف ارتقا پیدا کرد. این پلتفرم دارای قابلیت انتقال یون حتی هنگامی که به شکل پوشیدنی در آتل‌های ضخیم در مدل‌های موش استفاده شده است را دارد و مفهوم کلی را اثبات میکند.
محققان زیست سازگار بودن این دستگاه‌ها را در تماس با زخم اثبات کرده‌اند. ساخت دستگاههای پلی دی متیل سیلکسان و ارتباط آن با PCB روشی قابل اعتماد و با قابلیت مقیاس‌بندی درست برای ایجاد دستگاههای بیوالکترونیک را فراهم میکند. در هنگام آزمایش محققان توانستند این دستگاه را با موفقیت برروی زخم موش‌ها سوار و برای انتقال یون H+ فعال کنند، قابل توجه است که در تمام این زمان دستگاه بدون آسیب و کارآمد باقی مانده است. به طور کلی کارایی دستگاه در انتقال یون H+ 22% عنوان شد.
سیستم ارتقایافته دارای باتری، امکان مدت زمان فعالسازی طولانی‌تر و دوزهای درمانی تجمعی‌تر را فراهم می‌سازد. این یافته‌ها نمایانگر این است که این فناوری توانسته است با موفقیت به تحریک ماکروفاژها که برای درمان زخم ضروری هستند بپردازد. یافته‌های رنگ‌آمیزی ایمنی-بافتشناسی نشان داد که نسبت M1/M2 در زخم‌های درمان شده با یون H+، بطور میانگین 36% کمتر از گروه کنترل بوده است.
کمتر بودن نسبت M1/M2 نشانگر این است که بطور قابل توجهی ماکروفاژهای M2 در زخم‌های گروه درمان افزایش یافته است که ثابت شده این افزایش بهبود زخم را با افزایش ترمیم و بازتولید بافتی ارتقا میدهد. این نتایج نشان میدهد که سیستم باتری همراه با حافظه داخلی، میتواند مولکول‌های زیستی باردار مانند فلوکستین را به مدت 7 ساعت بطور مداوم به زخم برساند. سیم‌های نقره و کلرید نقره به ترتیب به عنوان الکترودهای کار و مرجع در ساخت دستگاه استفاده شده‌اند.
نتیجه‌گیری
در مجموع نتایج این مطالعه نشان دادند که معماری این پلتفرم به ما اجازه میدهد تا اجزای دستگاه را تنظیم و شخصی‌سازی کنیم درحالی که همزمان منجر به ساخت دستگاهی تکرار و مقیاس پذیر شده است که باعث شده تا این دستگاه انعطاف مورد نیاز برای انواع روش‌های درمانی را داشته باشد. به علاوه، با استفاده از مدل‌های موش، ما توانستیم قابلیت این دستگاه موژولار بیوالکترونیک پوشیدنی را در ارتقا روند بهبود زخم با استفاده از یون H+ در شرایط داخل بدنی، به تصویر بکشیم.
یافته‌های رنگ‌آمیزی ایمنی-بافتشناسی نشان داد که در شرایط داخل بدنی، زخم‌های درمان شده با یون H+ توسط دستگاههای تغدیه شده با باتری نسبت M1/M2 آنها 36% بیشتر از گروه کنترل بوده است. به علاوه قابلیت سیستم در انتشار ممتد مولکول‌های زیستی باردار تا 7 ساعت در شرایط خارج بدنی امکان تجویز طولانی مدت دارو را فراهم میکند.
منبع:
Baniya, P. et al. (2023) “A system for bioelectronic delivery of treatment directed toward wound healing”, Scientific Reports, 13(1). doi: 10.1038/s41598-023-41572-w. https://www.nature.com/articles/s41598-023-41572-w
