Пластырь, сделанный из гидрогелевого материала на водной основе, был разработан с использованием компьютерного моделирования работы сердца с целью точной настройки механических свойств материала. Исследование на крысах показало, что пластырь эффективен в предотвращении ремоделирования левого желудочка – растяжения сердечной мышцы, которое является обычным после сердечного приступа и может снизить функцию основной насосной камеры сердца. Исследование также показало, что оптимизированная с помощью компьютера пластыря превосходит пластыри, механические свойства которых были выбраны на индивидуальной основе.
Исследование, опубликованное в журнале Nature Biomedical Engineering, было результатом сотрудничества исследователей компьютерного моделирования и механики из инженерной школы Университета Брауна, исследователей кардиологов из Университета Фудань и ученых-материаловедов из Университета Сучжоу.
«Отчасти причина того, что сердцу трудно восстановиться после сердечного приступа, заключается в том, что оно должно продолжать работать, – сказал Хуацзянь Гао, профессор инженерных наук Брауна и соавтор статьи. "Идея состоит в том, чтобы обеспечить механическую поддержку поврежденной ткани, которая, мы надеемся, даст ей шанс на заживление."
Предыдущие исследования показали, что механические пластыри могут быть эффективными, говорят исследователи, но никто не исследовал, какими могут быть оптимальные механические свойства таких пластырей. В результате толщина и жесткость потенциальных пятен сильно различаются. По словам Гао, очень важно правильно подобрать эти свойства.
«Если материал слишком твердый или жесткий, то вы можете ограничить движение сердца, чтобы оно не могло расшириться до необходимого объема», – сказал он. "Но если материал слишком мягкий, он не обеспечит достаточной поддержки. Итак, нам нужны были некоторые механические принципы, которыми мы руководствовались."
Чтобы разработать эти принципы, исследователи разработали компьютерную модель бьющегося сердца, которая отражает механическую динамику как самого сердца, так и пластыря, прикрепленного к внешней стороне сердца.
Юэ Лю, аспирантка Брауна, руководившая работой по моделированию, говорит, что модель состояла из двух ключевых компонентов.
«Одна часть заключалась в моделировании нормальной функции сердца – расширении и сокращении», – сказал Лю. "Затем мы применили наш патч снаружи, чтобы увидеть, как он повлиял на эту функцию, чтобы убедиться, что патч не ограничивает сердце. Вторая часть заключалась в моделировании ремоделирования сердца после инфаркта миокарда, чтобы затем мы могли посмотреть, сколько механической поддержки необходимо для предотвращения этого процесса."
Обладая этими свойствами, команда обратилась в лабораторию биоматериалов Лей Яна, доктора философии наук.D. выпускник, который сейчас является профессором Университета Сучжоу и Технологического университета Хэбэй в Китае. Ян и его команда разработали гидрогелевый материал из пищевого крахмала, который может соответствовать свойствам модели.
Ключ к материалу заключается в том, что он вязкоупругий, что означает, что он сочетает в себе свойства жидкости и твердого тела. Он имеет свойства текучей среды до определенного уровня напряжения, после чего он затвердевает и становится более жестким. По словам исследователей, это делает материал идеальным как для поддержки сердечных движений, так и для обеспечения необходимой поддержки.
Материал также дешев (по словам исследователей, пластырь стоит меньше копейки) и прост в изготовлении, а эксперименты показали, что он нетоксичен. Исследование на грызунах в конечном итоге показало, что оно эффективно снижает повреждение после сердечного приступа.
«Пластырь обеспечил почти оптимальную механическую поддержку после инфаркта миокарда (i.е. массовая гибель кардиомиоцитов) ", – сказал Нин Сун, исследователь кардиологии из Университета Фудань в Китае и соавтор исследования. «[Он] поддерживает лучший сердечный выброс и, таким образом, значительно снижает перегрузку оставшихся кардиомиоцитов и неблагоприятное ремоделирование сердца."
Биохимические маркеры показали, что пластырь снижает гибель клеток, накопление рубцовой ткани и окислительный стресс в тканях, поврежденных сердечным приступом.
Исследователи говорят, что необходимы дополнительные испытания, но первоначальные результаты многообещающие для использования в клинических испытаниях на людях.
«Еще неизвестно, сработает ли это на людях, но это очень многообещающе», – сказал Гао. "Сейчас мы не видим причин, по которым это не сработает."