Vývoj dvouvrstvých nanovlákenných materiálů pro fortifikaci střevních anastomóz

Ing. Markéta Klíčová

Disertační práce

Development of Double-layered Nanofibrous Materials for the Fortification of Intestinal Anastomoses

Abstract:

Severe and often life-threatening postoperative complications, such as anastomotic leakage and peritoneal adhesions, significantly impact the outcomes of colorectal surgery. Currently, there are no available materials on the market capable of effectively preventing such complications. This thesis responds to the needs of clinical practitioners lacking such materials on the market and addresses this gap by aiming to develop a unique multi-layered nanofibrous material designed specifically to cover intestinal anastomoses. The theoretical section of the thesis introduces readers to the complexities of postoperative complications in colorectal surgery and the current state of development in the field of nanofibrous materials. Two review studies not only summarize existing knowledge but also establish connections between publications, leading to the selection of suitable fabrication methodologies and the identification of biodegradable materials for further development. Large-scale electrospinning and electrospraying was chosen, acknowledging the limitations of low-scale lab devices in hindering commercialization. Synthetic polymers, particularly biodegradable polyesters like polycaprolactone (PCL), emerge as key players in the production of antiadhesive nanofibers. The experimental section evaluates the impact of different sterilization methods on the PCL nanofibrous material. This aspect, often overlooked in the literature, becomes a focal point with notable interest and citations in subsequent impacted articles. After verifying the possibility of covering anastomoses using nanofibers, the development of materials continued by optimizing the surface weight for effective anastomotic healing. The consistent integration of material development with the requirements and discoveries of clinical practitioners during the initial implantations led to the establishment of further requirements for fibrous scaffolds. The developed materials included multilayered fibrous structures with a hydrophilic inner layer and an antiadhesive outer layer as well as scaffolds inspired by the superhydrophobic lotus leaf. Additionally, nanofibrous drug delivery systems based on PCL and antibiotics gentamicin sulfate were explored. The functionality of the materials was examined in an experimental model mimicking the complex healing of colonic anastomosis in pigs. The three-week observation period concluded with evaluations of peritoneal adhesions and anastomotic healing. Novel scoring system Intestinal Wall Integrity Score was introduced for evaluating the healing of the intestinal wall at the site of anastomosis. This thesis contributes novel insights and innovative solutions to the field of gastrointestinal surgery, laying the foundation for the development of materials that can significantly reduce severe postoperative complications.

Abstract:

Závažné a mnohdy život-ohrožující pooperační komplikace, kterými jsou zejména anastomotický leak a peritoneální adheze, významně ovlivňují výsledky kolorektální chirurgie. V současné době neexistují dostupné komerční materiály, kterými lze efektivně preventovat zmíněné komplikace. Tato disertační práce reaguje na požadavky klinických lékařů, kterým takový material na trhu chybí a představuje vývoj unikátního vícevrstvého nanovláknitého materiálu navrženého speciálně pro krytí intestinálních anastomóz. Teoretická část práce uvádí čtenáře do složitostí postoperativních komplikací při kolorektální chirurgii a aktuálního stavu vývoje na poli nanovlákenných materiálů. Dvě přehledové studie nejen shrnují stávající znalosti, ale také identifikují souvislosti mezi publikacemi, a tak vedly k výběru vhodné metodiky výroby a výběru biodegradabilních materiálů pro vlastní vývoj. Byla zvolena metoda výroby materiálů pomocí electrospinningu a electrosprayingu na zařízení typu Nanospider. Bezjehlová technologie přípravy byla vybrána právě na základě podrobné literární rešerše, která ukazuje, že laboratorní metody vedou k přípravě nehomogenních vrstev, omezeným možnostem charakterizace, a také zpomalují následný transfer do komerční praxe. Syntetické polymery, zejména biodegradabilní polyestery jako polykaprolakton (PCL), jsou nejpoužívanějšími vstupními materiály při výrobě antiadhezivních nanovláken. Experimentální část zkoumá vliv různých sterilizačních metod na planární nanovlákenné materiály na bázi PCL. Vliv sterilizace, který je v literatuře často opomíjený, se stává stěžejním bodem s významným zájmem a citovaností v následných impaktovaných publikacích. Po ověření možnosti krytí anastomóz pomocí nanovláken byla pokračováno ve vývoji materiálů optimalizací plošné hmotnosti pro efektivní hojení anastomóz. Konzistentní provázání vývoje materiálů s požadavky a objevy klinických lékařů během prvotních implantací materiálů, vedlo ke stanovení dalších požadavků na vlákenné scaffoldy. Vývoj tak zahrnoval přípravu vícevrstvých vlákenných vrstev s hydrofilní vnitřní vrstvou a antiadhezivní vnější vrstvou, stejně jako představení hierarchických vlákenných materiálů, které jsou inspirovány nativním superhydrofobním povrchem lotosového listu. Kromě toho byly zkoumány nanovlákenné systémy pro řízené uvolňování léčiv na bázi PCL a antibiotika gentamicinu sulfátu. Funkčnost materiálů byla zkoumána v experimentálním modelu simulujícím složité hojení kolorektální anastomózy u prasat. Třítýdenní pozorovací období bylo zakončeno vyhodnocením levelu peritoneálních adhezí a úspěšnosti hojení anastomózy. Nový skórovací systém (Intestinal Wall Integrity Score) byl představen pro hodnocení hojení střevní stěny v místě anastomózy. Tato disertační práce přináší nové poznatky a inovativní řešení v oblasti gastrointestinální chirurgie, a pokládá základy pro vývoj materiálů, které mohou významně snížit závažné pooperační komplikace.

Keywords

gastrointestinální anastomóza, anastomotický leak, pooperační adheze, nanovlákna, electrospinning, electrospraying, biokompatibilita, biodegradabilita, superhydrofobní povrch

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 11. 3. 2024

Obhajoba závěrečné práce

• Vedoucí: doc. RNDr. Jana Horáková, Ph.D.

Technická univerzita v Liberci

Fakulta textilní

Doktorský studijní program / obor:
Textilní inženýrství / Textilní technika a materiálové inženýrství