Лазерная спайка хрящевой ткани с коллагенсодержащим биоматериалом (исследование in vitro)

Цель исследования — оценка эффективности лазерной спайки биологических тканей и материалов для объемного прогрева альбуминового припоя на примере соединения интактного и химически модифицированного хрящей перегородки носа свиньи.

Материалы и методы. Материалами для соединения служили двукратно трипсинизированные и обработанные глицериновым альдегидом пластины, изготовленные из хряща перегородки носа свиньи, и интактный хрящ. Для спайки этих материалов в качестве припоя использовали 25% раствор альбумина. Место соединения прогревали лазерным излучением с длинами волн 1,56 и 1,68 мкм посредством оптического волокна. Процесс контролировали с помощью цифрового USB-микроскопа. После соединения материалов проводили механические испытания образцов, а также определяли долю интактного коллагена в областях, прилегающих к припою. С помощью тепловизора регистрировали динамику температурного поля в области лазерного воздействия.

Результаты. Эффективная спайка хрящевой ткани с коллагенсодержащим биоматериалом происходит при последовательном нанесении и лазерной обработке двух/трех слоев припоя для излучений с длинами волн 1,68/1,56 мкм соответственно. Плотности мощности излучения в слоях припоя составляли 0,7/0,8 Вт/мм² (средняя температура поверхности ~85°С) для λ=1,68 мкм и 1,77/1,34/0,96 Вт/мм² (средняя температура поверхности ~100°С) для λ=1,56 мкм. Предел прочности спаянных образцов достигал ~12% для λ=1,56 мкм и ~15% для λ=1,68 мкм от предела прочности интактного хряща. В областях ткани, прилегающих к первому слою альбумина, на толщине ~300 мкм большая часть коллагенового каркаса была разрушена. В остальных областях коллаген преимущественно сохранялся.

Заключение. Лазерная спайка химически модифицированного и интактного хрящей может эффективно осуществляться с помощью излучения с λ=1,56 мкм и λ=1,68 мкм, поглощаемого не только припоем, но и самой тканью. Однако для минимизации области деградации необходимо достичь соответствия диаметра лазерного пятна и размера заполненного припоем зазора между конструкцией и интактным хрящом.

1. Foyt D., Johnson J.P., Kirsch A.J., Bruce J.N., Wazen J.J. Dural closure with laser tissue welding. Otolaryngol Head Neck Surg 1996; 115(6): 513–518, https://doi.org/10.1016/s0194-59989670005-0.
2. McNally K.M., Sorg B.S., Chan E.K., Welch A.J., Dawes J.M., Owen E.R. Optimal parameters for laser tissue soldering. Part 1: tensile strength and scanning electron microscopy analysis. Lasers Surg Med 1999; 24(5): 319–331, https://doi.org/10.1002/(sici)1096-9101 (1999)24:5319::aid-lsm23.0.co;2-n.
3. Kramer E.A., Rentschler M.E. Energy-based tissue fusion for sutureless closure: applications, mechanisms, and potential for functional recovery. Annu Rev Biomed Eng 2018; 20: 1–20, https://doi.org/10.1146/annurev-bioeng-071516-044702.
4. Ashbell I., Agam N., Katzir A., Basov S., Platkov M., Avital I., Nisky I., Netz U. Laser tissue soldering of the gastrointestinal tract: a systematic review LTS of the gastrointestinal tract. Heliyon 2023; 9(5): e16018, https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2023.e16018.
5. Züger B.J., Ott B., Mainil-Varlet P., Schaffner T., Clémence J.F., Weber H.P., Frenz M. Laser solder welding of articular cartilage: tensile strength and chondrocyte viability. Lasers Surg Med 2001; 28(5): 427–434, https://doi.org/10.1002/lsm.1070.
6. Gerasimenko A.Y., Morozova E.A., Ryabkin D.I., Fayzullin A., Tarasenko S.V., Molodykh V.V., Pyankov E.S., Savelyev M.S., Sorokina E.A., Rogalsky A.Y., Shekhter A., Telyshev D.V. Reconstruction of soft biological tissues using laser soldering technology with temperature control and biopolymer nanocomposites. Bioengineering (Basel) 2022; 9(6): 238, https://doi.org/10.3390/bioengineering9060238.
7. Герасименко А.Ю., Губарьков О.В., Ичкитидзе Л.П., Под­гаецкий В.М., Селищев С.В., Пономарева О.В. Нано­композитный припой для лазерной спайки биологических тканей. Известия вузов. Электроника 2010; 4: 33–41.
8. Hale G.M., Querry M.R. Optical constants of water in the 200-nm to 200-μm wavelength region. Appl Opt 1973; 12(3): 555–563, https://doi.org/10.1364/ao.12.000555.
9. Gabay I., Basov S., Varssano D., Barequet I., Rosner M., Rattunde M., Wagner J., Platkov M., Harlev M., Rossman U., Katzir A. Closure of incisions in cataract surgery in-vivo using a temperature controlled laser soldering system based on a 1.9 μm semiconductor laser. Proc. SPIE 9702, Optical Fibers and Sensors for Medical Diagnostics and Treatment Applications XVI, 97020B (2016), https://doi.org/10.1117/12.2209133.
10. Forer B., Vasileyev T., Gil Z., Brosh T., Kariv N., Katzir A., Fliss D.M. CO2 laser fascia to dura soldering for pig dural defect reconstruction. Skull Base 2007; 17(1): 17–23, https://doi.org/10.1055/s-2006-959332.
11. Mistry Y.A., Natarajan S.S., Ahuja S.A. Evaluation of laser tissue welding and laser-tissue soldering for mucosal and vascular repair. Ann Maxillofac Surg 2018; 8(1): 35–41, https://doi.org/10.4103/ams.ams_147_17.
12. Simhon D., Halpern M., Brosh T., Vasilyev T., Ravid A., Tennenbaum T., Nevo Z., Katzir A. Immediate tight sealing of skin incisions using an innovative temperature-controlled laser soldering device: in vivo study in porcine skin. Ann Surg 2007; 245(2): 206–213, https://doi.org/10.1097/01.sla.0000232554.13719.10.
13. Basov S., Varssano D., Platkov M., Gabay I., Rosner M., Barequet I., Rattunde M., Wagner J., Harlev M., Ofer D., Nisky I., Dankner Y., Katzir A. Strong bonding of corneal incisions using a noncontact fiber-optic laser soldering method. J Biomed Opt 2019; 24(12): 128002, https://doi.org/10.1117/1.jbo.24.12.128002.
14. Yafit D., Basov S., Katzir A., Fliss D., DeRowe A. Laser soldering of cartilage graft interposed into a tracheal incision in a porcine model. Laryngoscope 2019; 129(1): 58–62, https://doi.org/10.1002/lary.27468.
15. Basov S., Milstein A., Sulimani E., Platkov M., Peretz E., Rattunde M., Wagner J., Netz U., Katzir A., Nisky I. Robot-assisted laser tissue soldering system. Biomed Opt Express 2018; 9(11): 5635–5644, https://doi.org/10.1364/boe.9.005635.
16. Семенов В.Ф. Применение лазерной спайки биологических тканей при оссикулопластике. Вестник оториноларингологии 2013; 6: 58–59.
17. Ignatieva N.Yu., Zakharkina О.L., Sergeeva Е.А., Serezhnikova N.B., Faizullin А.L., Shekhter А.B. Development of a two-layer porous scaffold based on porcine nasal septal cartilage for orthopedics. Sovremennye tehnologii v medicine 2021; 13(4): 48, https://doi.org/10.17691/stm2021.13.4.05.
18. Relkin P., Mulvihill D.M. Thermal unfolding of β-lactoglobulin, α-lactalbumin, and bovine serum albumin. A thermodynamic approach. Crit Rev Food Sci Nutr 1996; 36(6): 565–601, https://doi.org/10.1080/10408399609527740.
19. Rabi Y., Katzir A. Temporal heating profile influence on the immediate bond strength following laser tissue soldering. Lasers Surg Med 2010; 42(5): 425–432, https://doi.org/10.1002/lsm.20927.
20. McNally K.M., Sorg B.S., Welch A.J., Dawes J.M., Owen E.R. Photothermal effects of laser tissue soldering. Phys Med Biol 1999; 44(4): 983–1002, https://doi.org/10.1088/0031-9155/44/4/013.
21. Chan E.K., Brown D.T., Kovach I.S., Welch A.J. Laser assisted soldering: effects of hydration on solder-tissue adhesion. J Biomed Opt 1998; 3(4): 456–461, https://doi.org/10.1117/1.429895.
22. Dong J., Breitenborn H., Piccoli R., Besteiro L.V., You P., Caraffini D., Wang Z.M., Govorov A.O., Naccache R., Vetrone F., Razzari L., Morandotti R. Terahertz three-dimensional monitoring of nanoparticle-assisted laser tissue soldering. Biomed Opt Express 2020; 11(4): 2254–2267, https://doi.org/10.1364/boe.389561.
23. Chen Y., Huang J., Xia S., Wang K., Rui Y. Effect of laser energy on protein conformation and lipid structure in skin tissue. Opt Laser Technol 2023; 160: 109077, https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2022.109077.
24. Sviridov A.P., Zakharkina O.L., Ignatieva N.Y., Vorobieva N.N., Bagratashvili N.V., Plyakin V.A., Kulik I.O., Sarukhanyan O.O., Minaev V.P., Lunin V.V., Bagratashvili V.N. Ex vivo laser thermoplasty of whole costal cartilages. Lasers Surg Med 2014; 46(4): 302–309, https://doi.org/10.1002/lsm.22233.
25. Horváthy D.B., Simon M., Schwarz C.M., Masteling M., Vácz G., Hornyák I., Lacza Z. Serum albumin as a local therapeutic agent in cell therapy and tissue engineering. Biofactors 2017; 43(3): 315–330, https://doi.org/10.1002/biof.1337.

Ignatieva N.Yu., Zakharkina O.L., Sviridov A.P. Laser Soldering of Cartilage Tissue to Collagenous Biomaterial (an in vitro Study). Sovremennye tehnologii v medicine 2023; 15(6): 31, https://doi.org/10.17691/stm2023.15.6.04