電界制御電気紡糸による医療用接着剤繊維で迅速な肝臓止血を実現

概要

電気紡糸繊維の精密な堆積は、臓器止血における主要な課題の一つです。本研究では、ノズルに金属コーンを導入した電界修飾型電気紡糸システムを開発し、繊維の堆積位置を制御可能にしました。コーンのサイズを変えることで堆積面積を調整できることが、有限要素シミュレーションで確認されています。ラットの肝切除モデルにおいて、N-オクチル-2-シアノアクリレート（NOCA）繊維を創傷部に直接堆積させ、10秒以内に完全止血を達成しました。術後の組織学的検査では、従来の気流補助型電気紡糸と比較して、炎症と組織癒着が著しく軽減されました。この携帯型・電池駆動デバイスは、緊急時・臨床現場・在宅医療などでの迅速かつ精密な止血に、携帯可能な電気紡糸技術が貢献できることを示しています。

背景

肝切除は肝悪性腫瘍の標準治療ですが、肝臓の豊富な血管網のため大量出血が常に懸念されます。従来の止血法（縫合、結紮、電気凝固、フィブリンやゼラチン製剤）には、適用に時間がかかる、組織損傷、免疫原性、保存期間の短さ、高コストなどの限界があります。電気紡糸は低用量で表面を被覆するアプローチであり、不規則な創傷形状にも追従可能です。しかし、既存の電気紡糸装置は大型で堆積制御が不正確、商用電源が必要であるため、遠隔地や緊急現場での使用が制限されてきました。我々は以前、気流補助型電気紡糸を開発し堆積面積を縮小しましたが、エアポンプ用の外部電源が必要でした。そこで、小型バッテリーのみで駆動し、配向性と精密な堆積を実現する電界修飾型システムの開発を目指しました。

静電場内に金属導体を配置すると、誘導表面電荷によって電場分布が変化します。電気紡糸では帯電ジェットの軌道が局所電場に依存するため、戦略的に配置した金属コーンでジェットを集束させ、発散を抑制し堆積領域を狭めることができます。紡糸材料には、臨床承認済みのシアノアクリレート系接着剤であるNOCAを選択しました。高分子繊維マットは従来の厚い接着剤膜より柔軟で、少量で済むためです。

本研究では、ラット肝切除部位へNOCA繊維を制御・精密に堆積させ、迅速な止血を可能にする電界修飾型電気紡糸技術を開発しました。この技術の携帯性と精度は、緊急・臨床・現場・在宅での応用に適しています。

方法

材料

NOCA接着剤（N-オクチル-2-シアノアクリレートにPMMA添加）は広州白雲医療用接着剤有限公司から供給を受けました。ラット麻酔にはクロラールハイドレート（10%溶液）を使用しました。

生体内止血実験

成熟雄性SDラット40匹（300-350g）を無作為に2群（各n=20）に割り付けました：気流補助型電気紡糸群と電界修飾型電気紡糸群。麻酔と正中開腹後、左葉の50%肝切除を行いました。電界修飾群では、側長2.5cm、角度60°の金属コーンをスピナーに装着し、針-コレクター距離10cm、電圧10kVで実施。気流補助群では、出口径1.2mm、流量120µL/min、10kV、10cm距離で実施。手技時間は1匹あたり約20分。全実験は機関の動物実験ガイドラインに準拠しました。

血液検査と病理組織切片

術後3日目と5日目に心穿刺で採血し、白血球数と肝機能検査を実施。7日目に安楽死させ、肝臓を摘出、4%中性ホルマリン固定、パラフィン包埋、H&E染色を行いました。

電界シミュレーション

有限要素解析で、12kV電源、銅針、銅コーン、アルミニウムコレクターを空気中にモデル化。針長3cm、コーン直径5cm、コレクター距離10cmで設定しました。

キャラクタリゼーション

SEM観察は日立TM-1000、FTIRはニコレットIn10分光計、光学顕微鏡（オリンパスBX51）で堆積境界を評価、カシオエクシリムカメラで生体内手技を撮影しました。

結果と考察

精密堆積を実現する電界修飾型電気紡糸

開発した携帯型デバイス（図1）は、水銀フリーの単3電池2本と高電圧コンバータを使用し、商用電源不要です。従来の気流モジュールに代わる調整可能な金属コーンが、追加電力なしで電場分布を変化させます。高電圧ながら微小電流に抑えることで安全性を確保しています。

SEM観察で直径1-3µmの連続NOCA繊維が確認されました（図2a）。FTIRでは714、2761、1732cm⁻¹のピーク（-CH₂-、-C≡N、-C=O）と3127cm⁻¹（=CH-）バンドの消失により重合が確認されました。コーン直径を変化させると堆積面積が比例して縮小（図2c）、ジェットがより強く閉じ込められることを示しました。針-コレクター距離を広げると堆積面積は拡大しますが（図2d）、コーンありの場合は従来法より常に小さな広がりに抑制されました。これによりコーンが電場を集束し、堆積精度を向上させることが実証されました。

精密堆積のメカニズム解析

有限要素解析結果（図3）では、金属コーンが電場強度を高め、発散角を狭めることを示しました。コーン近傍の電場線は4×10⁵V/m（コーンなしでは3×10⁵V/m）に達し、角度は20°から6°へ減少しました。これにより帯電ジェットがより狭い軌道に閉じ込められ、実験的に観察された堆積面積の縮小を説明できます。

生体内迅速止血と解析

ラットモデルでは、電界修飾デバイスにより10秒以内に完全止血を達成しました（図4a-c）、気流補助法より高速です。肝臓表面のSEM（図4d）では、厚さ約50µmの均一な繊維膜が不規則な創傷形状に密着しており、本手法の適応性の高さが示されました。

白血球数（図5a）では、電界修飾群で5日目に有意に低い炎症反応（p<0.05）を示し、シャム対照群と同等でした。肝酵素（ALT、AST、GGT）も著しく低下（図5b-d）、肝障害が最小限であることを示唆します。組織学（図6）では、電界修飾群でより明確な組織境界、薄い被膜、少ない炎症細胞が見られ、組織癒着と炎症反応の軽減が確認されました。

結論

調整可能な金属コーンを備えた電界修飾型電気紡糸システムにより、NOCA繊維の精密かつ配向性のある堆積が可能となり、迅速な肝臓止血を実現しました。堆積面積はコーンサイズで制御可能で、シミュレーションでは集束電場がジェット発散を抑制することが確認されました。生体内では10秒で止血を達成し、気流補助法と比較して炎症と組織癒着が軽減されました。携帯型・電池駆動の設計により、緊急・臨床・現場・在宅医療への応用が期待されます。

略語

ALT:

アラニンアミノトランスフェラーゼ

AST:

アスパラギン酸アミノトランスフェラーゼ

CA:

シアノアクリレート

E-spinning:

電気紡糸

FTIR:

フーリエ変換赤外分光法

GGT:

γ-グルタミルトランスフェラーゼ

HE:

ヘマトキシリン・エオシン

NOCA:

N-オクチル-2-シアノアクリレート

PMMA:

ポリメチルメタクリレート

SEM:

走査型電子顕微鏡

WBC:

白血球