Победители стипендии Стэнфордского колледжа перспективных материалов на 2021 год

Стипендия для колледжей 2021 года от SAM посвящена влиянию новых технологий и новых материалов на наше общество. Передовые материалы принесли нам светлое будущее, но все еще существуют различные технологические проблемы. Поэтому SAM предложил студентам рассказать о том, какая технологическая проблема будет представлять наибольшую сложность в следующем десятилетии. SAM также попросил их рассказать о предыдущих проектах, в которых была решена проблема с использованием передовых материалов.

За последние несколько месяцев мы получили около 150 эссе и 20 видеороликов. Все эти студенты проделали хорошую работу, и мы надеемся, что в будущем они добьются больших успехов!

Из этих работ мы выбрали двух победителей.

Мэдлин Браун
из Калифорнийского университета в Сан-Диего

Благодарственное письмо от Маделин Браун

Алекс Герра
из Государственного университета Сан-Хосе

Благодарственное письмо от Алекса Герры

Вот их работы.

Эссе - Мэдлин Браун

Гибель скальпеля: взгляд в будущее хирургии

В то время как медицина развивается, одна практика остается в архаичном прошлом. Независимо от технологических достижений в области хирургии, практика активного вскрытия человеческого тела через разрез вызывает в памяти образы варварских практик ранней медицины. Мало того, что это подвергает организм опасности заражения устойчивыми к антибиотикам микробами, так еще и при любом разрезе образуется рубцовая ткань - крайне болезненное послеоперационное напоминание для любого пациента. Решить эту проблему будет непросто, однако использование передовых материалов делает это возможным.

Моя страсть к совершенствованию хирургических методов началась рядом с домом, с моей мамой. В середине первого курса колледжа моя мама узнала, что ей требуется замена сердечного клапана. Операция была проведена с помощью минимально инвазивной процедуры: в правом подреберье был сделан разрез, через артерию проведен к пораженному клапану. После операции мы с братом остались с ней в послеоперационной палате; именно там я понял, что современная хирургия несовершенна. Все это время она испытывала боль, но болело не сердце, а разрез. По мере того как шло время после операции, бороться с осложнениями, связанными с разрезом, становилось все труднее. Чтобы предотвратить заражение, ежедневные чистки и смена повязок стали нормой. Хотя послеоперационные инструкции соблюдались в точности, моя мама все равно страдала от боли в области разреза, вероятно, из-за скопления рубцовой ткани.По сей день она страдает от постоянного напоминания о процедуре, от ненужной боли в рубцовой ткани. Именно эта мысль, что боль не нужна, подтолкнула меня к созданию метода хирургии, который мог бы предотвратить образование рубцовой ткани еще до ее появления: хирургический метод без разреза.

Решением для усовершенствованной хирургии стало бы стратегическое применение устройств для доставки лекарств. А именно, сочетание пористых кремниевых частиц и полимера. Преимущества этой гибридной системы становятся очевидными при анализе ее компонентов. Кремниевые частицы могут быть настроены на введение определенных лекарственных препаратов, а полимер будет использоваться для предотвращения миграции частиц в нежелательные области. Привлекательность такого метода заключается в том, что он может быть адаптирован к потребностям конкретного пациента, а также является практически неинвазивным. Например, если пациент перенес ишемический инсульт, то для диффузии тромба кремниевые частицы, заряженные t-PA, могут быть направлены через кровоток к месту расположения тромба и действовать на его рассеивание. Это особенно выгодно, поскольку направляет потенциально токсичный t-PA в изолированную точку и может быть максимально эффективным в очистке тромба.

При наличии достаточного финансирования я бы начал тестировать возможности гибридной системы доставки лекарств из полимера и пористого кремния. В качестве основы для частиц с лекарственной нагрузкой использовался бы поликапролактон (PCL), поскольку этот полимер, одобренный FDA, эффективно инкапсулирует кремниевые наночастицы [1]. Во-вторых, пористые кремниевые частицы будут получены методом электрохимического травления [2]. Эти частицы обладают уникальной способностью тонко настраиваться для загрузки различных лекарств. Настройка" может быть осуществлена путем изменения пористости и размера частиц, оптимизируя обе характеристики для адекватного размещения выбранной полезной нагрузки. В зависимости от предполагаемой функции гибридной системы доставки полимерных частиц, лекарственная нагрузка будет варьироваться. Например, если бы я сосредоточился на реваскуляризации тканей, я бы загрузил в частицы кремния различные формы VEGF (каждая из которых, как было показано, оказывает различное влияние на васкуляризацию). После того как пористые частицы кремния будут загружены нужным препаратом, их можно будет включить в PCL с помощью распыления: соединить два раствора и распылить из аэрографа. [3] При распылении из аэрографа PCL образует ориентированные волокна, которые, будучи сфокусированными, формируют пластырь. Такой пластырь можно вырезать по размеру и ввести в тело через троакар; таким образом, воздействие разреза сводится к воздействию большой вакцины.

Для выполнения более сложных процедур необходимо использовать целый ряд комбинаций частиц и полимеров: частицы для выполнения и закрытия разрезов, содействия заживлению и т. д. Каждая из них потребует отдельного исследования, однако, собранная вместе, эта система произведет революцию в медицине. Ведь хирургическая система, вводимая с помощью инъекции, обеспечит процесс, не только менее подверженный инфекциям, устойчивым к антибиотикам, но и менее склонный к накоплению болезненной рубцовой ткани.

Эволюция медицины зависит от распознавания ее подводных камней, какими бы незначительными они ни были для наблюдателя. В случае с современной хирургией мы попали в ритм причинения вредапациентам, чтобы вылечить их недуги. Хотя это кажется благородным компромиссом, мы не должны забывать о клятве, которую дают все врачи: "primum non nocere", "не навреди". Таким образом, чтобы наилучшим образом служить пациентам, мы должны найти способ отказаться от скальпеля в пользу нано- и микроинвазивных технологий. Применяя эти методы, мы сможем еще больше расширить границы медицины и по-настоящему воплотить в жизнь принцип "не навреди".

Цитаты

[1]Zuidema, J. M., Dumont, C. M., Wang, J., Batchelor, W. M., Lu, Y.-S., Kang, J., Bertucci, A., Ziebarth, N. M., Shea, L. D., Sailor, M. J., Porous Silicon Nanoparticles Embedded in Poly(lactic-co-glycolic acid) Nanofiber Scaffolds Deliver Neurotrophic Payloads to Enhance Neuronal Growth. Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2002560. https://doi.org/10.1002/adfm.202002560

[2]Qin, Z., Joo, J., Gu, L. and Sailor, M.J. (2014), Size Control of Porous Silicon Nanoparticles by Electrochemical Perforation Etching. Часть. Part. Syst. Charact., 31: 252-256. https://doi.org/10.1002/ppsc.201300244

[3]Zuidema, J. M., Kumeria, T., Kim, D., Kang, J., Wang, J., Hollett, G., Zhang, X., Roberts, D. S., Chan, N., Dowling, C., Blanco-Suarez, E., Allen, N. J., Tuszynski, M. H., Sailor, M. J., Adv. Mater. 2018, 30, 1706785. https://doi.org/10.1002/adma.201706785

Видео - Алекс Герра