Gewinner des Stanford Advanced Materials College Scholarship für 2021

DasSAM-College-Stipendium 2021 befasst sich mit den Auswirkungen neuer Technologien und neuer Materialien auf unsere Gesellschaft. Fortgeschrittene Materialien haben uns eine glänzende Zukunft beschert, aber es gibt immer noch verschiedene technologische Probleme. Daher hat SAM die Studierenden aufgefordert, darüber zu sprechen, welches technologische Problem im nächsten Jahrzehnt die größte Herausforderung darstellen wird. SAM bat sie auch, über frühere Projekte zu berichten, bei denen ein Problem mit Hilfe fortschrittlicher Werkstoffe gelöst wurde.

In den letzten Monaten haben wir etwa 150 Aufsätze und 20 Videos erhalten. Alle Schülerinnen und Schüler haben gute Arbeit geleistet, und wir hoffen, dass sie in Zukunft große Erfolge erzielen werden!

Aus diesen Einsendungen haben wir schließlich zwei Gewinner ausgewählt.

Madeline Brown
von der Universität von Kalifornien, San Diego

Dankesbrief von Madeline Brown

Alex Guerra
von der San Jose State University

Dankesschreiben von Alex Guerra

Hier sind ihre Einsendungen.

Aufsatz - Madeline Brown

Der Niedergang des Skalpells: Ein Blick in die Zukunft der Chirurgie

Während sich die Medizin weiterentwickelt hat, ist eine Praxis in der archaischen Vergangenheit verhaftet. Ungeachtet des technologischen Fortschritts auf dem Gebiet der Chirurgie ruft die Praxis des aktiven Öffnens des menschlichen Körpers durch Einschnitte Bilder der barbarischen Praktiken der frühen Medizin in Erinnerung. Nicht nur, dass der Körper durch antibiotikaresistente Mikroben Krankheiten ausgesetzt wird, bei jedem Schnitt entsteht auch Narbengewebe: eine äußerst schmerzhafte Erinnerung für jeden Patienten nach der Operation. Es ist nicht einfach, dieses Problem zu lösen, aber durch den Einsatz fortschrittlicher Materialien ist es möglich.

Meine Leidenschaft für die Verbesserung chirurgischer Methoden begann ganz in der Nähe, bei meiner Mutter. In der Mitte meines ersten Studienjahres erfuhr meine Mutter, dass sie einen Herzklappenersatz benötigte. Die Operation wurde mit einem minimalinvasiven Verfahren durchgeführt: ein Schnitt in ihrem rechten Unterarm, der durch eine Arterie zur betroffenen Klappe führte. Nach der Operation blieben mein Bruder und ich bei ihr im Aufwachraum; in diesem Raum wurde mir klar, dass die moderne Operation fehlerhaft war. Die ganze Zeit über hatte sie Schmerzen, aber es war nicht ihr Herz, das schmerzte: es war der Schnitt. Im Laufe der Zeit nach dem Eingriff wurde es immer schwieriger, die mit dem Einschnitt verbundenen Komplikationen in den Griff zu bekommen. Um eine Infektion zu verhindern, wurden tägliche Reinigungen und Verbandswechsel zur Norm. Obwohl die postoperativen Anweisungen genauestens befolgt wurden, litt meine Mutter immer noch unter Schmerzen im Bereich des Einschnitts, die wahrscheinlich auf die Ansammlung von Narbengewebe zurückzuführen waren.Bis heute leidet sie unter einer ständigen Erinnerung an ihren Eingriff, den unnötigen Schmerzen ihres Narbengewebes. Dieser Gedanke, dass diese Schmerzen unnötig sind, hat mich dazu bewogen, eine Operationsmethode zu entwickeln, mit der die Bildung von Narbengewebe verhindert werden kann, bevor es entsteht: eine Operationsmethode ohne Schnitt.

Die Lösung für eine fortschrittliche Chirurgie wäre eine strategische Anwendung von Medikamentenverabreichungsgeräten. Nämlich eine Kombination aus porösen Siliziumpartikeln und einem Polymer. Die Vorteile dieses Hybridsystems werden deutlich, wenn man seine Bestandteile analysiert. Die Siliziumpartikel können so angepasst werden, dass sie bestimmte Wirkstoffe aufnehmen können, während das Polymer verhindert, dass die Partikel in unbeabsichtigte Bereiche wandern. Der Reiz einer solchen Methode liegt in der Vorstellung, dass sie auf die Bedürfnisse eines bestimmten Patienten zugeschnitten werden kann und nahezu nicht invasiv ist. Wenn ein Patient beispielsweise einen ischämischen Schlaganfall erleidet, können mit t-PA beladene Siliziumpartikel durch den Blutkreislauf zum Ort des Gerinnsels geleitet werden, um es aufzulösen. Dies erweist sich als besonders vorteilhaft, da das potenziell toxische t-PA an einen isolierten Punkt geleitet wird und bei der Auflösung des Gerinnsels eine maximale Wirkung erzielt werden kann.

Bei ausreichender Finanzierung würde ich mit der Erprobung eines hybriden Systems aus Polymer und porösem Silizium für die Verabreichung von Medikamenten beginnen. DasGerüst für die arzneimittelbeladenen Partikel würde aus Polycaprolacton (PCL) bestehen, da dieses von der FDA zugelassene Polymer nachweislich Silizium-Nanopartikel wirksam einkapselt [1]. Zweitens würden poröse Siliziumpartikel durch elektrochemisches Ätzen hergestellt [2], die die einzigartige Fähigkeit haben, fein abgestimmt zu werden, um verschiedene Medikamente zu laden. Die "Abstimmung" kann durch Veränderung der Porosität und der Größe der Partikel erfolgen, wobei beide Eigenschaften so optimiert werden, dass sie die gewählte Nutzlast adäquat aufnehmen können. Je nach der beabsichtigten Funktion des Hybridpartikel-Polymer-Abgabesystems würde die mit dem Medikament beladene Menge variieren. Wenn ich mich zum Beispiel auf die Revaskularisierung von Gewebe konzentrieren würde, würde ich die Siliziumpartikel mit verschiedenen Formen von VEGF beladen (von denen jede eine andere Wirkung auf die Vaskularisierung hat). Sobald die porösen Siliziumpartikel mit dem gewünschten Wirkstoff beladen sind, könnten sie mittels Sprühvernebelung in das PCL eingearbeitet werden: Die beiden Lösungen werden kombiniert und aus einer Airbrush herausgesprüht. [3] Wenn das PCL aus der Airbrush gesprüht wird, bildet es orientierte Fasern, die, wenn sie fokussiert werden, ein Pflaster bilden. Dieses Pflaster kann zugeschnitten und über einen Trokar in den Körper eingebracht werden, so dass die Auswirkungen eines Schnittes auf die Auswirkungen eines großen Impfstoffs reduziert werden.

Für komplexere Eingriffe müssen verschiedene Kombinationen von Partikeln und Polymeren verwendet werden: Partikel zur Durchführung und zum Schließen von Schnitten, zur Förderung der Heilung usw. Jedes dieser Verfahren würde einen separaten Forschungsprozess erfordern, doch zusammengenommen würde das System die Medizin revolutionieren. Denn ein chirurgisches System, das durch eine Injektion verabreicht wird, würde nicht nur ein Verfahren hervorbringen, das weniger anfällig für antibiotikaresistente Infektionen ist, sondern auch weniger anfällig für die Ansammlung von schmerzhaftem Narbengewebe.

Die Entwicklung der Medizin hängt davon ab, dass ihre Fallstricke erkannt werden, egal wie klein sie für einen Beobachter sein mögen. Im Falle der modernen Chirurgie sind wir in den Rhythmus verfallen, denPatientenSchaden zuzufügen, um ihre Leiden zu heilen. Auch wenn dies wie ein edler Kompromiss erscheint, dürfen wir nicht den Eid vergessen, auf den alle Ärzte geschworen haben: "primum non nocere", "nicht schaden". Um den Patienten bestmöglich zu dienen, müssen wir also einen Weg finden, das Skalpell zugunsten von nano- und mikroinvasiven Techniken aufzugeben. Indem wir uns diese Techniken zu eigen machen, können wir die Grenzen der Medizin weiter hinausschieben, um die Maxime des "Do no harm" wirklich zu verwirklichen.

Zitate

[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. Part. 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

Video - Alex Guerra