Novorazvijeni „pametni“ premazi za hirurške ortopedske implantate mogu da prate opterećenje uređaja kako bi obezbedili rano upozorenje na otkaze implantata dok ubijaju bakterije koje izazivaju infekciju, izvještavaju istraživači Urbana-Champaign Univerziteta Ilinois. Premazi integrišu fleksibilne senzore sa nanostrukturiranom antibakterijskom površinom inspirisanom krilima vretenaca i cikada.
U novoj studiji u časopisu Science Advances, multidisciplinarni tim istraživača otkrio je da premazi sprečavaju infekciju kod živih miševa i mapiraju soj u komercijalnim implantatima primenjenim na kičme ovaca kako bi upozorili na različite neuspehe implantacije ili zarastanja.
„Ovo je kombinacija bio-inspirisanog dizajna nanomaterijala sa fleksibilnom elektronikom za borbu sa komplikovanim, dugoročnim biomedicinskim problemom“, rekao je vođa studije Ćing Cao, profesor nauke o materijalima i inženjeringa Univerziteta I.
I infekcija i kvar uređaja su veliki problemi sa ortopedskim implantatima, od kojih svaki pogađa do 10% pacijenata, kaže Cao. Pokušano je nekoliko pristupa u borbi protiv infekcije, ali svi imaju ozbiljna ograničenja, rekao je on: biofilmovi se i dalje mogu formirati na vodoodbojnim površinama, a premazi napunjeni antibiotskim hemikalijama ili lekovima nestaju za nekoliko meseci i imaju toksične efekte na okolinu. tkivo sa malom efikasnošću protiv sojeva bakterijskih patogena otpornih na lekove.
Uzimajući inspiraciju iz prirodno antibakterijskih krila cikada i vretenaca, tim iz Ilinoisa napravio je tanku foliju sa uzorkom nanorazmera poput onih koji se nalaze na krilima insekata. Kada bakterijska ćelija pokuša da se veže za foliju, stubovi probijaju ćelijski zid, ubijajući ga.
„Korišćenje mehaničkog pristupa ubijanju bakterija omogućilo nam je da zaobiđemo mnoge probleme sa hemijskim pristupima, a da nam i dalje daje fleksibilnost potrebnu za nanošenje premaza na površine implantata“, rekao je profesor patobiologije Gee Lau, koautor studije.
Na zadnjoj strani nanostrukturirane folije, gde dolazi u kontakt sa implantatom, istraživači su integrisali niz visoko osetljivih, fleksibilnih elektronskih senzora za praćenje naprezanja. Ovo bi moglo pomoći lekarima da posmatraju napredak lečenja pojedinačnih pacijenata, da usmere njihovu rehabilitaciju kako bi skratili vreme oporavka i smanjili rizike, i da poprave ili zamene uređaje pre nego što dođu do tačke kvara, rekli su istraživači.
Inženjerska grupa se zatim udružila sa profesorkom veterinarske kliničke medicine Annette McCoi kako bi testirali svoje prototipove uređaja. Ugradili su folije u žive miševe i nadgledali ih za bilo kakav znak infekcije, čak i kada su uvedene bakterije. Takođe su primenili obloge na komercijalno dostupne kičmene implantate i nadgledali naprezanje implantata u kičmama ovaca pod normalnim opterećenjem radi dijagnoze kvara uređaja. Premazi su dobro obavljali obe funkcije.
Prototip elektronike zahtevao je žice, ali istraživači sledeći planiraju da razviju interfejse za bežično napajanje i komunikaciju podataka za svoje premaze, što je ključni korak za kliničku primenu, rekao je Cao. Takođe rade na razvoju proizvodnje velikih razmera folije za ubijanje bakterija sa teksturom nanostubova.
„Ovi tipovi antibakterijskih premaza imaju mnogo potencijalnih primena, a pošto naši koriste mehanički mehanizam, oni imaju potencijal za mesta gde bi hemikalije ili joni teških metala – kao što se sada koriste u komercijalnim antimikrobnim premazima – bili štetni“, kaže Cao.
