Mikrogeler lader medicinske implantater bekæmpe bakterier

Fælles udskiftninger er blandt de mest almindelige valgfrie operationer-men omkring en ud af 100 patienter lider efter kirurgiske infektioner, forvandle en rutinemæssig procedure til en dyr og farlig prøvelse. Nu, forskere ved Stevens Institute of Technology har udviklet en "selvforsvarlig overflade" til disse implantater, der frigiver målrettede mikrodoser af antibiotika, når bakterier nærmer sig, muligvis reducerer infektionshastigheden kraftigt.

Arbejdet, ledet af Matthew Libera, professor i materialevidenskab ved Stevens, beskriver en metode til belægning af implantatoverflader med et gitter af mikrogeler:pletter, hver 100 gange mindre end diameteren på et menneskehår, er i stand til at optage visse antibiotika. Mikrogelernes adfærd reguleres af elektriske ladninger, og den elektriske aktivitet af en nærliggende mikrobe får dem til at lække antibiotika, forhindrer infektioner i at slå rod.

Mikrogeler kan anvendes på en bred vifte af medicinsk udstyr, herunder hjerteklapper, vævsstilladser, og endda kirurgiske suturer - og med markedet for hofteimplantater alene, der forventes at nå 9,1 milliarder dollar i 2024, teknologien har et betydeligt kommercielt potentiale. Den amerikanske hær, som hjalp med at finansiere forskningen, er også interesseret i at implementere teknologien på felthospitaler, hvor infektioner i øjeblikket forekommer i en fjerdedel af kampskader.

"Den potentielle indvirkning for patienter, og for sundhedssystemet er fantastisk, sagde Libera, der er leder af Stevens-konferencen om bakterie-materiale-interaktioner. Stevens doktorgradskandidat Jing Liang og professor i biomedicinsk teknik Engineering Hongjun Wang samarbejdede om undersøgelsen, som fremgår af journalen Biomaterialer .

Postkirurgiske infektioner er svære at slå, fordi som mikrober koloniserer overflader, de danner antibiotikaresistente lag kaldet biofilm. Libera og hans team afbryder denne cyklus ved at dræbe mikrober, før de kan få fodfæste. "Det kræver kun en bakterie at forårsage en infektion, "Libera sagde." Men hvis vi kan forhindre infektion, indtil helingen er fuldført, så kan kroppen tage over. "

I modsætning til konventionelle behandlinger, der oversvømmer hele kroppen med antibiotika, Stevens -teamets tilgang er meget målrettet, frigiver små mængder antibiotika for at dræbe individuelle bakterier. Det reducerer dramatisk det selektive pres, der giver anledning til antibiotikaresistente "superbugs"-en stor forbedring i forhold til både systemiske behandlinger og lokale fremgangsmåder, såsom at blande antibiotika i knoglecement, frigivelse af størrelsesordener mindre antibiotika i patientens system.

Andre selvforsvarsoverflader, der i øjeblikket er under udvikling, er afhængige af mikrobernes metaboliske biprodukter for at udløse frigivelse af antibiotika-en mindre sikker metode end Liberas metode, som kan dræbe selv sovende bakterier. Teamets mikrogeler er også bemærkelsesværdigt modstandsdygtige, overlever ethanolsterilisering og forbliver stabil i uger ad gangen. Mikrogeler reagerer også passende på humant væv, bevarer deres antibiotiske belastning, indtil det er nødvendigt og fremmer sund knoglevækst omkring behandlede overflader.

For at anvende mikrogeler på et medicinsk udstyr, såsom et knæled, kirurger kunne dyppe enheden i et specielt forberedt bad i et par sekunder; en kort dukkert i et andet bad ville derefter oplade mikrogelerne med antibiotika. I teorien, kirurger kunne forberede enheder efter behov umiddelbart før de blev implanteret, brug af antibiotika, der er skræddersyet til en patients specifikke risikofaktorer.

Indtil videre er fremgangsmåden blevet testet in vitro, og teamet arbejder stadig på at finjustere mikrogelerne og gøre dem i stand til at levere et bredere udvalg af antibiotika. Det vil være svært at sikre godkendelse fra U.S. Food and Drug Administration, i betragtning af teknologiens innovative karakter, men Liberas team arbejder sammen med branchepartnere for at planlægge yderligere demonstrationer.