Nanomodificerede overflader forsegler benimplantater mod infektion

I de seneste år, forskere har arbejdet på at udvikle mere fleksible, funktionel protese til soldater, der vender hjem fra slagmarker i Afghanistan eller Irak med manglende arme eller ben. Men selv ny proteser har problemer med at forhindre bakterier i at komme ind i kroppen gennem rummet, hvor enheden er blevet implanteret.

"Du skal lukke (området), hvor bakterierne ville komme ind i kroppen, og det er her huden er, "sagde Thomas Webster, lektor i teknik og ortopædi ved Brown University.

Webster og et team af forskere på Brown er muligvis stødt på den rigtige formel til at afskrække bakterielle migranter. Gruppen rapporterer om to måder, hvorpå den modificerede overfladen af ​​titaniumbenimplantater for at fremme hudcellevækst, og derved skabe et naturligt hudlag og forsegle hullet, hvor enheden er blevet implanteret i kroppen. Forskerne skabte også en molekylær kæde til at sprøjte hudvoksende proteiner på implantatet for at fremskynde hudens vækst.

Resultaterne er offentliggjort i Journal of Biomedical Materials Research A.

Forskerne, herunder Melanie Zile, en Boston University -studerende, der arbejdede i Websters laboratorium som en del af Browns Undergraduate Teaching and Research Awards -program, og Sabrina Puckett, der fik sin ingeniørdoktor i maj sidste år, skabte to forskellige overflader på nanoskalaen, dimensioner mindre end en milliarddel af en meter.

I den første tilgang, videnskabsmændene affyrede en elektronstråle af titaniumbelægning ved anlæg (stykket af implantatet, der indsættes i knoglen), skabe et landskab med 20-nanometer høje. Disse høje efterligner konturerne af naturlig hud og narre hudceller til at kolonisere overfladen og vokse yderligere keratinocytter, eller hudceller.

Webster kendte sådan en overflade, groft i nanoskalaen, arbejdede med at genvinde knogleceller og bruskceller, men han var usikker på, om det ville lykkes med at dyrke hudceller. Det kan være første gang, at en nanosurface, der er skabt på denne måde på titanium, har vist sig at tiltrække hudceller.

Den anden tilgang, kaldet anodisering, involveret at dyppe distancen i flussyre og give den et støt af elektrisk strøm. Dette får titaniumatomerne på anlægets overflade til at skynde sig rundt og regamere som hule, rørformede strukturer, der stiger vinkelret fra anlægets overflade. Som med nanomounds, hudceller koloniserer hurtigt den nanotubulære overflade.

I laboratorieundersøgelser (in vitro), forskerne rapporterer næsten en fordobling af hudens celletæthed på implantatoverfladen; inden for fem dage, keratinocyttætheden nåede det punkt, hvor et uigennemtrængeligt hudlag, der bygger bro mellem distancen og kroppen, var blevet skabt.

"Du har helt sikkert et komplet lag hud, "Webster sagde." Der er ikke mere mellemrum for bakterierne at gå igennem. "

For yderligere at fremme hudcellevækst omkring implantatet, Websters team kiggede på FGF-2, et protein udskilt af huden for at hjælpe andre hudceller med at vokse. Bare slathering abutment med proteiner virker ikke, da FGF-2 mister sin virkning, når den absorberes af titanium. Så forskerne kom med en syntetisk molekylær kæde til at binde FGF-2 til titaniumoverfladen, samtidig med at proteinets hudcellevækstevne bevares. Ikke overraskende, in vitro-test viste den største tæthed af hudceller på anlægsflader ved hjælp af de nanomodificerede overflader og snøret med FGF-2. I øvrigt, de nanomodificerede overflader skaber mere overfladeareal for FGF-2-proteiner, end der ville være tilgængeligt på traditionelle implantater.

Det næste trin er at udføre in vivo -undersøgelser; hvis de lykkes, menneskelige forsøg kunne begynde, selvom Webster sagde, at det kunne være mange år væk.