Bekæmpelse af bakteriel biofilmdannelse med titanium belagt med guld nanopartikler

Bakterier elsker at kolonisere overflader inde i din krop, men de har svært ved at komme forbi dine barske, salt hud. Operationer til implantat af medicinsk udstyr giver ofte sådanne bakterier den mulighed, der er nødvendig for at komme ind i kropshulen, tillader implantaterne selv at fungere som en ideel voksende overflade til biofilm.

En gruppe forskere ved Shanghai Institute of Ceramics i det kinesiske videnskabsakademi søger at bekæmpe disse farlige subdermale infektioner ved at opgradere din nye hofte eller knæskal på en måde, der har været værdsat siden oldtiden - og tilføje guld. De beskriver resultaterne af tests med et nyt antibakterielt materiale, de udviklede baseret på guld nanopartikler i tidsskriftet Anvendt fysik bogstaver .

"Implantat-associerede infektioner er blevet et genstridigt problem, der ofte forårsager operationsfejl, "sagde Xuanyong Liu, holdets primære efterforsker ved Shanghai Institute of Ceramics. Design af implantater, der kan dræbe bakterier og samtidig understøtte knoglevækst, Liu sagde, er en effektiv måde at forbedre in vivo osteointegration.

Titandioxid er i stand til at dræbe bakterier selv på grund af dets egenskaber som fotokatalysator. Når metallet udsættes for lys, den bliver energisk spændt ved at absorbere fotoner. Dette genererer elektronhullepar, at gøre titaniumdioxid til en potent elektronacceptor, der kan destabilisere cellulære membranprocesser ved at tilrane sig deres elektrontransportkædes terminale acceptor. Membranen destabiliseres gradvist af denne tyveri, får cellen til at lække ud, indtil den dør.

De mørke forhold inde i menneskekroppen, imidlertid, begrænse den bakteriedræbende effekt af titaniumdioxid. Guld nanopartikler, selvom, kan fortsætte med at fungere som antibakterielle terminale elektronacceptorer under mørke, på grund af et fænomen kaldet lokaliseret overfladeplasmonresonans. Overfladeplasmoner er kollektive svingninger af elektroner, der forekommer ved grænsefladen mellem ledere og dielektri - såsom mellem guld og titandioxid. De lokaliserede elektronoscillationer på nanoskala får guldnanopartiklerne til at blive exciterede og sende elektroner til titaniumdioxidoverfladen, således at partiklerne bliver elektronacceptorer.

Liu og hans team elektrokemisk anodiseret titanium til dannelse af titandioxid -nanorørarrays, og derefter deponerede arraysne yderligere med guldnanopartikler i en proces kaldet magnetronsputtering. Forskerne tillod derefter Staphylococcus aureus og Escherichia coli at vokse separat på arrays - begge organismer var meget mislykkede, udviser kraftig membranskade og cellelækage.

Mens sølvnanopartikler tidligere er blevet udforsket som et antibakterielt middel til in vivo-transplantationer, de forårsager betydelige bivirkninger såsom cytotoksicitet og organskade, der henviser til, at guld er langt mere kemisk stabilt, og dermed mere biokompatibel.

"Resultaterne kan åbne op for ny indsigt for bedre design af ædelmetal-nanopartikler-baserede antibakterielle applikationer, "Sagde Liu.