Titanium mikro-pigge spyd resistente superbugs

En ny undersøgelse tyder på, at ru overflader inspireret af de bakteriedræbende pigge på insektvinger kan være mere effektive til at bekæmpe lægemiddelresistente superbugs, herunder svamp, end tidligere forstået.

De stigende forekomster af lægemiddelresistente infektioner gør sundhedseksperter globalt bekymrede.

For at undgå infektion omkring implantater – såsom titanium hofter eller tandproteser – bruger læger en række antimikrobielle belægninger, kemikalier og antibiotika, men disse stopper ikke antibiotika-resistente stammer og kan endda øge resistensen.

For at løse disse udfordringer har forskere fra RMIT University designet et mønster af mikroskala pigge, der kan ætses på titaniumimplantater eller andre overflader for at give effektiv, medicinfri beskyttelse mod både bakterier og svampe.

Holdets undersøgelse offentliggjort i Advanced Materials Interfaces testet effektiviteten af ​​den ændrede titaniumoverflade til at dræbe multi-lægemiddelresistent Candida – en potentielt dødelig svamp, der er ansvarlig for én ud af 10 hospitalserhvervede infektioner med medicinsk udstyr.

De specialdesignede spidser, hver af en højde svarende til en bakteriecelle, ødelagde omkring halvdelen af ​​cellerne kort efter kontakt.

Det er bemærkelsesværdigt, at den anden halvdel, der ikke straks blev ødelagt, blev gjort ulevedygtig på grund af de påførte skader, ude af stand til at formere sig eller forårsage infektion.

Ledende postdoc-forsker, Dr. Denver Linklater, sagde, at metabolisk analyse af proteinaktivitet afslørede, at både Candida albicans og multi-lægemiddelresistente Candida auris svampeceller, der sad såret på overfladen, var så godt som døde.

"Candida-cellerne, der blev såret, gennemgik omfattende metabolisk stress, hvilket forhindrede den proces, hvor de reproducerer sig for at skabe en dødelig svampebiofilm, selv efter syv dage," sagde Linklater, fra RMIT's School of Science. "De var ude af stand til at blive genoplivet i et ikke-stressmiljø og til sidst lukket ned i en proces kendt som apoptose eller programmeret celledød."

Overfladens effektivitet mod almindelige patogene bakterier, herunder gylden staph, blev demonstreret i en tidligere undersøgelse offentliggjort i Materiala .

Gruppeleder, den fremtrædende professor Elena Ivanova, sagde, at de seneste resultater kaster lys over designet af svampedræbende overflader for at forhindre biofilmdannelse af farlige, multi-medikamentresistente gærarter.

"Det faktum, at celler døde efter første kontakt med overfladen - nogle ved at blive sprængt og andre ved programmeret celledød kort efter - tyder på, at modstand mod disse overflader ikke vil blive udviklet," sagde hun. "Dette er et væsentligt fund og tyder også på, at den måde, vi måler effektiviteten af ​​antimikrobielle overflader på, måske skal genovervejes."

Der er gjort fremskridt i løbet af det sidste årti med at designe overflader, der dræber superbugs ved kontakt. Men at finde de rigtige typer overflademønstre til at eliminere 100 % af mikroberne, så nogle ikke overlever for at blive resistente, er en vedvarende udfordring.

"Denne seneste undersøgelse tyder på, at det måske ikke er helt nødvendigt for alle overflader at fjerne alle patogener umiddelbart efter kontakt, hvis vi kan vise, at overfladerne forårsager programmeret celledød i de overlevende celler, hvilket betyder, at de dør uanset," sagde hun. P>

RMIT's Multifunctional Mechano-biocidal Materials Research Group har ledet verden i over et årti i udviklingen af ​​antimikrobielle overflader inspireret af nanopillerne, der dækker guldsmede og cikadevinger. Ivanova var selv blandt de første til at observere, hvordan når bakterier sætter sig på en insektvinge, trækker mønstret af nanopiller cellerne fra hinanden og ødelægger membranerne dødeligt.

"Det er som at strække en latexhandske," sagde Ivanova. "Når den langsomt strækkes, vil det svageste punkt i latexen blive tyndere og til sidst rive."

Hendes team har brugt det seneste årti på at replikere disse insekters nanopiller i deres egne nanomønstre, med dette seneste fremskridt opnået ved hjælp af en teknik kaldet plasmaætsning for at skabe det antibakterielle og svampedræbende mønster i titanium.

Ivanova sagde, at den relativt enkle ætsningsteknik kunne optimeres og anvendes til en bred vifte af materialer og applikationer.

"Denne nye overflademodifikationsteknik kunne have potentielle anvendelser inden for medicinsk udstyr, men kunne også nemt tilpasses til dentale anvendelser eller til andre materialer som bænke i rustfrit stål, der bruges i fødevareproduktion og landbrug," sagde hun.

Studielederforfatter og fælles ph.d. kandidat hos RMIT og ARC Research Hub for Australian Steel Manufacturing, Phuc Le, sagde, at et tæt samarbejde med industripartneren BlueScope Steel hjalp med at fokusere indsatsen på praktiske løsninger til industrien.

"At samarbejde med industrielle partnere har været et transformerende aspekt af min ph.d.-rejse," sagde han. "Deres førstehåndsindsigt som producenter har givet klarhed over de udfordringer, deres produkter står over for og åbnet døre for mig til at forske og udtænke praktiske løsninger. Mens vores undersøgelser er i de indledende faser, er udsigterne for produktoptimering lovende."

Flere oplysninger: Phuc H. Le et al., Apoptosis of Multi-Drug Resistant Candida Species på mikrostrukturerede titaniumoverflader, Avancerede materialegrænseflader (2023). DOI:10.1002/admi.202300314

Leveret af RMIT University