Yeni geliştirilen “akıllı” kaplamalar cerrahi ortopedik implantlar için, enfeksiyona neden olan bakterileri öldürürken implant arızalarına karşı erken uyarı sağlamak için cihazlardaki gerilimi izleyebilir, Illinois Üniversitesi Urbana-Champaign araştırmacılar raporu. Kaplamalar, esnek sensörleri yusufçukların ve ağustosböceklerinin kanatlarından ilham alan nanoyapılı bir antibakteriyel yüzeyle birleştiriyor.
İçinde ABD Ulusal Bilim Vakfı–desteklenen dergide çalışmak Bilim Gelişmeleriçok disiplinli bir araştırma ekibi, kaplamaların canlı farelerde enfeksiyonu önlediğini ve çeşitli implant veya iyileşme başarısızlıklarını uyarmak için koyun dikenlerine uygulanan ticari implantlarda haritalanmış suşu buldu.
Çalışma lideri Qing Cao, “Bu, karmaşık, uzun vadeli bir biyomedikal problemle savaşmak için biyo-ilhamlı nanomalzeme tasarımının esnek elektroniklerle bir kombinasyonudur” dedi.
Cao, hem enfeksiyon hem de cihaz arızasının, her biri hastaların %10’unu etkileyen ortopedik implantlarla ilgili önemli sorunlar olduğunu söyledi. Enfeksiyonla savaşmak için çeşitli yaklaşımlar denendi, ancak hepsinin ciddi sınırlamaları var, dedi: Biyofilmler hala su itici yüzeylerde oluşabilir ve antibiyotik kimyasalları veya ilaçlarla yüklü kaplamalar aylar içinde tükenir ve çevre üzerinde toksik etkilere neden olur. bakteriyel patojenlerin ilaca dirençli suşlarına karşı çok az etkinliğe sahip doku.
Usha Varshney, “Cerrahi ortopedik implantlar için enfeksiyona neden olan bakterileri öldürmek ve implant başarısızlıklarının erken uyarıları için cihazlardaki gerilimi izlemek için yeni geliştirilen bu kaplamalar, yaşlanan bir nüfusun sağlık sisteminde ortopedide devrim yaratacak” dedi.NSF’nin Elektrik, İletişim ve Siber Sistemler Bölümü müdür yardımcısı.
Ağustos böceklerinin ve yusufçukların doğal olarak antibakteriyel kanatlarından ilham alan Illinois ekibi, böceklerin kanatlarında bulunanlar gibi nano ölçekli sütunlarla desenlenmiş ince bir folyo yarattı. Bir bakteri hücresi folyoya bağlanmaya çalıştığında, sütunlar hücre duvarını delip onu öldürür.
Çalışmanın ortak yazarlarından patobiyoloji profesörü Gee Lau, “Bakterileri öldürmek için mekanik bir yaklaşım kullanmak, kimyasal yaklaşımlarla ilgili birçok sorunu atlamamıza izin verirken, kaplamayı implant yüzeylerine uygulamak için gereken esnekliği vermeye devam etmemizi sağladı” dedi. .
Araştırmacılar, nanoyapılı folyonun implant cihazıyla temas ettiği arka tarafında gerilimi izlemek için son derece hassas, esnek elektronik sensör dizileri entegre ettiler. Araştırmacılar, doktorların hastaların bireysel olarak iyileşme sürecini izlemelerine, iyileşme sürelerini kısaltmak ve riskleri en aza indirmek için rehabilitasyonlarına rehberlik etmelerine ve cihazları arıza noktasına gelmeden onarmalarına veya değiştirmelerine yardımcı olabilir.
Mühendisler daha sonra prototip cihazlarını test etmek için veteriner Annette McCoy ile birlikte çalıştı. Folyoları canlı farelere yerleştirdiler ve bakteri bulaştığında bile herhangi bir enfeksiyon belirtisi için onları izlediler. Ayrıca kaplamaları ticari olarak temin edilebilen spinal implantlara uyguladılar ve cihaz arızası teşhisi için normal yük altında koyun dikenlerindeki implantlardaki gerilimi izlediler. Kaplamalar her iki işlevi de iyi yerine getirdi.
Cao, prototip elektroniğin kablolara ihtiyaç duyduğunu, ancak araştırmacıların bundan sonra klinik uygulama için çok önemli bir adım olan kaplamaları için kablosuz güç ve veri iletişim arayüzleri geliştirmeyi planladıklarını söyledi. Ayrıca nanosütun dokulu bakteri öldürücü folyonun büyük ölçekli üretimini geliştirmek için çalışıyorlar.
Cao, “Bu tür antibakteriyel kaplamaların birçok potansiyel uygulaması var ve bizimki mekanik bir mekanizma kullandığından, kimyasalların veya ağır metal iyonlarının – şu anda ticari antimikrobiyal kaplamalarda kullanıldığı gibi – zararlı olacağı yerler için potansiyele sahip” dedi.
NSF’nin Kimya, Biyomühendislik, Çevre ve Taşıma Sistemleri Bölümü’nde program direktörü olan Stephanie George, “Bu ekip doğadan ilham aldı, temel bilim ve mühendislik bilgisini ortaya çıkardı ve bu bilgiyi antimikrobiyal filmler için biyo-ilhamlı tasarım yönergeleri oluşturmak için kullandı.”