Исследователи из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне (США) разработали инновационные «умные» покрытия для ортопедических хирургических имплантатов, взяв за образец узорчатые поверхности крыльев насекомых. Об этом сообщает сайт SciTechDaily. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Междисциплинарная группа исследователей из Университета Иллинойса создала «умные» покрытия для хирургических имплантатов, способные успешно бороться с вредными бактериями, которые могут вызывать инфекции. Кроме того, наноразиерные датчики, встроенные в смарт-покрытия, призваны контролировать нагрузку на имплантаты и оперативно выявлять возможные отказы в их работе.
В отчете об исследовании, опубликованном в престижном научном журнале Science Advances, ученые из Университета Иллинойса отметили, что новые покрытия, испытанные на животных, показывают успешное предотвращение заражений на живых мышах, а также фиксируют деформации в коммерческих имплантатах, применяемых к позвоночникам овец, чтобы своевременно предупредить о различных неудачах имплантации или заживления.
«Эта разработка стала сочетанием конструкций наноматериалов, вдохновленных биотехнологиями, с гибкой электроникой для решения сложной, долгосрочной биомедицинской проблемы», – подчеркнул руководитель исследования Цин Цао, профессор материаловедения и инженерии Университета Иллинойса.
По словам Цао, как инфекция, так и отказ устройства являются серьезными проблемами применения ортопедических имплантатов, каждая из которых затрагивает до 10% пациентов. Ранее было предпринято несколько подходов к борьбе с инфекцией, но все они имеют серьезные ограничения: биопленки все еще могут образовываться на водоотталкивающих поверхностях, а покрытия, содержащие антибиотические химические вещества или лекарства, заканчиваются в течение нескольких месяцев и оказывают токсическое воздействие на окружающие ткани с небольшой эффективностью против устойчивых к лекарствам штаммов бактериальных патогенов.
Вдохновившись естественными антибактериальными свойствами крыльев цикад и стрекоз, исследовательская группа из Иллинойса создала тонкую фольгу с узором из наноразмерных столбиков – подобных тем, что находятся на крыльях насекомых. Когда вредоносная бактериальная клетка пытается прикрепиться к фольге, столбики прокалывают клеточную стенку, убивая ее.
«Использование механического подхода к уничтожению бактерий позволило нам обойти множество проблем, связанных с химическими подходами, и в то же время дало нам гибкость, необходимую для нанесения покрытия на поверхности имплантатов», – сказал профессор патобиологии Джи Лау, соавтор исследования.
На обратной стороне наноструктурированной фольги (там, где она контактирует с устройством-имплантатом), исследователи интегрировали массивы высокочувствительных гибких электронных датчиков для контроля деформации. По словам ученых, это способно помочь врачам следить за ходом выздоровления отдельных пациентов, направлять их реабилитацию, чтобы сократить время восстановления и минимизировать риски, а также ремонтировать или заменять устройства до того, как они достигнут точки отказа.
Исследователи протестировали прототипы устройств, покрытых новой фольгой, на ряде подопытных животных. Поставив импланты с фольгой живым мышам, ученые проследили за ними на предмет любых признаков инфекции, в том числе когда инфекционные бактерии были введены намеренно. Исследователи также наносили покрытия на доступные в продаже спинальные имплантаты и контролировали деформацию этих устройств в позвоночнике овец для диагностики потенциальных неисправностей.
Тесты показали, что покрытия хорошо выполняли обе функции, которые на них возлагались разработчиками.
По словам Цао, для прототипов электроники требовались провода, но следующий план исследователей заключается в разработке беспроводных интерфейсов питания и передачи данных для своих покрытий, что станет важным шагом для клинического применения. Они также работают над крупномасштабным производством фольги с текстурой наностолбиков, убивающей бактерии.
«Эти типы антибактериальных покрытий имеют много потенциальных применений, и, поскольку используется механический подход, разработка может применяться в устройствах, где химические вещества или ионы тяжелых металлов, которые сейчас используются в коммерческих антимикробных покрытиях, могут нанести вред», – отметил Цао.