I rivestimenti “intelligenti” di nuova concezione per gli impianti ortopedici chirurgici possono monitorare la tensione sui dispositivi per fornire un allarme tempestivo dei fallimenti degli impianti mentre uccidono i batteri che causano infezioni, riferiscono i ricercatori dell’Università dell’Illinois Urbana-Champaign. I rivestimenti integrano sensori flessibili con una superficie antibatterica nanostrutturata ispirata alle ali di libellule e cicale.
In un nuovo studio sulla rivista I progressi della scienzaun team multidisciplinare di ricercatori ha scoperto che i rivestimenti hanno prevenuto l’infezione nei topi vivi e hanno mappato la tensione negli impianti commerciali applicati alle spine delle pecore per avvertire di vari impianti o fallimenti di guarigione.
“Questa è una combinazione di design di nanomateriali bio-ispirato con elettronica flessibile per combattere un complicato problema biomedico a lungo termine”, ha affermato il leader dello studio Qing Cao, un professore di scienza e ingegneria dei materiali dell’Università di I.
Sia l’infezione che il guasto del dispositivo sono i principali problemi con gli impianti ortopedici, ciascuno dei quali colpisce fino al 10% dei pazienti, ha affermato Cao. Sono stati tentati diversi approcci per combattere le infezioni, ma tutti hanno gravi limitazioni, ha affermato: i biofilm possono ancora formarsi su superfici idrorepellenti e rivestimenti carichi di sostanze chimiche antibiotiche o farmaci si esauriscono in un arco di mesi e hanno effetti tossici sull’ambiente circostante. tessuto con scarsa efficacia contro ceppi resistenti ai farmaci di agenti patogeni batterici.
Ispirandosi alle ali naturalmente antibatteriche di cicale e libellule, il team dell’Illinois ha creato una lamina sottile modellata con pilastri su scala nanometrica come quelli che si trovano sulle ali degli insetti. Quando una cellula batterica tenta di legarsi alla lamina, i pilastri perforano la parete cellulare, uccidendola.
“L’utilizzo di un approccio meccanico per uccidere i batteri ci ha permesso di aggirare molti dei problemi con gli approcci chimici, pur offrendoci la flessibilità necessaria per applicare il rivestimento alle superfici degli impianti”, ha affermato il professore di patobiologia Gee Lau, coautore dello studio.
Sul lato posteriore della lamina nanostrutturata, dove entra in contatto con il dispositivo di impianto, i ricercatori hanno integrato una serie di sensori elettronici altamente sensibili e flessibili per monitorare la deformazione. Ciò potrebbe aiutare i medici a osservare i progressi della guarigione dei singoli pazienti, guidare la loro riabilitazione per abbreviare i tempi di recupero e ridurre al minimo i rischi e riparare o sostituire i dispositivi prima che raggiungano il punto di guasto, hanno affermato i ricercatori.
Il gruppo di ingegneri ha quindi collaborato con la professoressa di medicina clinica veterinaria Annette McCoy per testare i loro dispositivi prototipo. Hanno impiantato le lamine in topi vivi e li hanno monitorati per qualsiasi segno di infezione, anche quando sono stati introdotti batteri. Hanno anche applicato i rivestimenti agli impianti spinali disponibili in commercio e hanno monitorato la deformazione degli impianti nelle spine delle pecore sotto carico normale per la diagnosi dei guasti del dispositivo. I rivestimenti hanno svolto bene entrambe le funzioni.
L’elettronica del prototipo richiedeva cavi, ma i ricercatori hanno in programma di sviluppare interfacce di comunicazione dati e alimentazione wireless per i loro rivestimenti, un passo cruciale per l’applicazione clinica, ha detto Cao. Stanno anche lavorando per sviluppare la produzione su larga scala del foglio antibatterico a trama nanopillare.
“Questi tipi di rivestimenti antibatterici hanno molte potenziali applicazioni e poiché il nostro utilizza un meccanismo meccanico, ha il potenziale per luoghi in cui sostanze chimiche o ioni di metalli pesanti, come vengono ora utilizzati nei rivestimenti antimicrobici commerciali, sarebbero dannosi”, Cao disse.
La National Science Foundation e i programmi di ricerca medica diretti dal Congresso degli Stati Uniti hanno sostenuto questo lavoro.
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