Замена суставов является одной из наиболее распространенных плановых операций, но примерно один из 100 пациентов страдает послеоперационными инфекциями, что превращает рутинную процедуру в дорогостоящее и опасное испытание. Теперь исследователи из Технологического института Стивенса разработали «самозащитную поверхность» для этих имплантатов, которая высвобождает целевые микродозы антибиотиков при приближении бактерий, потенциально резко снижая уровень инфицирования.
Работа под руководством Мэтью Либера, профессора материаловедения в Стивенсе, описывает метод покрытия поверхностей имплантатов решеткой из микрогелей: крупинок, каждая в 100 раз меньше диаметра человеческого волоса, способных поглощать определенные антибиотики. Поведение микрогелей регулируется электрическими зарядами, а электрическая активность приближающегося микроба заставляет их выделять антибиотики, предотвращая распространение инфекции.
Микрогели можно применять для широкого спектра медицинских устройств, включая сердечные клапаны, тканевые каркасы и даже хирургические нити, а рынок одних только тазобедренных имплантатов, по прогнозам, к 2024 году достигнет 9,1 миллиарда долларов, эта технология имеет значительный коммерческий потенциал. потенциал. Армия Соединенных Штатов, которая помогла финансировать исследование, также заинтересована в развертывании технологии в полевых госпиталях, где инфекции в настоящее время составляют четверть боевых ранений.
«Потенциальное воздействие на пациентов и систему здравоохранения огромно», - сказал Либера, который возглавляет конференцию Стивенса по взаимодействию бактерий с материалами. Докторант Стивенса Цзин Лян и профессор биомедицинской инженерии Хунцзюнь Ван совместно работали над исследованием, опубликованным в журнале Biomaterials.
Послеоперационные инфекции трудно победить, потому что, когда микробы колонизируют поверхности, они образуют устойчивые к антибиотикам слои, называемые биопленками. Либера и его команда нарушают этот цикл, убивая микробы до того, как они смогут закрепиться. «Чтобы вызвать инфекцию, достаточно одной бактерии», - сказал Либера. «Но если мы сможем предотвратить инфекцию до полного заживления, тогда тело сможет взять верх».
В отличие от традиционных методов лечения, которые наводняют все тело антибиотиками, подход команды Стивенса является очень целенаправленным, высвобождая крошечные количества антибиотиков для уничтожения отдельных бактерий. Это резко снижает избирательное давление, которое приводит к возникновению устойчивых к антибиотикам «супермикробов» - большое улучшение как по сравнению с системным лечением, так и с местными подходами, такими как смешивание антибиотиков с костным цементом, что позволяет высвобождать в организм пациента на несколько порядков меньше антибиотиков.
Другие самозащитные поверхности, разрабатываемые в настоящее время, полагаются на побочные продукты метаболизма микробов, чтобы вызвать высвобождение антибиотиков - менее надежный подход, чем метод Либеры, который может убивать даже спящие бактерии. Микрогели команды также удивительно устойчивы, выдерживают стерилизацию этанолом и остаются стабильными в течение нескольких недель. Микрогели также соответствующим образом реагируют на ткани человека, сохраняя свою антибиотическую нагрузку до тех пор, пока это не понадобится, и способствуя здоровому росту костей вокруг обработанных поверхностей.
Чтобы нанести микрогели на медицинское устройство, такое как коленный сустав, хирурги могли погрузить устройство в специально подготовленную ванну на несколько секунд; кратковременное погружение во вторую ванну заряжало микрогели антибиотиками. Теоретически хирурги могут изготавливать устройства по запросу, непосредственно перед их имплантацией, используя антибиотики, адаптированные к конкретным факторам риска пациента.
До сих пор этот подход был протестирован in vitro, и команда все еще работает над тонкой настройкой микрогелей, чтобы они могли доставлять более широкий спектр антибиотиков. Получить одобрение Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США будет сложно, учитывая инновационный характер технологии, но команда Libera работает с отраслевыми партнерами над планированием дальнейших демонстраций.