Επικαλύψεις Χειρουργικών Εμφυτευμάτων: Οι πρόσφατα ανεπτυγμένες “έξυπνες” επικαλύψεις για χειρουργικά ορθοπεδικά εμφυτεύματα μπορούν να παρακολουθούν την καταπόνηση των συσκευών για να παρέχουν έγκαιρη προειδοποίηση για αποτυχίες των εμφυτευμάτων, ενώ ταυτόχρονα σκοτώνουν τα βακτήρια που προκαλούν λοιμώξεις, αναφέρουν ερευνητές του Πανεπιστημίου του Ιλινόις Urbana-Champaign. Οι επικαλύψεις ενσωματώνουν εύκαμπτους αισθητήρες με μια νανοδομημένη αντιβακτηριακή επιφάνεια εμπνευσμένη από τα φτερά των λιβελούλων και των τζιτζικιών.
Σε νέα μελέτη στο περιοδικό ‘Επιστημονικές Εξελίξεις’ (Science Advances), μια διεπιστημονική ομάδα ερευνητών διαπίστωσε ότι οι επικαλύψεις απέτρεψαν τη μόλυνση σε ζωντανά ποντίκια και χαρτογράφησαν το στέλεχος σε εμπορικά εμφυτεύματα που εφαρμόστηκαν σε σπονδυλική στήλη προβάτων για να προειδοποιήσουν για διάφορες αποτυχίες εμφυτεύματος ή επούλωσης. “Πρόκειται για έναν συνδυασμό του σχεδιασμού νανοϋλικών εμπνευσμένων από τη βιολογία με εύκαμπτα ηλεκτρονικά για τη μάχη ενός περίπλοκου, μακροπρόθεσμου βιοϊατρικού προβλήματος”, δήλωσε ο επικεφαλής της μελέτης Qing Cao, καθηγητής του U. of I. στην επιστήμη των υλικών και της μηχανικής. Τόσο η μόλυνση όσο και η αποτυχία της συσκευής αποτελούν μείζονα προβλήματα με τα ορθοπεδικά εμφυτεύματα, καθένα από τα οποία επηρεάζει έως και το 10% των ασθενών, δήλωσε ο Cao. Έχουν επιχειρηθεί διάφορες προσεγγίσεις για την καταπολέμηση των λοιμώξεων, αλλά όλες έχουν σοβαρούς περιορισμούς, είπε: Οι επικαλύψεις που είναι φορτωμένες με αντιβιοτικά χημικά ή φάρμακα εξαντλούνται σε διάστημα μηνών και έχουν τοξικές επιδράσεις στον περιβάλλοντα ιστό με μικρή αποτελεσματικότητα έναντι ανθεκτικών στα φάρμακα στελεχών βακτηριακών παθογόνων μικροοργανισμών. Παίρνοντας έμπνευση από τα φυσικά αντιβακτηριδιακά φτερά των τζιτζικιών και των λιβελούδων, η ομάδα του Ιλινόις δημιούργησε ένα λεπτό φύλλο με μοτίβο από πυλώνες σε νανοκλίμακα, όπως αυτές που βρίσκονται στα φτερά των εντόμων. Όταν ένα βακτηριακό κύτταρο προσπαθεί να συνδεθεί με το φύλλο, οι πυλώνες τρυπούν το κυτταρικό τοίχωμα, σκοτώνοντάς το.
Οι συσκευές συνδυάζουν εμπνευσμένα από έντομα νανοδομημένα φύλλα με εξαιρετικά ευαίσθητα εύκαμπτα ηλεκτρονικά. “Η χρήση μιας μηχανικής προσέγγισης για τη θανάτωση των βακτηρίων μας επέτρεψε να παρακάμψουμε πολλά από τα προβλήματα των χημικών προσεγγίσεων, ενώ, παράλληλα, μας έδωσε την ευελιξία που απαιτείται για την εφαρμογή της επίστρωσης σε επιφάνειες εμφυτευμάτων”, δήλωσε ο καθηγητής παθοβιολογίας Gee Lau, συν-συγγραφέας της μελέτης. Στην πίσω πλευρά του νανοδομημένου φύλλου, όπου έρχεται σε επαφή με τη συσκευή εμφυτεύματος, οι ερευνητές ενσωμάτωσαν συστοιχίες από εξαιρετικά ευαίσθητους, εύκαμπτους ηλεκτρονικούς αισθητήρες για την παρακολούθηση της καταπόνησης. Αυτό θα μπορούσε να βοηθήσει τους γιατρούς να παρακολουθούν την πρόοδο της επούλωσης μεμονωμένων ασθενών, να καθοδηγούν την αποκατάστασή τους για να συντομεύουν τον χρόνο αποκατάστασης και να ελαχιστοποιούν τους κινδύνους, και να επισκευάζουν ή να αντικαθιστούν τις συσκευές πριν φτάσουν στο σημείο της αποτυχίας, δήλωσαν οι ερευνητές. Στη συνέχεια, η ομάδα μηχανικών συνεργάστηκε με την καθηγήτρια κτηνιατρικής κλινικής ιατρικής Annette McCoy για να δοκιμάσουν τις πρωτότυπες συσκευές τους. Εμφύτευσαν τα φύλλα σε ζωντανά ποντίκια και τα παρακολουθούσαν για οποιοδήποτε σημάδι μόλυνσης, ακόμη και όταν εισήχθησαν βακτήρια. Εφάρμοσαν, επίσης, τις επικαλύψεις σε εμπορικά διαθέσιμα εμφυτεύματα σπονδυλικής στήλης και παρακολούθησαν την καταπόνηση των εμφυτευμάτων σε σπονδυλική στήλη προβάτων υπό κανονική φόρτιση για τη διάγνωση βλαβών της συσκευής. Οι επικαλύψεις εκτελούσαν και τις δύο λειτουργίες καλά.
Τα πρωτότυπα ηλεκτρονικά απαιτούσαν καλώδια, αλλά οι ερευνητές σχεδιάζουν να αναπτύξουν στη συνέχεια ασύρματες διεπαφές επικοινωνίας ισχύος και δεδομένων για τις επικαλύψεις τους, ένα κρίσιμο βήμα για την κλινική εφαρμογή, δήλωσε ο Cao. Εργάζονται, επίσης, για την ανάπτυξη της παραγωγής σε μεγάλη κλίμακα του φύλλου που σκοτώνει βακτήρια με υφή νανοπυλών. “Αυτοί οι τύποι αντιβακτηριακών επικαλύψεων έχουν πολλές πιθανές εφαρμογές, και δεδομένου ότι η δική μας χρησιμοποιεί μηχανικό μηχανισμό, έχει δυνατότητες για μέρη όπου τα χημικά ή τα ιόντα βαρέων μετάλλων -όπως χρησιμοποιούνται στις εμπορικές αντιμικροβιακές επικαλύψεις τώρα- θα ήταν επιζήμια”, δήλωσε ο Cao.
