Los recubrimientos «inteligentes» recientemente desarrollados para implantes ortopédicos quirúrgicos pueden monitorear la tensión en los dispositivos para proporcionar una advertencia temprana de fallas en los implantes mientras matan las bacterias que causan infecciones, informan investigadores de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign. Los recubrimientos integran sensores flexibles con una superficie antibacteriana nanoestructurada inspirada en las alas de las libélulas y las cigarras.
En un nuevo estudio de la revista Avances de la cienciaun equipo multidisciplinario de investigadores descubrió que los recubrimientos prevenían la infección en ratones vivos y mapeaban la tensión en implantes comerciales aplicados a las espinas de las ovejas para advertir sobre varios implantes o fallas en la curación.
«Esta es una combinación de diseño de nanomaterial bioinspirado con electrónica flexible para combatir un problema biomédico complicado a largo plazo», dijo el líder del estudio Qing Cao, profesor de ciencia e ingeniería de materiales de la U. de I.
Tanto la infección como la falla del dispositivo son problemas importantes con los implantes ortopédicos, cada uno de los cuales afecta hasta al 10% de los pacientes, dijo Cao. Se han intentado varios enfoques para combatir las infecciones, pero todos tienen limitaciones graves, dijo: aún pueden formarse biopelículas en las superficies que repelen el agua, y los recubrimientos cargados de antibióticos químicos o medicamentos se agotan en un lapso de meses y tienen efectos tóxicos en los alrededores. tejido con poca eficacia contra cepas de patógenos bacterianos resistentes a los medicamentos.
Inspirándose en las alas naturalmente antibacterianas de las cigarras y las libélulas, el equipo de Illinois creó una fina lámina estampada con pilares a nanoescala como los que se encuentran en las alas de los insectos. Cuando una célula bacteriana intenta unirse a la lámina, los pilares perforan la pared celular y la matan.
«El uso de un enfoque mecánico para matar bacterias nos permitió evitar muchos de los problemas con los enfoques químicos, al mismo tiempo que nos brinda la flexibilidad necesaria para aplicar el recubrimiento a las superficies de los implantes», dijo el profesor de patobiología Gee Lau, coautor del estudio.
En la parte posterior de la lámina nanoestructurada, donde entra en contacto con el dispositivo de implante, los investigadores integraron conjuntos de sensores electrónicos flexibles y altamente sensibles para controlar la tensión. Esto podría ayudar a los médicos a observar el progreso de curación de pacientes individuales, guiar su rehabilitación para acortar el tiempo de recuperación y minimizar los riesgos, y reparar o reemplazar los dispositivos antes de que lleguen al punto de fallar, dijeron los investigadores.
Luego, el grupo de ingeniería se asoció con la profesora de medicina clínica veterinaria Annette McCoy para probar sus dispositivos prototipo. Implantaron las láminas en ratones vivos y los monitorearon para detectar cualquier signo de infección, incluso cuando se introdujeron bacterias. También aplicaron los recubrimientos a implantes espinales disponibles en el mercado y monitorearon la tensión de los implantes en espinas dorsales de ovejas bajo carga normal para el diagnóstico de fallas del dispositivo. Los revestimientos realizaron bien ambas funciones.
La electrónica prototipo requería cables, pero los investigadores planean desarrollar interfaces inalámbricas de comunicación de datos y energía para sus recubrimientos, un paso crucial para la aplicación clínica, dijo Cao. También están trabajando para desarrollar la producción a gran escala de la lámina que elimina las bacterias con textura de nanopilares.
«Estos tipos de recubrimientos antibacterianos tienen muchas aplicaciones potenciales, y dado que el nuestro utiliza un mecanismo mecánico, tiene potencial para lugares donde los productos químicos o los iones de metales pesados, como se usan ahora en los recubrimientos antimicrobianos comerciales, serían perjudiciales», dijo Cao. dicho.
La Fundación Nacional de Ciencias y los Programas de Investigación Médica Dirigidos por el Congreso de EE. UU. apoyaron este trabajo.
