Ученые создали интеллектуальные хирургические покрытия для имплантатов

«Умные» покрытия для хирургических ортопедических имплантатов, которые могут отслеживать нагрузку на эти устройства для предупреждения о грозящем выходе имплантата из строя, а также убивать инфекционные бактерии, разработала междисциплинарная команда исследователей из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне, США, 5 мая сообщила пресс-служба вуза.

В покрытии с наноструктурированной антибактериальной поверхностью, вдохновленной крыльями стрекоз и цикад, на обратной стороне ученые расположили гибкие датчики.

Проведенные испытания на живых мышах подтвердили эффективность нового покрытия для предотвращения инфицирования, а испытания коммерческих имплантатов с этим покрытием показали, что его электроника фиксирует деформации имплантатов, установленных в позвоночник овец, предупреждая о различных неудачах имплантации или заживления.

Результаты исследования ученые представили в статье «Умное покрытие со встроенными функциями физико-антимикробного действия и картирования деформации для ортопедических имплантатов», опубликованной в журнале Science Advances.

Руководитель проекта Цин Цао, профессор материаловедения и инженерии Университета Иллинойса, сказал о разработанном покрытии: «Это сочетание дизайна наноматериалов, вдохновленного биотехнологиями, с гибкой электроникой для решения сложной, долгосрочной биомедицинской проблемы».

Серьезными проблемами после установки ортопедических имплантатов являются инфекция и отказ самого устройства. Каждая из них затрагивает до 10% пациентов. В целях борьбы с инфекцией были предприняты ряд мер, однако каждая из них имеет серьезные ограничения, сообщил профессор.

Он пояснил, что на водоотталкивающих поверхностях могут образовываться бактериальные биопленки, а покрытия имплантатов, содержащие антибиотические химические вещества или лекарства, истираются в течение нескольких месяцев. Кроме того, при небольшой эффективности против устойчивых к лекарственным препаратам штаммов бактериальных патогенов такие покрытия одновременно оказывают токсическое воздействие на окружающие имплантат ткани.

Вознамерившись решить эти проблемы, инженерная команда из Иллинойса вдохновилась естественными антибактериальными свойствами крыльев цикад и стрекоз и создала тонкую фольгу, которую покрыла узором из наноразмерных острых столбиков, напоминающих те, что находятся на крыльях насекомых.

При попытке бактерии прикрепиться к фольге, столбики прокалывают ее клеточную стенку, отчего она гибнет.

«Использование механического подхода к уничтожению бактерий позволило нам обойти множество проблем, связанных с химическими подходами, и в то же время предоставило нам гибкость, необходимую для нанесения покрытия на поверхности имплантатов», — сказал соавтор исследования профессор патобиологии Джи Лау.

Обратную сторону наноструктурированной фольги там, где она контактирует с устройством-имплантатом, исследователи покрыли массивом высокочувствительных гибких электронных датчиков, контролирующих величину деформации.

Разработчики сделали это, чтобы помочь врачам следить за ходом выздоровления некоторых пациентов и направлять их в нужное время на реабилитацию, чтобы сократить время восстановления и риски побочных эффектов. Кроме того, информация датчиков поможет вовремя ремонтировать или заменять имплантаты до момента, когда они разрушатся.

Созданные прототипы фольги-покрытия разработчики совместно с профессором ветеринарной клинической медицины Аннет Маккой протестировали на живых мышах, которым их имплантировали. После чего ученые следили за тем, не возникнет ли у подопытных животных какая-либо инфекция, причем в некоторых случаях бактерии мышам вводились специально.

Следующим этапом испытаний стало нанесение покрытия на предлагаемые рынком спинальные имплантаты, установка их в позвоночник овец и последующий контроль их деформации при нормальной нагрузке, чтобы отслеживать возможную неисправность устройства. Покрытия успешно прошли оба этапа тестирования.

Хотя электронике прототипа «умного» покрытия требовались провода для питания и передачи данных, в планах исследователей разработка беспроводных интерфейсов, что приблизит использование этого покрытия в клинической практике.

Кроме того, ученые намерены создать крупномасштабное производство фольги с покрытием из наностолбиков, убивающих бактерии.

«Эти типы антибактериальных покрытий имеют много потенциальных применений, и, поскольку в нашем используется механический принцип, оно может применяться там, где химические вещества или ионы тяжелых металлов, которые сейчас используются в коммерческих антимикробных покрытиях, могут нанести вред», — отметил Цао.