Nanocute și actuatoare moi împotriva biofilmurilor de pe implanturi
O suprafață cu nanocute combinată cu un actuator moale de mici dimensiuni poate distruge peliculele bacteriene, numite biofilmuri, care se formează pe implanturile medicale și provoacă infecții. Rezultatele aparțin unui studiu realizat de cercetători de la Facultatea de Inginerie a Universității din Michigan și publicat în revista Advanced Functional Materials.
Platforma, denumită DARTS (dynamically actuated reconfigurable topographical surface), a redus încărcătura bacteriană și a îmbunătățit răspunsul țesuturilor din jur atunci când a fost implantată la șoareci. În aplicațiile umane, dispozitivul ar putea fi adaptat pentru proteze articulare, stimulatoare cardiace și catetere, care sunt predispuse la dezvoltarea de biofilmuri și la infecții rezistente la antibiotice, greu de tratat.
Nanocutele încetinesc creșterea bacteriilor
Echipa a construit suprafața antibacteriană printr-un proces de nanofabricare de jos în sus, prin suprapunerea de straturi. La bază se află o peliculă de plastic flexibilă, preîntinsă. Plasticul este apoi scufundat în mod repetat în soluții cu sarcină electrică alternativă, pozitivă și negativă, astfel încât straturile să adere prin atracția sarcinilor opuse.
Plasticul acoperit este introdus într-un cuptor la 130°C, ceea ce face ca baza preîntinsă să se contracte la dimensiunea inițială. Numărul de acoperiri determină dimensiunea cutelor: o singură scufundare în fiecare soluție produce nanocute cu lungimi de undă mai mici de 400 de nanometri, iar 20 de scufundări generează microcute de aproximativ 2 microni (2.000 de nanometri).
Vârfurile ascuțite ale nanocutelor au rupt atât bacteriile gram-negative, cât și pe cele gram-positive, suprimate acoperirea cu biofilm. Microcutele nu au reușit să oprească creșterea bacteriană, deoarece bacteriile s-au putut instala între șanțurile mai mari.
Actuatoarele perturbă biofilmurile deja formate
Pentru a spori efectul antibacterian, cercetătorii au integrat în suprafața cu nanocute un actuator robotic moale. Acesta constă dintr-un mic arc metalic încorporat într-un bloc moale de silicon, cu fire care ies în exterior. Actuatorul se află la baza dispozitivului, suprafața cu nanocute este deasupra, iar între ele se află o pernă subțire de silicon.
Trecerea unui curent electric prin arc îl face să se încălzească și să se contracte, comprimând nanocutele de deasupra și desprinzând bacteriile de pe suprafață. Izolația din jurul arcului și al firelor menține căldura în interiorul dispozitivului, pentru a evita afectarea țesuturilor la implantare.
În culturi bacteriene, acționarea dinamică combinată cu nanocutele a produs o perturbare și o îndepărtare aproape completă a biofilmurilor mature. Sistemul a combătut acumularea de biofilm în ciuda provocărilor repetate și și-a păstrat forma după 200 de cicluri de acționare.
Rezultate bune la șoareci
Pentru testarea pe animale vii, echipa a implantat sub pielea șoarecilor dispozitive DARTS purtătoare de bacterii Staphylococcus aureus. După șapte zile, cercetătorii au recoltat dispozitivul și o mostră de țesut din jur. Platforma a fost acționată de 20 de ori imediat după intervenția chirurgicală și din nou în zilele 1, 3 și 5.
Platforma DARTS acționată a prezentat o contaminare bacteriană vizibil mai redusă și rezultate locale mai bune la nivelul țesuturilor comparativ cu toate variantele de control. Echipa a arătat de asemenea că un laser în infraroșu apropiat poate acționa dispozitivul fără fir, ceea ce ar putea face abordarea mai practică în clinică, unde un dispozitiv optic extern ar putea elimina într-o zi acumulările bacteriene fără intervenție chirurgicală.
