这些涂层监测菌株,在杀死引起感染的细菌的同时,提供植入失败的早期预警。他们将柔性传感器与纳米结构的抗菌表面结合在一起。研究人员表示,他们从蜻蜓和蝉的翅膀中获得了表面的灵感。
在一个研究发表在《科学进展》杂志上的研究小组发现,这种涂层可以防止活老鼠感染。该涂层还绘制了用于羊脊椎的商业植入物的应变图,警告各种植入物或愈合失败。
“这是一种生物启发的纳米材料设计与柔性电子器件的结合,可以解决复杂的、长期的生物医学问题,”研究负责人、伊利诺伊大学材料科学与工程教授曹青(Qing Cao)说。
该团队是如何开发其“智能”涂层的
曹说,研究小组之所以做出这样的努力,是因为感染和设备故障是骨科植入物的主要问题。许多方法都有严重的局限性。研究人员说,生物膜仍然可以在疏水表面形成,而含有抗生素化学物质或药物的涂层在几个月内就会耗尽,并对周围组织产生毒性作用。同时,它们对细菌病原体的耐药菌株几乎没有效果。
因此,研究人员制作了一种薄片,上面有纳米级的柱子,就像在蝉和蜻蜓的翅膀上发现的那样。当细菌细胞试图与金属箔结合时,金属柱就会刺穿细胞壁,杀死细菌。
该研究的合著者、病理生物学教授Gee Lau说:“使用机械方法杀死细菌使我们绕过了化学方法的许多问题,同时仍然给我们提供了将涂层涂在植入物表面所需的灵活性。”
箔片的背面与植入物接触,具有高灵敏度、柔性电子传感器的集成阵列。这些监测张力,潜在地帮助医生观察个别病人的愈合进展。有了传感器,医生可以指导康复,缩短康复时间,最大限度地降低风险。此外,研究人员表示,由于监测,他们可以在设备到达故障点之前修复或更换设备。
为了测试原型,研究人员将箔片植入活老鼠体内,并监测感染的迹象。他们还将这种涂层应用于市售的脊柱植入物。该团队还监测了在正常负荷下设备故障对绵羊脊柱植入物的应变。研究人员说,在这两种功能中,涂层都表现良好。
他们的原型需要电线,但该团队计划为涂层开发无线电源和数据通信接口。他们还想大规模生产这种纳米柱状的杀菌箔。
曹说:“这些类型的抗菌涂层有很多潜在的应用,由于我们使用的是一种机械机制,它在化学物质或重金属离子有害的地方有潜力,就像现在商业抗菌涂层中使用的那样。”