Een ontdekking door onderzoekers van de Universiteit van Sydney zou de basis kunnen vormen voor een nieuwe klasse van implanteerbare apparaten die biologische signalen aan omringend weefsel leveren voor een betere integratie met het lichaam en een verminderd risico op infectie.

De moderne geneeskunde vertrouwt steeds meer op implanteerbare biomedische apparaten, maar hun effectiviteit is vaak beperkt vanwege een mislukte integratie met gastheerweefsel of de ontwikkeling van onbehandelbare infecties, waardoor vervanging van het hulpmiddel door middel van een revisieoperatie nodig is.

Het team van het Applied Plasma Physics and Surface Engineering Laboratory heeft praktische technieken ontwikkeld om peptiden te geleiden en te hechten aan oppervlakken; computersimulaties en experimenten toonden controle aan over zowel de peptideoriëntatie als de oppervlakteconcentratie, wat kan worden bereikt door een elektrisch veld aan te leggen zoals dat wordt geleverd door een kleine batterij voor huishoudelijk gebruik.

De bevindingen worden vandaag gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Corresponderend auteur hoogleraar Toegepaste Natuurkunde en Oppervlaktetechniek Marcela Bilek zei dat biomateriaalcoatings de geïmplanteerde apparaten kunnen maskeren en het omliggende weefsel kunnen nabootsen.

"De heilige graal is een oppervlak dat naadloos en natuurlijk samenwerkt met gastheerweefsel door middel van biomoleculaire signalering, " zei professor Bilek, die lid is van het University of Sydney Nano Institute en het Charles Perkins Centre.

Om dit te bereiken is een robuuste hechting van biologische moleculen aan het oppervlak van het bio-apparaat vereist, mogelijk gemaakt door unieke oppervlaktemodificatieprocessen ontwikkeld door professor Bilek.

"Hoewel eiwitten met succes in een aantal toepassingen zijn gebruikt, ze overleven niet altijd zware sterilisatiebehandelingen - en introduceren het risico van overdracht van pathogenen vanwege hun productie in micro-organismen, ' zei professor Bilek.

Professor Bilek - samen met Dr Behnam Akhavan van de School of Aerospace, Mechanical and Mechatronic Engineering en de School of Physics en hoofdauteur PhD-kandidaat, Lewis Martin van de School of Physics - onderzoeken het gebruik van korte eiwitsegmenten, peptiden genaamd, die, wanneer strategisch ontworpen, kan de functie van het eiwit recapituleren.

Martin zei dat het team in staat was om de oriëntatie van extreem kleine biomoleculen (minder dan 10 nanometer groot) op het oppervlak af te stemmen. "We gebruikten gespecialiseerde apparatuur om de experimenten uit te voeren, maar de elektrische velden kunnen worden toegepast door iedereen die een thuiselektronica-kit gebruikt, " hij zei.

Dr. Akhavan zei dat, uitgaande van steun van de industrie en financiering voor klinische proeven, verbeterde implantaten zouden binnen vijf jaar voor patiënten beschikbaar kunnen zijn.

"De toepassing van onze aanpak varieert van botimplantaten tot cardiovasculaire stents en kunstmatige bloedvaten, ' zei dokter Akhavan.

"Voor de botimplanteerbare apparaten, bijvoorbeeld, dergelijke moderne biocompatibele oppervlakken zullen direct ten goede komen aan patiënten die lijden aan botbreuken, osteoporose, en botkanker."

Door hun kleine formaat, de peptiden kunnen synthetisch worden geproduceerd en zijn veerkrachtig tijdens sterilisatie. De grootste moeilijkheid bij het gebruik van peptiden is ervoor te zorgen dat ze bij de juiste dichtheden en in oriëntaties worden gehecht die hun actieve plaatsen effectief blootleggen.

Met behulp van toegepaste elektrische velden en bufferchemie, de onderzoekers ontdekten verschillende nieuwe hefbomen die de aanhechting van peptiden regelen. Ladingsscheiding op peptiden creëert permanente dipoolmomenten die kunnen worden uitgelijnd met een elektrisch veld om een ​​optimale oriëntatie van de moleculen te bieden en de hoeveelheid geïmmobiliseerd peptide kan ook worden aangepast door de elektrostatische interacties wanneer de peptiden een totale lading hebben.

De paper zei dat deze kennis wordt gebruikt om strategieën te ontwerpen om een ​​nieuwe generatie synthetische biomoleculen te creëren.

"Onze bevindingen werpen licht op mechanismen van immobilisatie van biomoleculen die uiterst belangrijk zijn voor het ontwerp van synthetische peptiden en biofunctionalisatie van geavanceerde implanteerbare materialen, ' stelt de krant.