Gewrichtsvervangingen behoren tot de meest voorkomende electieve operaties, maar ongeveer één op de 100 patiënten lijdt aan postoperatieve infecties, een routineprocedure veranderen in een dure en gevaarlijke beproeving. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van het Stevens Institute of Technology hebben een "zelfverdedigingsoppervlak" ontwikkeld voor deze implantaten die gerichte microdoses antibiotica afgeven wanneer bacteriën naderen, mogelijk het aantal besmettingen sterk terugdringen.

Het werk, onder leiding van Matthew Libera, hoogleraar materiaalkunde aan Stevens, beschrijft een methode voor het coaten van implantaatoppervlakken met een rooster van microgels:vlekjes, elk 100 keer kleiner dan de diameter van een mensenhaar, bepaalde antibiotica kan opnemen. Het gedrag van de microgels wordt gereguleerd door elektrische ladingen, en de elektrische activiteit van een naderende microbe zorgt ervoor dat ze antibiotica lekken, voorkomen dat infecties wortel schieten.

Microgels kunnen worden toegepast op een breed scala aan medische hulpmiddelen, inclusief hartkleppen, weefsel steigers, en zelfs chirurgische hechtingen - en met de voorspelling dat de markt voor heupimplantaten alleen al in 2024 $ 9,1 miljard zal bereiken, de technologie heeft een aanzienlijk commercieel potentieel. Het Amerikaanse leger, die hielpen bij het financieren van het onderzoek, is ook geïnteresseerd in het inzetten van de technologie in veldhospitalen, waar infecties momenteel voorkomen bij een kwart van de gevechtsblessures.

"De mogelijke impact voor patiënten, en voor de gezondheidszorg, is enorm, " zei Libera, die de Stevens Conference on Bacteria-Material Interactions voorzit. Stevens-promovendus Jing Liang en hoogleraar biomedische technologie Hongjun Wang werkten samen aan de studie, die in het journaal verschijnt Biomaterialen .

Postoperatieve infecties zijn moeilijk te verslaan, omdat microben oppervlakken koloniseren, ze vormen antibioticaresistente lagen die biofilms worden genoemd. Libera en zijn team verstoren deze cyclus door microben te doden voordat ze voet aan de grond kunnen krijgen. "Er is maar één bacterie nodig om een ​​infectie te veroorzaken, zei Libera. "Maar als we infectie kunnen voorkomen totdat de genezing is voltooid, dan kan het lichaam het overnemen."

In tegenstelling tot conventionele behandelingen die het hele lichaam met antibiotica overspoelen, de aanpak van het Stevens-team is zeer gericht, het vrijgeven van kleine hoeveelheden antibiotica om individuele bacteriën te doden. Dat vermindert drastisch de selectieve druk die aanleiding geeft tot antibioticaresistente "superbacteriën" - een grote verbetering ten opzichte van zowel systemische behandelingen als lokale benaderingen zoals het mengen van antibiotica in botcement, het vrijgeven van orden van grootte minder antibiotica in het systeem van de patiënt.

Andere zelfverdedigingsoppervlakken die momenteel in ontwikkeling zijn, zijn afhankelijk van metabolische bijproducten van microben om de afgifte van antibiotica te veroorzaken - een minder trefzekere benadering dan de methode van de Libera, die zelfs slapende bacteriën kunnen doden. De microgels van het team zijn ook opmerkelijk veerkrachtig, ethanolsterilisatie overleven en weken achtereen stabiel blijven. Microgels reageren ook adequaat op menselijk weefsel, hun antibioticabelasting behouden totdat het nodig is en een gezonde botgroei rond behandelde oppervlakken bevorderen.

Om microgels aan te brengen op een medisch hulpmiddel zoals een kniegewricht, chirurgen konden het apparaat enkele seconden in een speciaal voorbereid bad dompelen; een korte duik in een tweede bad zou dan de microgels opladen met antibiotica. In theorie, chirurgen konden apparaten op aanvraag voorbereiden, vlak voordat ze worden geïmplanteerd, het gebruik van antibiotica die zijn afgestemd op de specifieke risicofactoren van een patiënt.

Tot nu toe is de aanpak in vitro getest, en het team werkt nog steeds aan het verfijnen van de microgels en hen in staat te stellen een breder scala aan antibiotica te leveren. Het verkrijgen van goedkeuring van de Amerikaanse Food and Drug Administration zal lastig zijn, gezien het innovatieve karakter van de technologie, maar het team van Libera werkt samen met industriepartners om verdere demonstraties te plannen.