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Revestimentos de implantes cirúrgicos inteligentes fornecem aviso precoce de falha, evitando infecções

Revestimentos de implantes cirúrgicos inteligentes fornecem aviso precoce de falha, evitando infecções

Revestimentos inteligentes em implantes ortopédicos, desenvolvidos na Universidade de Illinois Urbana-Champaign, têm nanopilares que matam bactérias de um lado e eletrônicos flexíveis de mapeamento de tensão do outro. Isso pode ajudar os médicos a orientar a reabilitação do paciente e reparar ou substituir dispositivos antes que eles falhem. Crédito: Beckman ITG, Universidade de Illinois

Revestimentos “inteligentes” recém-desenvolvidos para implantes ortopédicos cirúrgicos podem monitorar a tensão nos dispositivos para fornecer alerta precoce de falhas do implante enquanto matam bactérias causadoras de infecção, relatam pesquisadores da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign. Os revestimentos integram sensores flexíveis com uma superfície antibacteriana nanoestruturada inspirada nas asas de libélulas e cigarras.

em um novo estudar no diário Avanços da ciênciauma equipe multidisciplinar de pesquisadores descobriu que os revestimentos preveniam a infecção em camundongos vivos e mapeavam a cepa em implantes comerciais aplicados a espinhas de ovelhas para alertar sobre vários implantar ou falhas de cura.

“Esta é uma combinação de design de nanomaterial bio-inspirado com eletrônica flexível para combater um problema biomédico complicado e de longo prazo”, disse o líder do estudo Qing Cao, professor de ciência e engenharia de materiais da U. de I.

Tanto a infecção quanto a falha do dispositivo são os principais problemas com implantes ortopédicos, cada um afetando até 10% dos pacientes, disse Cao. Várias abordagens para combater a infecção foram tentadas, mas todas têm sérias limitações, disse ele: os biofilmes ainda podem se formar em superfícies repelentes à água e revestimentos carregados com antibióticos químicos ou medicamentos acabam em um período de meses e têm efeitos tóxicos no tecido circundante com pouca eficácia contra cepas resistentes a drogas de patógenos bacterianos.

Inspirando-se nas asas naturalmente antibacterianas de cigarras e libélulas, a equipe de Illinois criou uma folha fina padronizada com pilares em nanoescala, como os encontrados nas asas dos insetos. Quando uma célula bacteriana tenta se ligar à folha, os pilares perfuram a parede celular, matando-a.

Revestimentos de implantes cirúrgicos inteligentes fornecem aviso precoce de falha, evitando infecções

Os dispositivos combinam folhas nanoestruturadas inspiradas em insetos com eletrônicos flexíveis altamente sensíveis. Aqui, os protótipos do dispositivo são aplicados a implantes de coluna disponíveis comercialmente e exibidos em um modelo de coluna. Crédito: Yi Zhang

“O uso de uma abordagem mecânica para matar bactérias nos permitiu contornar muitos dos problemas com abordagens químicas, enquanto ainda nos dava a flexibilidade necessária para aplicar o revestimento nas superfícies dos implantes”, disse o professor de patobiologia Gee Lau, coautor do estudo.

Na parte de trás da folha nanoestruturada, onde ela entra em contato com o dispositivo de implante, os pesquisadores integraram matrizes de sensores eletrônicos flexíveis e altamente sensíveis para monitorar a tensão. Isso pode ajudar os médicos a observar o progresso da cura de pacientes individuais, orientar sua reabilitação para encurtar o tempo de recuperação e minimizar os riscos e reparar ou substituir dispositivos antes que cheguem ao ponto de falha, disseram os pesquisadores.

O grupo de engenharia então se uniu à professora de medicina clínica veterinária Annette McCoy para testar seus protótipos de dispositivos. Eles implantaram as folhas em camundongos vivos e os monitoraram em busca de qualquer sinal de infecção, mesmo quando as bactérias foram introduzidas. Eles também aplicaram os revestimentos em implantes espinhais disponíveis comercialmente e monitoraram a tensão nos implantes em espinhas de ovelhas sob carga normal para diagnóstico de falha do dispositivo. Os revestimentos desempenharam bem ambas as funções.

O protótipo eletrônico exigia fios, mas os pesquisadores planejam desenvolver interfaces de comunicação de dados e energia sem fio para seus revestimentos, uma etapa crucial para aplicação clínica, Cao disse. Eles também estão trabalhando para desenvolver a produção em larga escala da folha matadora de bactérias com textura nanopilar.

“Esses tipos de revestimentos antibacterianos têm muitas aplicações potenciais e, como o nosso usa um mecanismo mecânico, tem potencial para locais onde produtos químicos ou íons de metais pesados ​​- como são usados ​​em revestimentos antimicrobianos comerciais agora – seriam prejudiciais”, disse Cao.

Mais Informações:
Yi Zhang et al, Um revestimento inteligente com funcionalidades físicas antimicrobianas e de mapeamento de tensão integradas para implantes ortopédicos, Avanços da Ciência (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adg7397

Citação: Revestimentos de implantes cirúrgicos inteligentes fornecem aviso de falha precoce enquanto previnem infecção (2023, 5 de maio) recuperado em 5 de maio de 2023 em https://medicalxpress.com/news/2023-05-smart-surgical-implant-coatings-early.html

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