Złote nanopręty podgrzewane światłem NIR tworzą antybakteryjne powierzchnie na implantach, zmniejszając ryzyko infekcji podczas operacji i potencjalnie zmniejszając oporność na antybiotyki.
Nowa technologia opracowana w Politechnika Chalmers w Szwecji może odegrać kluczową rolę w zwalczaniu oporności na antybiotyki, zwłaszcza podczas zabiegów chirurgicznych, takich jak wszczepianie implantów stawu biodrowego i kolanowego. Technika ta polega na podgrzewaniu maleńkich nanoprętów złota światłem o bliskiej podczerwieni (NIR) w celu sterylizacji powierzchni implantu poprzez zabicie bakterii. Naukowcy opublikowali niedawno badanie, które pogłębia wiedzę na temat reakcji tych złotych prętów na światło i sposobów dokładnego pomiaru ich temperatury.
Podczas zabiegów chirurgicznych może dojść do infekcji, a ryzyko znacznie wzrasta w przypadku wszczepienia do organizmu ciał obcych, takich jak protezy kolan. Obecność materiału osłabia układ odpornościowy organizmu i powszechnie stosuje się leczenie antybiotykami. W przypadku zakażenia często wymagane są duże dawki antybiotyków i długi czas leczenia, czasami przez całe życie. Wiąże się to z ryzykiem wzrostu oporności na antybiotyki, co według WHO jest jednym z największych zagrożeń dla zdrowia człowieka.
Ciepło zabija bakterie na powierzchni implantu
Technologia opracowana przez naukowców z Chalmers to metoda, w której do powierzchni implantu mocowane są złote pręty wielkości nanometrów. Kiedy światło bliskiej podczerwieni (NIR) pada na powierzchnię implantu, pręty nagrzewają się i działają jak maleńkie elementy grzewcze. Ponieważ elementy grzejne są tak małe, następuje bardzo lokalne ogrzewanie, które zabija bakterie na powierzchni implantu, nie podgrzewając otaczającej tkanki.
„Złote pręty absorbują światło, elektrony w złocie wprawiają w ruch, a na koniec nanopręty emitują ciepło. Można powiedzieć, że nanopręty złota działają jak małe patelnie, na których smażymy bakterie na śmierć” – mówi Maja Uusitalo, doktorantka w Chalmers i główna autorka badania opublikowanego w czasopiśmie Nanolitery.
Światło NIR jest niewidoczne gołym okiem, ale ma zdolność przenikania przez ludzką tkankę. Ta właściwość pozwala na ogrzanie złotych nanoprętów na powierzchni implantu wewnątrz ciała poprzez oświetlenie skóry. Złote pręciki są rozmieszczone rzadko i pokrywają tylko około dziesięciu procent powierzchni implantu. Oznacza to, że korzystne właściwości materiału, takie jak zdolność przyczepiania się do kości, są w dużym stopniu zachowane.
„Sztuka polega na tym, aby dostosować rozmiar wędek. Jeśli zmniejszysz je lub trochę powiększysz, pochłaniają światło o niewłaściwej długości fali. Zależy nam, aby zaabsorbowane światło dobrze przenikało przez skórę i tkanki. Ponieważ gdy implant znajdzie się wewnątrz ciała, światło musi dotrzeć do powierzchni protezy” – mówi Martin Andersson, profesor i kierownik badań w Chalmers.
Precyzyjne pomiary temperatury złotego pręta
Aby lepiej zrozumieć działanie tej technologii oraz wpływ nanoprętów złota podgrzewanych metodą NIR na bakterie i komórki ludzkie, naukowcy musieli zmierzyć temperaturę prętów. Ze względu na ich niewielkie rozmiary nie można ich zmierzyć zwykłym termometrem, zamiast tego badacze wykorzystali promienie rentgenowskie do zbadania ruchu atomów złota. Metoda umożliwia precyzyjny pomiar temperatury złotych prętów oraz możliwość regulacji temperatury za pomocą natężenia światła NIR.
Temperatura nie może przekraczać 120 stopni Celsjuszponieważ wyższe temperatury powodują, że nanopręty tracą swój kształt i przekształcają się w kule. W rezultacie tracą swoje właściwości optyczne i nie są w stanie skutecznie absorbować światła NIR, co zapobiega nagrzewaniu się prętów” – mówi Maja Uusitalo.
Zwraca uwagę, że ogrzewanie ma charakter bardzo lokalny i zapewnia niski transfer energii do otoczenia. Jest to niezwykle istotne, aby uniknąć uszkodzenia otaczających tkanek.
Naukowcy mają nadzieję, że tę metodę można zastosować w przypadku wielu różnych materiałów implantów, takich jak tytan czy różne tworzywa sztuczne.
Złote pręty po aktywacji stają się antybakteryjne
Same nanopręty złota są całkowicie pasywne na powierzchni, zanim zostaną nagrzane światłem NIR. Dopiero wtedy pręciki ulegają aktywacji, nagrzewają się i wyzwalają działanie antybakteryjne.
„Możemy kontrolować, kiedy powierzchnia powinna być antybakteryjna, a kiedy nie. Gdy wyłączymy światło, powierzchnia przestaje działać antybakteryjnie i wraca do swojego pierwotnego stanu. Jest to zaleta, ponieważ wiele powierzchni antybakteryjnych ma zazwyczaj negatywny wpływ na gojenie” – mówi Martin Andersson.
Celem jest ostateczne wprowadzenie tej technologii do opieki zdrowotnej.
„Przede wszystkim wierzymy w wykorzystanie światła NIR do ogrzewania wkrótce po wszczepieniu implantu i zaszyciu rany. Podgrzewając złote nanopręty, możemy wyeliminować wszelkie bakterie, które mogły osadzić się na protezie podczas operacji” – mówi Martin Andersson.
Wszystkie bakterie giną pod wpływem ciepła wytwarzanego przez złote nanopręty, ale nawet zwykłe komórki mogą zostać uszkodzone podczas leczenia.
„Jeśli podczas procesu ogrzewania NIR zniszczeniu ulegnie kilka ludzkich komórek, organizm szybko regeneruje nowe, więc wpływ na gojenie jest minimalny” – mówi Martin Andersson.
Technologia wykorzystująca nanopręty złota podgrzewane NIR była już wcześniej badana w badaniach nad rakiem, ale grupa badawcza w Chalmers jako pierwsza zastosowała tę technologię do stworzenia antybakteryjnej powierzchni na implantach z dużą precyzją i kontrolą.
Odniesienie: „Photothermal Properties of Solid-Supported Gold Nanorods” autorstwa Maji Uusitalo, Michala Stracha, Gustava Erikssona, Tetiany Dmytrenko, Johna Anderssona, Andreasa Dahlina, Matsa Hulandera i Martina Anderssona, 30 września 2024 r., Nanolitery.
DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c03472
Badania zostały sfinansowane przez Chalmers’ Area of Advance Materials oraz Fundację Knuta i Alice Wallenbergów w ramach programu Wallenberg Academy Fellows.
