طراحی ایمپلنت جراحی ضدباکتری با الهام از بال‌های سنجاقک

محققان با الهام از بال‌های سنجاقک و سیکادا نوعی پوشش هوشمند برای ایمپلنت‌های ارتوپدی طراحی کرده‌اند که علاوه بر از بین بردن باکتری‌های عفونت‌زا در صورت خرابی یا شکست ایمپلنت هشدار می‌دهد.

به گزارش آی‌مدتودی به نقل از خبرگزاری آنا، محققان دانشگاه ایلینویز پوشش‌های «هوشمند» جدیدی را توسعه داده‌اند که در ایمپلنت‌های ارتوپدی جراحی کاربرد دارد و می‌توانند فشار وارده بر دستگاه‌ها را کنترل کنند تا ضمن از بین بردن باکتری‌های عامل عفونت، در صورت خرابی اولیه ایمپلنت هشدار دهد. محققان برای تولید این پوشش‌ها فناوری حسگر‌های انعطاف‌پذیر را با سطح ضدباکتری نانوساختار‌های الهام گرفته از بال‌های سنجاقک و سیکادا ترکیب می‌کنند.

این مطالعه جدید که در مجله Science Advances منتشر شده است، گروهی ازمحققان دریافتند که این پوشش‌ها از عفونت در موش‌های زنده جلوگیری می‌کند و در ایمپلنت‌های تجاری که روی ستون فقرات گوسفند اعمال می‌شود، برای هشدار در مورد شکست‌های مختلف کاشت یا بهبودی استفاده می‌شود.

چینگ کائو، رهبر این مطالعه، پروفسور علوم و مهندسی مواد، می‌گوید: «این مطالعه ترکیبی از طراحی نانومواد الهام‌گرفته از طبیعت با وسایل الکترونیکی انعطاف‌پذیر برای مبارزه با یک مشکل پیچیده و طولانی‌مدت زیست‌پزشکی است.»

کائو گفت که هم عفونت و هم خرابی دستگاه از مشکلات عمده ایمپلنت‌های ارتوپدی هستند که هر کدام ۱۰ درصد از بیماران را تحت تاثیر قرار می‌دهند. چندین رویکرد برای مبارزه با عفونت انجام شده است، اما همه آن‌ها دارای محدودیت‌های شدید هستند. بیوفیلم‌ها همچنان می‌توانند روی سطوح آب گریزتشکیل شوند از طرفی پوشش‌های مملو از مواد شیمیایی یا داروی آنتی‌بیوتیکی در عرض چند ماه تمام می‌شوند و اثرات سمی روی بافت‌های اطراف دارند و اثر کمی در برابر سویه‌های پاتوژن باکتریایی مقاوم به دارو دارند.

تیم ایلینویز با الهام از بال‌های طبیعی ضدباکتری سیکادا و سنجاقک‌ها، یک فویل نازک با ستون‌هایی در مقیاس نانو مانند آنچه روی بال‌های حشرات یافت می‌شود، ساختند. هنگامی که یک سلول باکتری تلاش می‌کند به فویل متصل شود، ستون‌ها دیواره سلولی را سوراخ می‌کنند و آن را می‌کشند.

گی لاو، استاد پاتوبیولوژی و یکی از نویسندگان این مطالعه می‌گوید: «استفاده از یک رویکرد مکانیکی برای از بین بردن باکتری‌ها به ما این امکان را داد که بسیاری از مشکلات روش‌های شیمیایی را دور بزنیم، در حالی که همچنان انعطاف‌پذیری لازم برای اعمال پوشش روی سطوح ایمپلنت را به ما می‌دهد.»

در قسمت پشتی فویل نانوساختار، جایی که با دستگاه ایمپلنت تماس پیدا می‌کند، محققان مجموعه‌هایی از حسگر‌های الکترونیکی بسیار حساس و انعطاف‌پذیر را برای نظارت بر فشار ادغام کردند. به گفته محققان، این می‌تواند به پزشکان کمک کند تا پیشرفت بهبودی بیماران را مشاهده کنند، توانبخشی آن‌ها را برای کوتاه کردن زمان بهبودی و به حداقل رساندن خطرات راهنمایی کند، و دستگاه‌ها را قبل از رسیدن به نقطه شکست تعمیر یا تعویض کنند.

سپس یک گروه مهندسی با پروفسور آنت مک کوی، پروفسور پزشکی بالینی دامپزشکی، برای آزمایش نمونه اولیه دستگاه‌های خود همکاری کردند. آن‌ها فویل‌ها را در موش‌های زنده کاشته و آن‌ها را از نظر هرگونه نشانه‌ای از عفونت، حتی زمانی که باکتری معرفی می‌شد، تحت نظر داشتند. آن‌ها همچنین پوشش‌ها را روی ایمپلنت‌های ستون فقرات موجود در بازار اعمال کردند و فشار روی ایمپلنت‌ها را درستون فقرات گوسفند تحت بار معمولی برای تشخیص خرابی دستگاه کنترل کردند. پوشش‌ها هر دو عملکرد را به خوبی انجام دادند.

کائو گفت که نمونه اولیه تجهیزات الکترونیکی به سیم نیاز دارد، اما محققان در مرحله بعدی قصد دارند رابط‌های برق بی سیم و ارتباطات داده را برای پوشش‌های خود توسعه دهند که گامی مهم برای کاربرد بالینی است. آن‌ها همچنین در حال کار برای توسعه تولید در مقیاس بزرگ فویل باکتری کش با بافت نانوستون هستند.

کائو گفت: «این نوع پوشش‌های ضدباکتری کاربرد‌های بالقوه زیادی دارند و از آنجایی که پوشش ما از مکانیزم مکانیکی استفاده می‌کند، پتانسیلی برای مکان‌هایی دارد که مواد شیمیایی یا یون‌های فلزات سنگین – همانطور که اکنون در پوشش‌های ضد میکروبی تجاری استفاده می‌شود – مضر است.»