Нанобранный узор: «столбики» защитят протезы и чипы от инфекций
Ученые создали покрытия для имплантатов, которые позволяют в 10 раз снизить возможность их загрязнения микробами. Эффект достигается за счет наноструктурирования, в результате которого размещенные особым образом ультрамалые выпуклости (столбики) препятствуют образованию колоний бактерий на поверхностях устройств, внедряемых в организм. Эффективность покрытий экспериментально подтверждена на модельных штаммах бактерий. Эксперты отмечают актуальность разработки, однако считают, что ее необходимо протестировать на широком спектре патогенных микробов.
Антимикробные столбики
В Московском физико-техническом институте (МФТИ) разработали покрытие, которое поможет обезопасить от микробного загрязнения имплантаты — устройства из неорганических материалов, вживляемые в человеческий организм. Это актуальная проблема, поскольку такие приспособления получили широкое распространение в современной медицине, косметологии и некоторых других сферах.
Имплантаты в основном используют для замещения дефектов в живых тканях. Наиболее известные виды — это протезы для суставов и внутренних органов, сердечные стимуляторы, заменители стенок кровеносных сосудов. Также их применяют, например, для увеличения женской груди или внедряют под кожу в виде микрочипов.
В соответствии с данными, опубликованными в рецензируемых медицинских журналах, в европейских странах количество инфекций, вызванных заражением имплантационных устройств, превышает 100 тыс. в год. В целом около 5% таких конструкций в мире содержат на себе очаги патогенных микроорганизмов.
Суть метода, предложенного московскими учеными, — в покрытии устройств специальным узором. Он состоит из выпуклостей в виде наностолбиков, размещенных особом порядке. Эти ультрамалые конструкции препятствуют оседанию на поверхности бактерий и образованию биопленок (так называют колонии микробов).
— Диаметр столбиков — 500 или 700 нанометров, а расстояние между ними — вдвое больше. Причем эти параметры — на порядок меньше, чем размеры бактерий. Микробам неудобно оседать на такую игольчатую поверхность, — рассказала «Известиям» соавтор разработки, старший научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Мария Баршутина.
Она пояснила, что если бактерия будет опираться на столбики, ее оболочка растянется. При этом достаточно 15% натяжения, чтобы она лопнула. В результате микроорганизм погибает.
При проведении исследований ученые экспериментально подтвердили, что на узорчатых наноструктурированных покрытиях происходит сокращение популяции бактерий в 10 раз по сравнению с плоскими поверхностями.
Перламутровые переливы
В настоящее время для создания антибактериальных покрытий ученые используют метод мягкой литографии. Это способ изготовления ультрамалых конструкций с помощью специальных эластичных штампов.
— Мы создаем пресс-форму с выемками, которую заливаем полимером. Когда мы его освобождаем, то получаем покрытие с соответствующим выпуклым узором, — объяснила Мария Баршутина.
Она добавила, что сами столбики слишком малы, чтобы различить их невооруженным глазом. Для этого нужен электронный микроскоп. Или атомно-силовой — чтобы оценить их в объеме. Обыкновенному же глазу будет видна радужная игра, похожая на перламутровые переливы. Они возникают в результате преломления света, поскольку размеры конструкций сопоставимы с длиной световой волны.
Своими наработками специалисты из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ поделились с экспертным сообществом, опубликовав соответствующую статью.
В настоящее время ученые продолжают исследования, экспериментируя с узорами — формой наностолбиков и их расположением относительно друг друга для получения наибольшего антибактериального эффекта. Также специалисты ищут способы для создания экономически эффективной технологии нанесения покрытий, чтобы внедрить ее в серийное производство имплантатов.
— Противодействие очагам микробов на имплантатах важно, поскольку биопленки очень устойчивы к антимикробным агентам. Даже многоступенчатая дезинфекция зачастую неспособна полностью защитить пациентов от инфекций, — прокомментировала младший научный сотрудник Института биохимии и физиологии растений и микроорганизмов РАН Стелла Евстигнеева.
По ее мнению, разработка позволит повысить безопасность имплантатов и снизит вероятность их бактериального заражения. При этом благодаря сравнительно экономичному методу литографии можно будет получить различные по свойствам наноструктурированные материалы с широким спектром применения.
Кроме того, эксперты отмечают сложность борьбы с инфекциями, которые происходят из-за зараженных имплантатов.
— Такие инфекции могут вызвать воспаление внутренних тканей и спровоцировать хронические заболевания, а также привести к отказу внедренных внутрь организма устройств. Они могут быть причиной летальных исходов, — пояснила научный сотрудник Научно-исследовательского центра «Неорганические наноматериалы» университета МИСИС Кристина Котякова.
Эксперт добавила, что при заражении имплантатов необходима противомикробная терапия в виде приема таблеток или уколов. А в тяжелых случаях требуется хирургическое вмешательство и замена устройства. Однако повторная операция также может оказаться неэффективной из-за штаммов, устойчивых к антибиотикам, и высокой вероятности повторного заражения на новом имплантате.
Поэтому метод наноструктурирования поверхности действительно актуален, полагает эксперт. При этом она отметила, что для его внедрения в медицинскую практику необходимо расширить исследования и опробовать полученные покрытия на большей выборке патогенных бактерий.
