În lupta împotriva rezistenţei la antibiotice, o nouă tehnologie dezvoltată la Universitatea de Tehnologie Chalmers, din Suedia, s-ar putea dovedi de mare impact atunci când, de exemplu, implanturile sunt inserate chirurgical.
Infecţiile pot apărea în timpul procedurilor chirurgicale, riscul crescând semnificativ atunci când în organism sunt implantate materiale străine, cum sunt şi protezele de şold şi de genunchi.
Prezenţa materialului slăbeşte sistemul imunitar al organismului de aceea se folosesc frecvent tratamente cu antibiotice.
În caz de infectare, sunt adesea necesare doze mari de antibiotice, cu perioade lungi de tratament, uneori pe viaţă. Acest lucru implică un risc de creştere a rezistenţei la antibiotice, care este considerată de către Organizaţia Mondială a Sănătăţii (OMS) drept una dintre cele mai mari ameninţări la adresa sănătăţii umane.
Cercetătorii prezintă acum un nou studiu care completează cunoştinţele asupra modului în care nanotije de aur sunt afectate de lumină şi cum poate fi măsurată temperatura din ele.
Prin încălzirea nanotijelor de aur cu lumină în infraroşu apropiat (NIR), bacteriile sunt ucise, iar suprafaţa implantului devine sterilă.
Tehnologia dezvoltată de cercetătorii de la Chalmers este o metodă în care tijele de aur de dimensiuni nanometrice sunt ataşate la suprafaţa implantului.
Atunci când lumina infraroşie apropiată (NIR) atinge suprafaţa implantului, tijele se încălzesc şi acţionează ca mici elemente de încălzire. Întrucât elementele de încălzire sunt atât de mici, există doar o încălzire locală focalizată, care ucide orice bacterie de pe suprafaţa implantului fără a încălzi ţesutul din jur.
„Tijele de aur absorb lumina, electronii din aur sunt puşi în mişcare şi, în cele din urmă, nanoelectrozii emit căldură. S-ar putea spune că nanoelectrozii de aur funcţionează ca nişte mici tigăi care prăjesc bacteriile până la moarte”, explică Maja Uusitalo, doctorandă la Chalmers şi autor principal al studiului, care a fost publicat în revista Nano Letters.
Lumina NIR este invizibilă cu ochiul liber, dar are capacitatea de a pătrunde în ţesutul uman. Această proprietate permite ca nanotijele de aur să fie încălzite pe suprafaţa implantului din interiorul corpului prin iluminarea pielii. Tijele de aur sunt slab distribuite şi acoperă doar aproximativ zece procente din suprafaţa implantului. Acest lucru înseamnă că proprietăţile benefice ale materialului, cum ar fi capacitatea de a se ataşa la os, sunt în mare parte păstrate.
„Trucul constă în adaptarea dimensiunii tijelor. Dacă le faceţi puţin mai mici sau puţin mai mari, acestea absorb lumina cu lungimi de undă greşite. Vrem ca lumina absorbită să penetreze bine pielea şi ţesutul. Odată ce implantul se află în interiorul corpului, lumina trebuie să poată ajunge la suprafaţa protezei”, explică Martin Andersson, profesor şi director de cercetare la Chalmers.
Pentru a creşte gradul de înţelegere a modului în care funcţionează tehnologia şi a modului în care nanotijele de aur încălzite în NIR afectează atât bacteriile, cât şi celulele umane, cercetătorii au avut nevoie să măsoare temperatura tijelor. Din cauza dimensiunii lor minuscule, este imposibil de măsurat cu un termometru obişnuit, în schimb cercetătorii au folosit raze X pentru a studia modul în care se mişcă atomii de aur. Metoda permite măsurarea precisă a temperaturii tijelor de aur şi a modului în care temperatura poate fi reglată folosind intensitatea luminii NIR.
„Temperatura nu trebuie să depăşească 120°C, deoarece temperaturile mai ridicate fac ca nanotijele să-şi piardă forma şi să se transforme în sfere. Ca urmare, acestea îşi pierd proprietăţile optice şi nu mai pot absorbi eficient lumina NIR, ceea ce împiedică încălzirea tijelor”, spune Maja Uusitalo.
Cercetătoarea subliniază faptul că încălzirea este foarte locală, cu un transfer redus de energie către mediul înconjurător. Acest lucru este esenţial pentru a evita deteriorarea ţesutului înconjurător. Cercetătorii speră ca metoda să poată fi utilizată pe multe materiale de implant diferite, cum ar fi titanul sau diferite materiale plastice.
Nanotijele de aur în sine sunt complet pasive pe suprafaţă înainte ca lumina NIR să le încălzească. Doar atunci sunt activate tijele, devenind fierbinţi şi declanşând efectul antibacterian.
„Putem controla când suprafaţa trebuie să fie antibacteriană şi când nu. Atunci când stingem lumina, suprafaţa nu mai este antibacteriană şi revine la starea sa iniţială. Acesta este un avantaj, deoarece multe suprafeţe antibacteriene au de obicei efecte negative asupra vindecării”, spune Martin Andersson.
Scopul este de a aduce în cele din urmă această tehnologie în domeniul asistenţei medicale.
„Credem în primul rând în utilizarea luminii NIR pentru încălzire la scurt timp după ce implantul este plasat şi rana este suturată. Prin încălzirea nanorodourilor de aur, putem elimina orice bacterie care s-ar fi putut depune pe proteză în timpul operaţiei”, completează Martin Andersson.
Toate bacteriile mor din cauza căldurii produse de nanotijele de aur, dar chiar şi celulele obişnuite pot fi deteriorate în timpul tratamentului.
„Dacă câteva celule umane sunt distruse în timpul procesului de încălzire NIR, organismul regenerează rapid celule noi, astfel încât impactul asupra vindecării este minim”, spune Martin Andersson.
Tehnologia cu nantije de aur încălzite în NIR a fost studiată anterior în cercetarea cancerului, dar grupul de cercetare de la Chalmers este primul care utilizează tehnologia pentru a crea o suprafaţă antibacteriană pe implanturi cu o precizie şi un control ridicate.
Ilustraţia arată modul în care nanoelectrozi de aur se încălzesc atunci când sunt iluminaţi cu lumină NIR. La temperaturi de peste 120 de grade Celsius, tijele de aur încep să îşi schimbe forma, iar proprietăţile lor optice se modifică. Credit: Universitatea Politehnică Chalmers octombrie 2024. Daniel Spacek, Neuron Collective.
