Uppfanns för cirka 50 år sedan, kirurgiska medicinska maskor har blivit nyckelelement i återhämtningsprocedurerna för operationer med skadade vävnader, den vanligaste är bråckreparation. När det implanteras i patientens vävnad, den flexibla och formbara designen av dessa nät hjälper till att hålla musklerna täta och låter patienter återhämta sig mycket snabbare än genom konventionell sådd och sömnadsoperation.

Dock, införandet av ett medicinskt implantat i en patients kropp medför samtidigt risken för bakteriell kontaminering under operation och efterföljande bildning av en infektiös biofilm över ytan av det kirurgiska nätet. Sådana biofilmer tenderar att fungera som en ogenomtränglig beläggning, hindrar någon form av antibiotika att nå och attackera bakterierna som bildas på filmen för att stoppa infektionen. Således, antibiotikabehandlingar, som är tidsbegränsade, kan misslyckas mot dessa superresistenta bakterier och patienten kan hamna i återkommande operationer som till och med kan leda till döden. I själva verket enligt European Antimicrobial Resistance Surveillance Network (EARS-Net), under 2015 mer än 30, 000 dödsfall i Europa var kopplade till infektioner med antibiotikaresistenta bakterier.

Förr, flera metoder har sökts för att förhindra implantatkontamination under operation. Aseptiska protokoll efter operation har etablerats och implementerats för att bekämpa dessa antibiotikaresistenta bakterier, men ingen har helt fyllt rollen att lösa detta problem.

I en nyligen publicerad studie publicerad i Nanobokstäver och markeras i Naturfotonik , ICFO-forskare Dr. Ignacio de Miguel, Arantxa Albornoz, leds av ICREA Prof. vid ICFO Romain Quidant, i samarbete med forskarna Irene Prieto, Dr Vanesa Sanz, Dr Christine Weis och Dr Pau Turon från det stora medicintekniska och läkemedelsföretaget B. Braun, har tagit fram en ny teknik som använder nanoteknik och fotonik för att dramatiskt förbättra prestandan hos medicinska nät för kirurgiska implantat.

Genom ett pågående samarbete sedan 2012, teamet av forskare vid ICFO och B. Braun Surgical, S.A., utvecklat ett medicinskt nät med en speciell egenskap:ytan på nätet modifierades kemiskt för att förankra miljontals guldnanopartiklar. Varför? Eftersom guldnanopartiklar har visat sig mycket effektivt omvandla ljus till värme i mycket lokaliserade regioner.

Tekniken att använda guldnanopartiklar i ljus-värmeomvandlingsprocesser hade redan testats i cancerbehandlingar i tidigare studier. Ännu mer, på ICFO hade denna teknik implementerats i flera tidigare studier med stöd av Cellex Foundation, är därmed ytterligare ett framträdande exempel på hur tidigt visionärt filantropiskt stöd för att ta itu med grundläggande problem så småningom leder till viktiga praktiska tillämpningar. För detta specifika fall, att veta att mer än 20 miljoner bråckreparationsoperationer äger rum varje år runt om i världen, de trodde att den här metoden kunde minska de medicinska kostnaderna vid återkommande operationer samtidigt som de eliminerade de dyra och ineffektiva antibiotikabehandlingarna som för närvarande används för att ta itu med detta problem.

Således, i sitt in vitro-experiment och genom en grundlig process, teamet täckte det kirurgiska nätet med miljontals guld nanopartiklar, fördela dem jämnt över hela strukturen. De testade maskorna för att säkerställa partiklarnas långsiktiga stabilitet, materialets icke-nedbrytning, och att nanopartiklar inte lossnar eller frigörs till den omgivande miljön (flaska). De kunde observera en homogen fördelning av nanopartiklarna över strukturen med hjälp av ett svepelektronmikroskop.

När det modifierade nätet var klart, teamet exponerade den för S.aureus-bakterier i 24 timmar tills de observerade bildandet av en biofilm på ytan. Senare, de började exponera nätet för korta intensiva pulser av nära infrarött ljus (800 nm) under 30 sekunder för att säkerställa termisk jämvikt, innan du upprepar denna behandling 20 gånger med 4 sekunders vilointervall mellan varje puls. De upptäckte följande:För det första, de såg att belysning av nätet vid den specifika frekvensen skulle inducera lokaliserade ytplasmonresonanser i nanopartiklarna - ett läge som resulterar i effektiv omvandling av ljus till värme, bränna bakterierna på ytan. För det andra, genom att använda ett fluorescenskonfokalmikroskop, de såg hur mycket av bakterierna som hade dött eller fortfarande levde. För bakterierna som förblev vid liv, de observerade att biofilmsbakterierna blev planktoniska celler, att återställa sin känslighet eller svaghet mot antibiotikabehandling och immunsystemets svar. För de döda bakterierna, de observerade att efter att öka mängden ljus som levereras till ytan av nätet, bakterierna skulle förlora sin vidhäftning och skala av ytan. För det tredje, de bekräftade att drift vid nära infrarött ljus var helt kompatibelt med in vivo-inställningar, vilket innebär att en sådan teknik sannolikt inte skulle skada den omgivande friska vävnaden. Till sist, de upprepade behandlingen och bekräftade att den återkommande uppvärmningen av nätet inte hade påverkat dess omvandlingseffektivitetsförmåga.

Som ICREA-professor vid ICFO Romain Quidant kommenterar, "resultaten av denna studie har banat väg för att använda plasmon nanoteknik för att förhindra bildandet av bakteriell biofilm på ytan av kirurgiska implantat. Det finns fortfarande flera frågor som måste åtgärdas men det är viktigt att betona att en sådan teknik verkligen kommer att innebär en radikal förändring av operationsprocedurerna och ytterligare patientens återhämtning."

Dr. Pau Turon, Direktör för forskning och utveckling på B. Braun Surgical, S.A. förklarar, "vårt åtagande att hjälpa vårdpersonal att undvika sjukhusrelaterade infektioner driver oss att utveckla nya strategier för att bekämpa bakterier och biofilmer. Dessutom, forskargruppen undersöker för att utöka sådan teknik till andra sektorer där biofilmer måste undvikas."