En upptäckt av University of Sydney forskare kan stödja en ny klass av implanterbara enheter som ger biologiska signaler till omgivande vävnad för bättre integration med kroppen och minskad risk för infektion.

Modern medicin förlitar sig allt mer på implanterbara biomedicinska enheter men deras effektivitet är ofta begränsad på grund av misslyckad integration med värdvävnad eller utvecklingen av obehandlade infektioner, vilket kräver att enheten byts ut genom revisionsoperation.

Teamet vid Applied Plasma Physics and Surface Engineering Laboratory har utvecklat praktiska tekniker för att styra och fästa peptider på ytor; datasimuleringar och experiment visade kontroll av både peptidorientering och ytkoncentration, vilket kan uppnås genom att applicera ett elektriskt fält som levereras av ett litet hushållsbatteri.

Resultaten publiceras idag i Naturkommunikation .

Motsvarande författare professor i tillämpad fysik och ytteknik Marcela Bilek sa att biomaterialbeläggningar kan maskera de implanterade enheterna och efterlikna omgivande vävnad.

"Den heliga gralen är en yta som interagerar sömlöst och naturligt med värdvävnad genom biomolekylär signalering, "sade professor Bilek, som är medlem i University of Sydney Nano Institute och Charles Perkins Center.

Robust fästning av biologiska molekyler till bioenhetens yta krävs för att uppnå detta, som möjliggörs av unika ytmodifieringsprocesser som utvecklats av professor Bilek.

"Även om proteiner framgångsrikt har använts i ett antal applikationer, de överlever inte alltid hårda steriliseringsbehandlingar - och introducerar risken för patogenöverföring på grund av deras produktion i mikroorganismer, "Sade professor Bilek.

Professor Bilek - tillsammans med Dr Behnam Akhavan från Aerospace School, Maskin- och mekanisk teknik och Fysikhögskolan och huvudförfattare doktorand, Lewis Martin från School of Physics - utforskar användningen av korta proteinsegment som kallas peptider som, när den är strategiskt utformad, kan sammanfatta proteinets funktion.

Martin sa att teamet kunde justera orienteringen av extremt små biomolekyler (mindre än 10 nanometer i storlek) på ytan. "Vi använde specialiserad utrustning för att utföra experimenten, men de elektriska fälten kan appliceras av alla som använder ett hemelektronik -kit, " han sa.

Dr Akhavan sa att under förutsättning av branschstöd och finansiering för kliniska prövningar, förbättrade implantat kan vara tillgängliga för patienter inom fem år.

"Tillämpningen av vårt tillvägagångssätt sträcker sig från benimplantat till kardiovaskulära stenter och artificiella blodkärl, "Dr Akhavan sa.

"För de benimplanterbara enheterna, till exempel, sådana moderna biokompatibla ytor kommer direkt att gynna patienter som lider av benfraktur, osteoporos, och bencancer. "

På grund av sin lilla storlek, peptiderna kan produceras syntetiskt och de är elastiska under sterilisering. Den största svårigheten att använda peptider är att se till att de är fästa vid lämpliga densiteter och i riktningar som effektivt exponerar deras aktiva platser.

Använda tillämpade elektriska fält och buffertkemi, forskarna upptäckte flera nya spakar som styr peptidbindning. Laddningsseparation på peptider skapar permanenta dipolmoment som kan anpassas till ett elektriskt fält för att ge optimal orientering av molekylerna och mängden immobiliserad peptid kan också ställas in genom de elektrostatiska interaktionerna när peptiderna har en total laddning.

Tidningen sa att denna kunskap används för att utforma strategier för att skapa en ny generation syntetiska biomolekyler.

"Våra fynd belyser mekanismer för biomolekyl immobilisering som är extremt viktiga för design av syntetiska peptider och biofunktionalisering av avancerade implanterbara material, "står det i tidningen.