Ledproteser är bland de vanligaste elektiva operationerna – men ungefär en av 100 patienter lider av postoperativa infektioner, förvandla ett rutinförfarande till en dyr och farlig prövning. Nu, forskare vid Stevens Institute of Technology har utvecklat en "självförsvarsyta" för dessa implantat som frigör riktade mikrodoser av antibiotika när bakterier närmar sig, potentiellt kraftigt minska infektionsfrekvensen.

Arbetet, ledd av Matthew Libera, professor i materialvetenskap vid Stevens, beskriver en metod för att belägga implantatytor med ett gitter av mikrogeler:fläckar, var och en 100 gånger mindre än diametern på ett människohår, kan absorbera vissa antibiotika. Mikrogelernas beteende regleras av elektriska laddningar, och den elektriska aktiviteten hos en mikrob som närmar sig får dem att läcka antibiotika, förhindra infektioner från att slå rot.

Mikrogeler kan appliceras på ett brett utbud av medicinsk utrustning, inklusive hjärtklaffar, vävnadsställningar, och till och med kirurgiska suturer – och med bara marknaden för höftimplantat som förväntas nå 9,1 miljarder dollar 2024, Tekniken har betydande kommersiell potential. USA:s armé, som hjälpte till att finansiera forskningen, är också intresserad av att använda tekniken på fältsjukhus, där infektioner för närvarande förekommer i en fjärdedel av stridsskadorna.

"Den potentiella påverkan för patienter, och för sjukvården, är enorm, sa Libera, som är ordförande för Stevens-konferensen om interaktioner mellan bakterier och material. Stevens doktorand Jing Liang och biomedicinsk ingenjörsprofessor Hongjun Wang samarbetade i studien, som står i journalen Biomaterial .

Post-kirurgiska infektioner är svåra att slå eftersom mikrober koloniserar ytor, de bildar antibiotikaresistenta lager som kallas biofilmer. Libera och hans team stör denna cykel genom att döda mikrober innan de kan få fotfäste. "Det krävs bara en bakterie för att orsaka en infektion, " sa Libera. "Men om vi kan förhindra infektion tills läkningen är fullständig, då kan kroppen ta över."

Till skillnad från konventionella behandlingar som översvämmer hela kroppen med antibiotika, Stevens-teamets tillvägagångssätt är mycket målinriktat, släpper ut små mängder antibiotika för att döda enskilda bakterier. Det minskar dramatiskt det selektiva trycket som ger upphov till antibiotikaresistenta "superbugs" - en stor förbättring jämfört med både systemiska behandlingar och lokala tillvägagångssätt som att blanda antibiotika i bencement, släpper ut storleksordningar mindre antibiotika i patientens system.

Andra självförsvarsytor som för närvarande är under utveckling förlitar sig på mikrobers metaboliska biprodukter för att utlösa frisättningen av antibiotika - en mindre säker metod än Liberas metod, som kan döda även vilande bakterier. Teamets mikrogeler är också anmärkningsvärt motståndskraftiga, överlever etanolsterilisering och förblir stabila i veckor i taget. Mikrogeler svarar också på lämpligt sätt på mänsklig vävnad, bibehåller sin antibiotikamängd tills den behövs och främjar en sund bentillväxt runt behandlade ytor.

För att applicera mikrogeler på en medicinsk utrustning som en knäled, kirurger kunde dunk ner enheten i ett speciellt förberett bad i några sekunder; ett kort dopp i ett andra bad skulle sedan ladda mikrogelerna med antibiotika. I teorin, kirurger kunde förbereda enheter på begäran, omedelbart innan de implanteras, använda antibiotika skräddarsydda för en patients specifika riskfaktorer.

Hittills har metoden testats in vitro, och teamet arbetar fortfarande med att finjustera mikrogelerna och göra det möjligt för dem att leverera ett bredare utbud av antibiotika. Att få ett godkännande från U.S. Food and Drug Administration kommer att vara knepigt, med tanke på teknikens innovativa karaktär, men Liberas team arbetar med industripartner för att planera ytterligare demonstrationer.