På senare år har forskare har arbetat för att utveckla mer flexibla, funktionella proteser för soldater som återvänder hem från slagfält i Afghanistan eller Irak med saknade armar eller ben. Men även nya proteser har problem med att förhindra att bakterier kommer in i kroppen genom utrymmet där enheten har implanterats.

"Du måste stänga (området) där bakterierna kommer in i kroppen, och det är där huden är, sa Thomas Webster, docent i teknik och ortopedi vid Brown University.

Webster och ett team av forskare vid Brown kan ha hittat rätt formel för att avskräcka bakteriemigranter. Gruppen rapporterar två sätt på vilka den modifierade ytan på benimplantat av titan för att främja tillväxt av hudceller, därigenom skapas ett naturligt hudlager och tätar gapet där enheten har implanterats i kroppen. Forskarna skapade också en molekylkedja för att strö hudväxande proteiner på implantatet för att påskynda hudtillväxt.

Resultaten publiceras i Journal of Biomedical Materials Research A.

Forskarna, inklusive Melanie Zile, en student från Boston University som arbetade i Websters labb som en del av Browns Undergraduate Teaching and Research Awards-program, och Sabrina Puckett, som tog sin tekniska doktorsexamen i maj förra året, skapade två olika ytor i nanoskala, dimensioner mindre än en miljarddels meter.

I det första tillvägagångssättet, forskarna avfyrade en elektronstråle av titanbeläggning mot distansen (den del av implantatet som sätts in i benet), skapa ett landskap av 20 nanometer högar. Dessa högar imiterar konturerna av naturlig hud och lurar hudceller att kolonisera ytan och växa ytterligare keratinocyter, eller hudceller.

Webster kände till en sådan yta, ruggad på nanoskala, arbetade för återväxt av benceller och broskceller, men han var osäker på om det skulle vara framgångsrikt för att växa hudceller. Detta kan vara första gången som en nanoyta skapad på detta sätt på titan har visat sig attrahera hudceller.

Det andra tillvägagångssättet, kallas anodisering, involverade att doppa distansen i fluorvätesyra och ge den en stöt av elektrisk ström. Detta får titanatomerna på distansens yta att springa omkring och samlas igen som ihåliga, rörformiga strukturer som reser sig vinkelrätt från distansens yta. Som med nanomounds, hudceller koloniserar snabbt den nanorörformiga ytan.

I laboratorietester (in vitro), forskarna rapporterar nästan en fördubbling av hudcellstätheten på implantatytan; inom fem dagar, keratinocytdensiteten nådde den punkt där ett ogenomträngligt hudlager som överbryggar distansen och kroppen hade skapats.

"Du har definitivt ett helt lager av hud, " sa Webster. "Det finns ingen mer lucka för bakterierna att gå igenom."

För att ytterligare främja tillväxten av hudceller runt implantatet, Websters team tittade på FGF-2, ett protein som utsöndras av huden för att hjälpa andra hudceller att växa. Att helt enkelt smutsa ner distansen med proteinerna fungerar inte, eftersom FGF-2 förlorar sin effekt när den absorberas av titan. Så forskarna kom fram till en syntetisk molekylkedja för att binda FGF-2 till titanytan, samtidigt som proteinets förmåga att växa till hudceller bibehålls. Inte överraskande, in vitro-tester visade den största tätheten av hudceller på distansytor med de nanomodifierade ytorna och spetsade med FGF-2. Dessutom, de nanomodifierade ytorna skapar mer yta för FGF-2-proteiner än vad som skulle vara tillgängligt på traditionella implantat.

Nästa steg är att utföra in vivo-studier; om de lyckas, mänskliga prövningar kan börja, även om Webster sa att det kan vara år bort.