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Revestimentos “inteligentes” recém-desenvolvidos para implantes ortopédicos cirúrgicos podem monitorar a tensão nos dispositivos para fornecer alerta precoce de falhas do implante enquanto matam bactérias causadoras de infecção, relatam pesquisadores da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign. Os revestimentos integram sensores flexíveis com uma superfície antibacteriana nanoestruturada inspirada nas asas de libélulas e cigarras.
Em um novo estudo na revista Avanços da ciênciauma equipe multidisciplinar de pesquisadores descobriu que os revestimentos preveniram a infecção em camundongos vivos e mapearam a tensão em implantes comerciais aplicados a espinhas de ovelhas para alertar sobre várias falhas de implante ou cicatrização.
“Esta é uma combinação de design de nanomaterial bio-inspirado com eletrônica flexível para combater um problema biomédico complicado e de longo prazo”, disse o líder do estudo Qing Cao, professor de ciência e engenharia de materiais da U. de I.
Tanto a infecção quanto a falha do dispositivo são os principais problemas com implantes ortopédicos, cada um afetando até 10% dos pacientes, disse Cao. Várias abordagens para combater a infecção foram tentadas, mas todas têm limitações severas, disse ele: os biofilmes ainda podem se formar em superfícies repelentes à água, e revestimentos carregados com antibióticos químicos ou drogas se esgotam em um período de meses e têm efeitos tóxicos no ambiente circundante. tecido com pouca eficácia contra cepas resistentes a drogas de patógenos bacterianos.
Inspirando-se nas asas naturalmente antibacterianas de cigarras e libélulas, a equipe de Illinois criou uma folha fina padronizada com pilares em nanoescala, como os encontrados nas asas dos insetos. Quando uma célula bacteriana tenta se ligar à folha, os pilares perfuram a parede celular, matando-a.
“O uso de uma abordagem mecânica para matar bactérias nos permitiu contornar muitos dos problemas com abordagens químicas, enquanto ainda nos dava a flexibilidade necessária para aplicar o revestimento nas superfícies dos implantes”, disse o professor de patobiologia Gee Lau, coautor do estudo.
Na parte de trás da folha nanoestruturada, onde ela entra em contato com o dispositivo de implante, os pesquisadores integraram matrizes de sensores eletrônicos flexíveis e altamente sensíveis para monitorar a tensão. Isso pode ajudar os médicos a observar o progresso da cura de pacientes individuais, orientar sua reabilitação para encurtar o tempo de recuperação e minimizar os riscos e reparar ou substituir dispositivos antes que cheguem ao ponto de falha, disseram os pesquisadores.
O grupo de engenharia então se uniu à professora de medicina clínica veterinária Annette McCoy para testar seus protótipos de dispositivos. Eles implantaram as folhas em camundongos vivos e os monitoraram em busca de qualquer sinal de infecção, mesmo quando as bactérias foram introduzidas. Eles também aplicaram os revestimentos em implantes espinhais disponíveis comercialmente e monitoraram a tensão nos implantes em espinhas de ovelhas sob carga normal para diagnóstico de falha do dispositivo. Os revestimentos desempenharam bem ambas as funções.
O protótipo eletrônico exigia fios, mas os pesquisadores planejam desenvolver interfaces de comunicação de dados e energia sem fio para seus revestimentos, uma etapa crucial para a aplicação clínica, disse Cao. Eles também estão trabalhando para desenvolver a produção em larga escala da folha matadora de bactérias com textura nanopilar.
“Esses tipos de revestimentos antibacterianos têm muitas aplicações potenciais e, como o nosso usa um mecanismo mecânico, tem potencial para locais onde produtos químicos ou íons de metais pesados - como são usados em revestimentos antimicrobianos comerciais agora – seriam prejudiciais”, Cao disse.
A National Science Foundation e os programas de pesquisa médica dirigidos pelo Congresso dos EUA apoiaram este trabalho.
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