Новая технология с золотыми наностержнями уничтожает бактерии на имплантатах нагревом
Новая технология, разработанная в Технологическом университете Чалмерса (Швеция), может стать важным инструментом в борьбе с инфекциями при хирургической установке имплантатов, например, тазобедренных или коленных суставов. Метод основан на нагреве наностержней золота ближним инфракрасным (NIR) светом, что убивает бактерии и стерилизует поверхность имплантата.
Нагрев убивает бактерии на поверхности имплантата
Метод заключается в закреплении нанометровых стержней золота на поверхности имплантата. При облучении ближним инфракрасным светом стержни нагреваются, действуя как микроскопические нагревательные элементы. Из-за их малого размера нагрев очень локален, что позволяет уничтожать бактерии на поверхности имплантата, не нагревая окружающие ткани.
«Золотые стержни поглощают свет, электроны в золоте приходят в движение, и в итоге наностержни выделяют тепло. Можно сказать, что они работают как маленькие сковородки, которые "поджаривают" бактерии», — говорит Мая Ууситало, докторант Чалмерса и ведущий автор исследования, опубликованного в журнале Nano Letters.
NIR-свет невидим для глаза, но способен проникать сквозь человеческие ткани. Это позволяет нагревать золотые наностержни на поверхности имплантата внутри тела, освещая кожу снаружи. Стержни распределены редко и покрывают лишь около 10% поверхности имплантата, что позволяет сохранить его полезные свойства, например, способность прикрепляться к кости.
«Секрет в точной настройке размера стержней. Если сделать их чуть больше или меньше, они будут поглощать свет с неправильной длиной волны. Нам нужен свет, который хорошо проникает сквозь кожу и ткани, чтобы достигать поверхности протеза внутри тела», — объясняет Мартин Андерссон, профессор и руководитель исследования.
Точные измерения температуры наностержней
Чтобы лучше понять, как работает технология, исследователям необходимо было измерить температуру крошечных золотых стержней. Используя рентгеновские лучи для изучения движения атомов золота, они смогли точно определить температуру стержней и то, как она регулируется интенсивностью NIR-света.
«Температура не должна превышать 120 градусов Цельсия, так как при более высоких температурах наностержни теряют форму и превращаются в сферы. В результате они теряют оптические свойства и больше не могут эффективно поглощать NIR-свет», — отмечает Ууситало.
Нагрев очень локален, с низкой передачей энергии в окружающую среду, что критически важно для избежания повреждения окружающих тканей.
Антибактериальный эффект активируется светом
Золотые наностержни сами по себе пассивны на поверхности до тех пор, пока их не нагреют NIR-светом. Только после активации они становятся горячими и запускают антибактериальный эффект.
«Мы можем контролировать, когда поверхность должна быть антибактериальной, а когда нет. Когда мы выключаем свет, поверхность перестает быть антибактериальной и возвращается в исходное состояние. Это преимущество, поскольку многие антибактериальные поверхности обычно негативно влияют на заживление», — говорит Андерссон.
Цель — внедрить эту технологию в здравоохранение. Исследователи видят применение NIR-нагрева сразу после установки имплантата и зашивания раны, чтобы уничтожить бактерии, которые могли осесть на протезе во время операции.
Хотя от нагрева золотых наностержней погибают все бактерии, обычные клетки также могут быть повреждены. Однако, как отмечает Андерссон, если несколько человеческих клеток будут разрушены, организм быстро восстановит их, поэтому влияние на заживление минимально.
Технология нагрева золотых наностержней NIR-светом ранее изучалась в исследованиях рака, но группа из Чалмерса первой применила её для создания антибактериальной поверхности на имплантатах с высокой точностью и контролем.