Новая технология может уничтожить бактерии в хронических ранах

Исследователи разработали способ нанесения ультратонкого антибактериального покрытия на рану с помощью усовершенствованной формы резинового штампа.

Действующее вещество — серебро — «используется для профилактики и лечения инфекций с древних времен», говорит первый автор исследования Анкит Агарвал, постдок в области химической и биологической инженерии в Университете Висконсин-Мэдисон. «Но серебро также может убивать клетки кожи, поэтому нам необходимо разрабатывать материалы, которые доставляют в раны антибактериальные, но нетоксичные дозы серебра».

В исследовании, опубликованном в журнале Advanced Functional Materials, Агарвал, профессор химической и биологической инженерии Николас Эбботт и их коллеги описали процесс создания прозрачного ультратонкого полимерного покрытия, несущего точно дозированные нагрузки чрезвычайно мелких наночастиц серебра.

Покрытие толщиной всего в несколько молекул было собрано на гибком кусочке резины, а затем методом штамповки нанесено на кусок кожи кадавра, имитировавший рану в эксперименте.

Для проверки активности против бактерий исследователи обработали образцы кожи двумя бактериями, часто инфицирующими раны. Используя дозу серебра, которая в предыдущих тестах не вредила клеткам кожи, бактерии становились необнаружимыми в течение 12 часов.

Хронические раны — основная причина боли, расходов и инвалидности. Около двух миллионов человек в США ежегодно обращаются за больничной помощью по поводу ожогов, и еще шесть миллионов человек имеют хронические раны по другим причинам.

«Хронические раны — это серьезное национальное бремя», — говорит соавтор исследования Майкл Шурр, профессор хирургии в UW-Madison. «Если посмотреть на грядущую эпидемию диабета, язвы стопы очень распространены при диабете и часто приводят к ампутации. Несмотря на все достижения в хирургии и медицине, уход за ранами, который мы обеспечиваем сейчас, практически такой же, как 20 или 50 лет назад».

Контактная печать штампами широко используется в промышленности для нанесения точных покрытий на металл и стекло, но исследователям пришлось изобрести метод переноса полимерного слоя на более мягкую кожу. «Мы случайно обнаружили, что если ввести в пленки определенные микрометровые частицы, это значительно улучшает перенос пленок на мягкие материалы», — говорит Агарвал.

Технология, разработанная в сотрудничестве с Чарльзом Чупински из UW-Madison и Кристофером Мерфи (ныне в Калифорнийском университете), имеет много преимуществ. Во-первых, она помещает наночастицы серебра непосредственно в рану, позволяя нетоксичным дозам серебра (до 100 раз ниже, чем в коммерческих серебряных повязках) проявлять антибактериальную активность. Во-вторых, инженеры-химики смогут создать версию с пролонгированным высвобождением, чтобы уменьшить необходимость повторных нанесений и болезненных смен повязок.

Кроме того, в то время как бактерии могут эффективно развивать устойчивость к антибиотикам, они практически никогда не развивают устойчивость к серебру. «Серебро действует, повреждая клеточные мембраны бактерий и нарушая метаболические функции микробов», — говорит Агарвал. Серебро также может убивать грибки и дрожжи и инактивировать вирусы.

Пленки, содержащие наночастицы серебра, состоят из сотен отдельных слоев, и их приготовление на роботизированной установке в кампусе занимает несколько часов. Но вся эта химия не должна проводиться рядом с пациентом, а сам процесс штамповки занимает всего 30 секунд. В лаборатории штампы наносятся на кожу кадавра с помощью ручного валика, подобного тем, что используют художники для гравюр.

Предварительные исследования показали, что пленки и процесс штамповки не нарушают заживление ран у мышей с диабетом. Дальнейшие исследования под руководством Джонатана Макэнулти из Школы ветеринарной медицины UW-Madison изучают антибактериальный эффект пленок с наночастицами серебра на инфицированных ранах у мышей и свиней.

Этот метод может иметь более широкое применение. «Он применим к ряду мягких материалов и может включать в себя различные молекулы на поверхности ткани, которые могут влиять на фундаментальное клеточное поведение, участвующее в заживлении», — говорит Эбботт.

Если и когда технология пройдет испытания на животных, настанет время для подготовки испытаний на людях. «У нас есть многопрофильная команда ветеринаров, химиков, хирургов, инженеров-химиков и материаловедов, имеющих опыт проведения медицинских устройств через Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA). Потребность велика, но до того, как лечение станет доступным пациентам, может пройти еще несколько лет».