Zabiegom chirurgicznym zawsze towarzyszy ryzyko zakażenia, zwłaszcza gdy do organizmu wszczepiane są implanty, na przykład protezy kolan czy stawów biodrowych. Obecność implantu osłabia układ odpornościowy organizmu, dlatego powszechnie stosuje się podawanie antybiotyków. W przypadku zakażenia często wymagane są wysokie dawki antybiotyków, a czas leczenia jest długi - czasami trwa całe życie. To z kolei podnosi ryzyko powstawania oporności na antybiotyki, która według WHO jest jednym z największych zagrożeń dla zdrowia ludzi.

Są jednak czynniki, na które bakterie nie są w stanie się uodpornić – na przykład wysoka temperatura.

Naukowcy z Uniwersytetu Technologicznego Chalmers w Goteborgu opracowali technologię podgrzewania bakterii bez szkody dla tkanek pacjenta. Nanometrowe pręciki ze złota są przymocowywane do powierzchni implantu. Pod wpływem światła w z zakresu bliskiej podczerwieni (NIR) pręciki te nagrzewają się i działają jak maleńkie elementy grzewcze. Ich miniaturowe rozmiary sprawiają, że nagrzewanie zachodzi tylko lokalnie: zabija wszelkie bakterie na powierzchni implantu i sterylizuje go bez nagrzewania otaczającej tkanki.

"Złote pręciki pochłaniają światło, elektrony w złocie zostają wprawione w ruch, a na koniec nanopręciki emitują ciepło. Można powiedzieć, że działają jak małe patelnie, które smażą bakterie na śmierć" — powiedziała Maja Uusitalo, doktorantka na Chalmers i główna autorka badania.

Bliska podczerwień NIR jest niewidoczna gołym okiem, ale ma zdolność do przenikania przez ludzką tkankę (takie naświetlania stosowane są na przykład w medycynie estetycznej). Dlatego wystarczy oświetlić skórę NIR, aby podgrzać złote nanopręciki na powierzchni implantu wewnątrz ciała. Złote pręciki są rzadko rozmieszczone i pokrywają tylko około 10 proc. powierzchni implantu. Dzięki temu w dużej mierze zachowane są korzystne właściwości materiału, takie jak zdolność do przyczepiania się do kości.

"Sztuczka polega na dopasowaniu rozmiaru pręcików. Jeśli zrobisz je trochę mniejsze lub trochę większe, pochłaniają światło o złych długościach fal. Chcemy, aby światło, które jest absorbowane, dobrze przenikało skórę i tkanki. Ponieważ gdy implant znajdzie się w ciele, światło musi być w stanie dotrzeć do powierzchni protezy" — podkreślił Martin Andersson, profesor i kierownik badań w Chalmers.

Aby lepiej zrozumieć, jak działa ta technologia, i jak podgrzewane promieniami NIR złote elementy wpływają na bakterie i na komórki ludzkie - naukowcy musieli zmierzyć temperaturę prętów. Ze względu na ich niewielkie rozmiary nie można jej zmierzyć zwykłym termometrem, zamiast tego zastosowano promieniowanie rentgenowskie, aby zbadać, jak poruszają się atomy złota. Metoda ta umożliwia precyzyjny pomiar temperatury złotych prętów i regulowanie temperatury za pomocą intensywności światła NIR.

"Temperatura nie może przekraczać 120 st. C, ponieważ wyższe temperatury powodują utratę kształtu pręcików i przekształcenie ich w kulki. W rezultacie tracą one swoje właściwości optyczne i nie mogą już skutecznie pochłaniać NIR, co zapobiega nagrzewaniu się pręcików" — zaznaczyła Maja Uusitalo. Podkreśla, że nagrzewanie jest bardzo lokalne, a transfer energii do otoczenia - niewielki. Jest to kluczowe, aby uniknąć uszkodzenia otaczającej tkanki. Naukowcy mają nadzieję, że metoda ta może być stosowana w przypadku wielu różnych materiałów implantów, takich jak tytan lub różne tworzywa sztuczne.

Same złote nanopręciki są całkowicie pasywne na powierzchni, zanim światło NIR je nagrzeje. Dopiero wtedy są aktywowane, stają się gorące i wyzwalają efekt antybakteryjny. "Możemy kontrolować, kiedy powierzchnia powinna być antybakteryjna, a kiedy nie. Kiedy wyłączamy światło, powierzchnia przestaje być antybakteryjna i powraca do swojego pierwotnego stanu. To zaleta, ponieważ wiele antybakteryjnych powierzchni ma negatywny wpływ na gojenie" — wskazał Martin Andersson.

Autorzy chcą wprowadzić tę technologię do opieki zdrowotnej. "Wierzymy przede wszystkim w stosowanie światła NIR do ogrzewania krótko po wszczepieniu implantu i zszyciu rany. Podgrzewając złote nanopręciki, możemy wyeliminować wszelkie bakterie, które mogły osadzić się na protezie podczas operacji" — wskazał Martin Andersson.

"Jeśli kilka ludzkich komórek zostanie zniszczonych podczas procesu ogrzewania NIR, organizm szybko regeneruje nowe, więc wpływ na gojenie jest minimalny" — mówi.

Technologia wykorzystująca złote nanopręciki podgrzewane za pomocą bliskiej podczerwieni była już wcześniej badana w odniesieniu do zwalczania nowotworów, jednak grupa badawcza z Chalmers jako pierwsza wykorzystała ją do stworzenia antybakteryjnej powierzchni implantów z dużą precyzją i kontrolą.(PAP)

Paweł Wernicki

pmw/ zan/