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  • Il rivestimento in nanofibre previene le infezioni delle articolazioni protesiche

    Un impianto in titanio (blu) senza rivestimento in nanofibra nel femore di un topo. I batteri sono mostrati in rosso e le cellule immunitarie che rispondono in giallo. Credito:Lloyd Miller/Johns Hopkins Medicine

    In uno studio di prova con i topi, gli scienziati della Johns Hopkins University mostrano che un nuovo rivestimento realizzato con nanofibre a rilascio di antibiotici ha il potenziale per prevenire meglio almeno alcune gravi infezioni batteriche legate alla chirurgia sostitutiva totale dell'articolazione.

    Una relazione sullo studio, pubblicato online la settimana del 24 ottobre in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , è stata condotta sulle articolazioni del ginocchio dei roditori, ma, dicono i ricercatori, la tecnologia avrebbe "ampia applicabilità" nell'uso di protesi ortopediche, come protesi totali di anca e ginocchio, anche pacemaker, stent e altri dispositivi medici impiantabili. A differenza di altri rivestimenti in fase di sviluppo, i ricercatori riferiscono che il nuovo materiale può rilasciare più antibiotici in un modo strategicamente programmato per un effetto ottimale.

    "Possiamo potenzialmente rivestire qualsiasi impianto metallico che inseriamo nei pazienti, da protesi articolari, canne, viti e placche per pacemaker, defibrillatori impiantabili e hardware dentale, ", afferma il co-autore senior dello studio Lloyd S. Miller, M.D., dottorato di ricerca, professore associato di dermatologia e chirurgia ortopedica presso la Johns Hopkins University School of Medicine.

    I chirurghi e gli ingegneri biomedici hanno cercato per anni modi migliori, compresi i rivestimenti antibiotici, per ridurre il rischio di infezioni che sono una complicanza nota dell'impianto dell'anca artificiale, articolazioni del ginocchio e della spalla.

    Ogni anno negli Stati Uniti, si stima che dall'1 al 2% degli oltre 1 milione di interventi di sostituzione dell'anca e del ginocchio siano seguiti da infezioni legate alla formazione di biofilm, strati di batteri che aderiscono a una superficie, formando un denso, matrice impenetrabile di proteine, zuccheri e DNA. Subito dopo l'intervento, un'infezione acuta provoca gonfiore e arrossamento che spesso possono essere trattati con antibiotici per via endovenosa. Ma in alcune persone, le infezioni croniche di basso grado possono durare per mesi, causando perdita ossea che porta all'allentamento dell'impianto e infine al fallimento della nuova protesi. Queste infezioni sono molto difficili da trattare e, in molti casi di infezione cronica, le protesi devono essere rimosse e i pazienti sottoposti a lunghi cicli di antibiotici prima di poter impiantare una nuova protesi. Il costo per paziente spesso supera i $100, 000 per il trattamento di un'infezione da protesi associata a biofilm, dice Miller.

    Principali svantaggi delle opzioni esistenti per la somministrazione locale di antibiotici, come cemento antibiotico, perline, distanziatori o polvere, durante l'impianto di dispositivi medici sono che in genere possono somministrare solo un antibiotico alla volta e la velocità di rilascio non è ben controllata. Per sviluppare un approccio migliore che affronti questi problemi, Miller ha collaborato con Hai-Quan Mao, dottorato di ricerca, professore di scienza e ingegneria dei materiali presso la Whiting School of Engineering della Johns Hopkins University, e membro dell'Istituto di NanoBioTechnology, Whitaker Biomedical Engineering Institute e Translational Tissue Engineering Center.

    In tre anni, il team si è concentrato sulla progettazione di un sottile, rivestimento in plastica biodegradabile che potrebbe rilasciare più antibiotici a velocità desiderate. Questo rivestimento è composto da una rete di nanofibre annegata in un film sottile; entrambi i componenti sono costituiti da polimeri utilizzati per suture degradabili.

    Per testare la capacità della tecnologia di prevenire l'infezione, i ricercatori hanno caricato il rivestimento in nanofibra con l'antibiotico rifampicina in combinazione con uno degli altri tre antibiotici:vancomicina, daptomicina o linezolid. "La rifampicina ha un'eccellente attività anti-biofilm ma non può essere utilizzata da sola perché i batteri svilupperebbero rapidamente resistenza, " dice Miller. I rivestimenti hanno rilasciato vancomicina, daptomicina o linezolid per 7-14 giorni e rifampicina per 3-5 giorni. "Siamo stati in grado di distribuire due antibiotici contro una potenziale infezione, garantendo al tempo stesso che la rifampicina non fosse mai presente come agente singolo, "dice Miller.

    Il team ha quindi utilizzato ogni combinazione per rivestire i fili di Kirschner in titanio, un tipo di perno utilizzato nella chirurgia ortopedica per fissare l'osso in posizione dopo le fratture del polso, e li ha inseriti nelle articolazioni del ginocchio di topi anestetizzati e ha introdotto un ceppo di Staphylococcus aureus, un batterio che comunemente causa infezioni associate al biofilm negli interventi chirurgici ortopedici. I batteri sono stati progettati per emettere luce, consentendo ai ricercatori di monitorare l'infezione in modo non invasivo nel tempo.

    Miller afferma che dopo 14 giorni di infezione nei topi che hanno ricevuto un rivestimento privo di antibiotici sui perni, tutti i topi avevano batteri abbondanti nel tessuto infetto intorno all'articolazione del ginocchio, e l'80% aveva batteri sulla superficie dell'impianto. In contrasto, dopo lo stesso periodo di tempo nei topi che hanno ricevuto spilli con rivestimento linezolid-rifampin o daptomicina-rifampin, nessuno dei topi aveva batteri rilevabili né sugli impianti né nel tessuto circostante.

    "Siamo stati in grado di sradicare completamente l'infezione con questo rivestimento, " dice Miller. "La maggior parte degli altri approcci riduce solo il numero di batteri ma non previene generalmente o in modo affidabile le infezioni".

    Dopo il test di due settimane, ciascuna delle articolazioni dei roditori e delle ossa adiacenti sono state rimosse per ulteriori studi. Miller e Mao scoprirono che non solo era stata prevenuta l'infezione, ma la perdita ossea spesso osservata vicino alle articolazioni infette, che crea l'allentamento della protesi nei pazienti, era stata completamente evitata anche negli animali che avevano ricevuto spilli con il rivestimento caricato di antibiotici.

    Miller ha sottolineato che sono necessarie ulteriori ricerche per testare l'efficacia e la sicurezza del rivestimento negli esseri umani, e nell'individuare quali pazienti trarrebbero maggior beneficio dal rivestimento:le persone con una precedente infezione articolare della protesi che ricevono una nuova articolazione sostitutiva, Per esempio.

    I polimeri utilizzati per generare il rivestimento in nanofibra sono già stati utilizzati in molti dispositivi approvati dalla Food and Drug Administration degli Stati Uniti, come suture degradabili, placche ossee e sistemi di somministrazione dei farmaci.


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