Le sostituzioni articolari sono tra gli interventi chirurgici elettivi più comuni, ma circa un paziente su 100 soffre di infezioni post-chirurgiche, trasformando una procedura di routine in un calvario costoso e pericoloso. Ora, i ricercatori dello Stevens Institute of Technology hanno sviluppato una "superficie autodifensiva" per questi impianti che rilasciano microdosi mirate di antibiotici quando i batteri si avvicinano, potenzialmente riducendo drasticamente i tassi di infezione.
Il lavoro, guidato da Matteo Libera, professore di scienza dei materiali a Stevens, descrive un metodo per rivestire le superfici degli impianti con un reticolo di microgel:macchie, ciascuna 100 volte più piccola del diametro di un capello umano, in grado di assorbire determinati antibiotici. Il comportamento dei microgel è regolato da cariche elettriche, e l'attività elettrica di un microbo in avvicinamento provoca la perdita di antibiotici, impedendo alle infezioni di attecchire.
I microgel possono essere applicati a un'ampia gamma di dispositivi medici, comprese le valvole cardiache, impalcature di tessuti, e persino suture chirurgiche, e con il mercato delle sole protesi d'anca che si prevede raggiungerà i 9,1 miliardi di dollari entro il 2024, la tecnologia ha un potenziale commerciale significativo. L'esercito degli Stati Uniti, che ha contribuito a finanziare la ricerca, è anche interessato a distribuire la tecnologia negli ospedali da campo, dove le infezioni si verificano attualmente in un quarto delle lesioni da combattimento.
"Il potenziale impatto per i pazienti, e per il sistema sanitario, è tremendo, " disse Libera, che presiede la Conferenza di Stevens sulle interazioni batteri-materiali. Il candidato al dottorato di Stevens Jing Liang e il professore di ingegneria biomedica Hongjun Wang hanno collaborato allo studio, che appare sul giornale Biomateriali .
Le infezioni post-chirurgiche sono difficili da battere perché quando i microbi colonizzano le superfici, formano strati resistenti agli antibiotici chiamati biofilm. Libera e la sua squadra interrompono questo ciclo uccidendo i microbi prima che possano prendere piede. "Basta un batterio per causare un'infezione, " disse Libera. "Ma se possiamo prevenire l'infezione fino a quando la guarigione non sarà completa, allora il corpo può prendere il sopravvento."
A differenza dei trattamenti convenzionali che inondano tutto il corpo di antibiotici, l'approccio del team di Stevens è altamente mirato, rilasciando piccole quantità di antibiotici per uccidere i singoli batteri. Ciò riduce drasticamente le pressioni selettive che danno origine a "superbatteri" resistenti agli antibiotici, un grande miglioramento sia rispetto ai trattamenti sistemici che agli approcci locali come la miscelazione di antibiotici nel cemento osseo, rilasciando ordini di grandezza in meno di antibiotici nel sistema del paziente.
Altre superfici di autodifesa attualmente in fase di sviluppo si affidano ai sottoprodotti metabolici dei microbi per innescare il rilascio di antibiotici, un approccio meno sicuro rispetto al metodo di Libera, che può uccidere anche i batteri dormienti. I microgel del team sono anche notevolmente resistenti, sopravvivendo alla sterilizzazione con etanolo e rimanendo stabile per settimane alla volta. I microgel rispondono anche in modo appropriato ai tessuti umani, mantenendo il loro carico antibiotico fino a quando non è necessario e promuovendo una crescita ossea sana intorno alle superfici trattate.
Per applicare microgel a un dispositivo medico come un'articolazione del ginocchio, i chirurghi potrebbero immergere il dispositivo in un bagno appositamente preparato per alcuni secondi; una breve immersione in un secondo bagno caricherebbe quindi i microgel con antibiotici. In teoria, i chirurghi possono preparare dispositivi su richiesta, immediatamente prima di impiantarli, utilizzando antibiotici adattati ai fattori di rischio specifici di un paziente.
Finora l'approccio è stato testato in vitro, e il team sta ancora lavorando per mettere a punto i microgel e consentire loro di fornire una gamma più ampia di antibiotici. Garantire l'approvazione dalla Food and Drug Administration degli Stati Uniti sarà complicato, data la natura innovativa della tecnologia, ma il team di Libera sta lavorando con partner del settore per pianificare ulteriori dimostrazioni.
