光和納米技術可防止醫(yī)療植入物上的細菌感染

大約50年前發(fā)明的外科醫(yī)療網(wǎng)已成為受損組織手術恢復過程中的關鍵因素，最常見的是疝氣修復。當植入患者組織內(nèi)時，這些網(wǎng)狀物的柔性和適形設計可牢固地保持肌肉，并且比傳統(tǒng)的縫合和縫合外科手術更快恢復。

然而，在患者體內(nèi)插入醫(yī)用植入物會帶來手術期間細菌污染的風險，并隨后在外科網(wǎng)狀物表面上形成感染性生物膜。這種生物膜傾向于像塑料涂層一樣起作用，防止任何種類的抗生素劑到達并攻擊膜上形成的細菌以阻止感染。因此，有時間限制的抗生素療法可以抵抗超級抗性細菌，并且患者可能最終導致可能導致死亡的反復或永無止境的外科手術。事實上，根據(jù)歐洲抗菌藥物耐藥監(jiān)測網(wǎng)絡(EARS-Net)，2015年，歐洲超過30,000人死于抗生素抗性細菌感染。

醫(yī)生在手術過程中使用了幾種方法來預防植入物污染。已經(jīng)建立并實施了術后無菌方案以對抗這些抗生素抗性細菌，但沒有一個完全履行解決該問題的作用。

在最近發(fā)表于Nano Letters并在Nature Photonics中發(fā)表的一項研究中，ICFO研究人員Ignacio de Miguel博士，Arantxa Albornoz博士，由ICREA教授在ICFO Romain Quidant領導，與研究人員Irene Prieto，Vanesa Sanz博士，Christine博士合作來自B. Braun 醫(yī)療設備和制藥設備公司的Weis和Pau Turon博士設計了一種新技術，該技術使用納米技術和光子學來顯著提高外科植入物醫(yī)療網(wǎng)的性能。

自2012年以來，ICFO和B. Braun Surgical，SA的研究團隊合作開發(fā)了一種具有特殊功能的醫(yī)用網(wǎng)狀物：網(wǎng)狀物的表面經(jīng)過化學改性以固定數(shù)百萬個金納米顆粒。為什么?因為已經(jīng)證明金納米粒子在局部區(qū)域高效地將光轉(zhuǎn)化為熱量。

在先前的研究中已經(jīng)在癌癥治療中測試了在光熱轉(zhuǎn)換過程中使用金納米顆粒的技術。據(jù)了解，全世界每年都有超過2000萬次疝氣修復手術，研究人員相信這種方法可以降低復發(fā)手術中的醫(yī)療費用，同時消除目前用于解決這一問題的昂貴且無效的抗生素治療方法。

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因此，在他們的體外實驗和徹底的過程中，研究小組用數(shù)百萬個金納米粒子涂覆手術網(wǎng)，將它們均勻地鋪展在整個結構上。他們測試了網(wǎng)狀物，以確保顆粒的長期穩(wěn)定性，材料的不降解，以及納米顆粒不會分離或釋放到周圍環(huán)境(燒瓶)中。他們能夠使用掃描電子顯微鏡觀察納米顆粒在結構上的均勻分布。

一旦修改過的網(wǎng)狀物準備就緒，研究小組將其暴露于金黃色葡萄球菌細菌24小時，直到他們觀察到表面形成生物膜。隨后，他們開始在30秒內(nèi)將網(wǎng)狀物暴露于近紅外光(800nm)的短而強的脈沖以確保達到熱平衡，然后在每次脈沖之間以4秒的休息間隔重復該處理20次。

他們發(fā)現(xiàn)了以下內(nèi)容：首先，他們看到以特定頻率照射網(wǎng)格會在納米粒子中引起局部表面等離子體共振 - 這種模式導致光有效地轉(zhuǎn)化為熱量，燃燒表面上的細菌。

其次，通過使用熒光共聚焦顯微鏡，他們觀察了有多少細菌死亡或仍然存活。他們觀察到剩余的生物膜細菌成為浮游細胞，恢復了它們對抗生素治療和免疫系統(tǒng)反應的敏感性或弱點。他們觀察到，當增加傳遞到網(wǎng)狀物表面的光量時，死細菌將失去其粘附性并從表面剝離。

第三，他們證實在近紅外光范圍內(nèi)操作與體內(nèi)設置完全兼容，這意味著這種技術很可能不會損害周圍的健康組織。最后，他們重復處理并確認網(wǎng)格的反復加熱并未影響其轉(zhuǎn)換效率能力。

ICREA ICFO教授Romain Quidant說：“這項研究的結果為利用等離子體納米技術防止外科植入物表面形成細菌生物膜鋪平了道路。仍有幾個問題需要解決，但重要的是強調(diào)這種技術確實意味著手術程序的根本改變和患者術后的進一步恢復。“

B. Braun Surgical研究與開發(fā)總監(jiān)Pau Turon博士說：“我們致力于幫助醫(yī)療保健專業(yè)人員避免醫(yī)院相關感染，這促使我們制定新的策略來對抗細菌和生物膜。此外，研究團隊正在探索將此類技術擴展到必須避免生物膜的其他部門。“