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Microgels让治疗植入物抵抗细菌,微凝胶粉末可以

来源:http://www.17930ip.com 作者:威尼斯城所有登入网址 时间:2020-03-13 15:48

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在制作智能胶水的同时,一组工程师发现了一种方便的副产品:过氧化氢。在微凝胶形式中,它可以将细菌和病毒感染的能力降低至少99%。

关节置换术是最常见的选择性手术之一 - 但每100名患者中就有一人患有术后感染,将常规手术变成昂贵且危险的折磨。现在,史蒂文斯理工学院的研究人员为这些植入物开发了一种自我防御表面,当细菌接近时会释放出有针对性的微量抗生素,可能会大大降低感染率。

郝萌的博士项目专注于生物相容性测试,并从贻贝中提取粘性氨基酸。胶水般的儿茶酚显示出对智能粘合剂的希望

由史蒂文斯材料科学教授Matthew Libera领导的这项工作描述了一种用微凝胶晶格涂覆种植体表面的方法:斑点,每个斑点比人类头发的直径小100倍,能够吸收某些抗生素。微凝胶的行为受电荷调节,接近微生物的电活动导致它们泄漏抗生素,防止感染生根。

  • 一小小的电流可以打开和关闭粘性 - 但这不是它唯一的潜在用途。在这个过程中,孟发现化学反应产生了过氧化氢作为氧化副产物,密歇根理工大学生物医学工程副教授和孟博士博士生顾问Bruce Lee说。她开始思考,如果我们可以使用过氧化氢怎么办?答案是肯定的,使这种便携式愈合消毒剂成为可能的技术是Acta Biomaterialia发表的一篇新论文的主题。这项工作汇集了一个跨学科的工程师团队,不仅探索技术发展,而且探索材料的物理和生物特性。共同作者包括生物工程的Caryn Heldt,James和Lorna Mack主席,以及运动机能学和综合生理学系的临时主席Megan Frost,以及生物医学工程副教授和材料科学与工程的附属副教授。

Microgels可应用于各种医疗设备,包括心脏瓣膜,组织支架,甚至手术缝合线 - 并且预计到2024年髋关节植入物的市场预计将达到91亿美元,该技术具有巨大的商业潜力。为该研究提供资金的美国陆军也有兴趣在野战医院部署这项技术,目前在四分之一的战斗伤中感染。

就像Je​​llo

对患者和医疗保健系统的潜在影响是巨大的,史蒂文斯细菌物质相互作用会议主席Libera说。史蒂文斯博士候选人Jing Liang和生物医学工程教授Hongjun Wang合作进行了这项研究,该研究发表在Biomaterials杂志上。

After Meng首次观察到她的反应产生了过氧化氢一样,她开始考虑将副产品放入其中的最佳形式。她想要大量的表面区域来驱动化学反应,她想要一种方法来重复使用这种材料。所以,团队制作了一个微凝胶。凝胶就像果冻一样,李说。它是一个含有大量水分的聚合物网络。就像果冻一样,我们从液体开始,将其固化成一个形状。微凝胶就像果冻的微小气泡。对于肉眼来说,干燥形式是一种不起眼的粉末。将其悬浮在具有中性或微碱性pH的溶液中,例如蒸馏水或盐水溶液如隐形眼镜清洁剂,并且过氧化氢循环开始滚动。留给自己的设备,微米尺寸的微凝胶在四天内产生一至五毫摩尔。一旦微凝胶粉末再次干燥,材料基本上重置,安全地包含在小袋中,并且可以重复使用。它就像一瓶按需消毒剂

手术后感染很难被击败,因为当微生物定植于表面时,它们形成抗生素抗性层,称为生物膜。Libera和他的团队通过杀死微生物来破坏这个循环,然后才能获得立足点。只需要一种细菌就可以引起感染,Libera说。但如果我们可以预防感染直到愈合完成,那么身体可以接管。

  • 没有笨重的瓶子和危险的储存问题。

与传统的治疗方法不同,全身用抗生素治疗,史蒂文斯团队的方法是高度针对性的,释放少量抗生素以杀死个体细菌。这大大降低了产生抗生素抗性超级细菌的选择压力

这是对全身治疗和局部治疗方法的重大改进,例如将抗生素混入骨水泥中,将少量抗生素释放到患者体内。

目前正在开发的其他自卫表面依靠微生物的代谢副产物来触发抗生素的释放 - 这种方法比Libera的方法更不可靠,这种方法甚至可以杀死休眠的细菌。该团队的微凝胶也非常有弹性,能够存活乙醇,并且可以保持稳定数周。Microgels还对人体组织做出适当的反应,保留其抗生素负荷直至需要,并促进治疗表面周围健康的骨骼生长。

为了将微凝胶应用于诸如膝关节的医疗装置,外科医生可以将装置在特制的浴中浸泡几秒钟;然后在第二浴中短暂浸泡,然后用抗生素给微凝胶充电。从理论上讲,外科医生可以在植入之前立即按需制备设备,使用针对患者特定风险因素的抗生素。

到目前为止,该方法已在体外进行了测试,该团队仍在努力微调微凝胶并使其能够提供更广泛的抗生素。鉴于该技术的创新性,获得美国食品药品管理局的批准将是棘手的,但Libera的团队正在与行业合作伙伴一起计划进一步的示范。

抗菌和抗病毒

药柜中标志性棕色瓶子的灵感并没有从实验室开始;身体自然产生过氧化氢,以帮助愈合切割,该物质已广泛用于药物杀死细菌甚至病毒。由于微凝胶粉末继续产生和释放过氧化氢,其效力仍然很高,特别是与老式棉球技术相比。该团队研究了微凝胶对两种常见细菌菌株和两种结构不同病毒的影响。这包括薄壁和革兰氏阳性表皮葡萄球菌,以及更难以穿透和革兰氏阴性的大肠埃希氏菌(大肠杆菌))。他们还研究了极其抗性的无包膜猪细小病毒(PPV),并且更容易灭活包膜的牛病毒性腹泻病毒(BVDV)。由于PPV周围的硬蛋白质外壳使其和其他无包膜病毒对杀菌剂更具抗性,因此该团队惊喜地发现微凝胶仍然将病毒感染细胞的能力降低了99.9%。(从技术角度来说,这是感染性的三个对数减少值。)对于BVDV,他们观察到感染性降低了99.999%。

从露营到战场

可能性几乎是无穷无尽的。只要一个小包可以去,这项技术也可以。无论是偏远地区的旅行,空间站,远程诊所还是战区,预防感染的一点点治疗都可以有很长的路要走。虽然Lee和他的团队表示该技术尚未为亚马逊Prime做好准备,但他们希望这项工作能够为各种应用带来希望,甚至可能具有抗生素抗性。我们还没有检测过任何抗生素抗性细菌菌株,但我们越是放弃首先使用抗生素,就越好,Lee说。还有很多工作要做。我们想要证明它在什么条件下促进愈合以及细胞如何对它作出反应。高浓度的过氧化氢也可以杀死细胞,所以我们需要有一个平衡,不同的变化细胞类型。

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