随着人口老龄化,骨科植入物应用渐多,患者会面临一定程度的植入物周围感染和器械故障风险。美国研究机构从蜻蜓和蝉的翅膀获得灵感,研发出一种智能涂层,兼容现有商用骨科植入物,既可降低细菌感染风险,又能预警植入物故障。
2019年8月1日,在缅甸仰光,一只蜻蜓停在一朵含苞待放的荷花上。新华社发(吴昂摄)
伊利诺伊大学厄巴纳-尚佩恩分校研究人员在美国《科学进展》杂志5日刊载的论文中介绍,他们从蝉和蜻蜓的“天然抗菌翅膀”中获得灵感,制造出一种非常薄的涂层。它的一面是模仿昆虫翅膀表面的一排排纳米柱,可穿透细胞膜杀死微生物。与抗生素涂层相比,这种涂层不会直接释放任何化学物质,从而避免产生耐药性或毒副作用。
涂层的另一面,即与植入物接触的那一面是高灵敏度的柔性电子传感器阵列,可监测压力变化。依据研究人员说法,这种传感器阵列不仅有助于医生监测患者康复进展,还能在植入物发生故障前发出预警,提醒及时修复或更换。
依据研究人员说法,感染和器械故障是骨科植入物常见的两种风险。其中,植入物周围感染会影响1%至10%的手术患者,是骨科手术早期失败的最常见原因。还有超过10%的患者会出现由植入物故障引发的并发症,而这些并发症目前主要通过X射线或骨扫描成像诊断,检测手段滞后且灵敏度有限。相比之下,新研发的智能涂层能够直接实时监测植入物变化,为早期诊断和干预提供依据。
为测试原型装置,研究人员在老鼠体内植入涂层,发现它在抗菌方面表现良好,且具有长期稳定性,同时能够防止体液渗透,具有较好的应变传感能力。他们还在脊柱植入物表面使用这种涂层,然后植入绵羊体内,确认它在故障诊断方面也发挥出色。
目前这种原型装置需要连接电线。研究人员说,他们下一步计划开发出无线电源和数据通信接口,这是临床应用的关键一步。与此同时,研究人员致力于实现纳米柱结构杀菌涂层的大规模生产。