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#Neues aus der Industrie
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Mikrogele lassen medizinische Implantate Bakterien bekämpfen
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Gelenkersatz gehört zu den häufigsten elektiven Operationen - aber etwa jeder 100. Patient leidet an postoperativen Infektionen, die einen Routineeingriff zu einer teuren und gefährlichen Tortur machen. Jetzt haben Forscher des Stevens Institute of Technology eine "selbstverteidigende Oberfläche" für diese Implantate entwickelt, die bei Annäherung von Bakterien gezielte Mikrodosen von Antibiotika freisetzen und so die Infektionsraten potenziell stark reduzieren.
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Die Arbeit unter der Leitung von Matthew Libera, Professor für Materialwissenschaft an der Universität Stevens, beschreibt ein Verfahren zur Beschichtung von Implantatoberflächen mit einem Gitter aus Mikrogelen: Flecken, die jeweils 100 mal kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares sind und bestimmte Antibiotika aufnehmen können. Das Verhalten der Mikrogele wird durch elektrische Ladungen reguliert, und die elektrische Aktivität einer sich nähernden Mikrobe bewirkt, dass sie Antibiotika austreten lassen und verhindert, dass sich Infektionen festsetzen.
Mikrogele könnten auf eine breite Palette von medizinischen Geräten angewendet werden, darunter Herzklappen, Gewebegerüste und sogar chirurgisches Nahtmaterial - und da der Markt für Hüftimplantate allein bis 2024 auf 9,1 Milliarden Dollar geschätzt wird, hat die Technologie ein erhebliches wirtschaftliches Potenzial. Die US-Armee, die die Forschung mitfinanziert hat, ist auch daran interessiert, die Technologie in Feldkrankenhäusern einzusetzen, wo Infektionen derzeit bei einem Viertel der Kampfverletzungen auftreten.
"Die potenziellen Auswirkungen auf die Patienten und das Gesundheitssystem sind enorm", sagte Libera, die die Stevens Conference on Bacteria-Material Interactions leitet. Stevens Doktorand Jing Liang und der Professor für Biomedizintechnik Hongjun Wang arbeiteten an der Studie mit, die in der Zeitschrift Biomaterials erscheint.
Postoperative Infektionen sind schwer zu bekämpfen, denn wenn Mikroben Oberflächen besiedeln, bilden sie antibiotikaresistente Schichten, sogenannte Biofilme. Libera und sein Team unterbrechen diesen Kreislauf, indem sie Mikroben töten, bevor sie Fuß fassen können. "Es braucht nur ein Bakterium, um eine Infektion zu verursachen", sagte Libera. "Aber wenn wir eine Infektion verhindern können, bis die Heilung abgeschlossen ist, dann kann der Körper sie übernehmen."
Im Gegensatz zu herkömmlichen Behandlungen, die den ganzen Körper mit Antibiotika überfluten, ist der Ansatz des Stevens-Teams sehr zielgerichtet und setzt winzige Mengen an Antibiotika frei, um einzelne Bakterien abzutöten. Das reduziert den selektiven Druck, der zu antibiotikaresistenten "Superbugs" führt, drastisch - eine große Verbesserung gegenüber systemischen Behandlungen und lokalen Ansätzen wie der Mischung von Antibiotika mit Knochenzement und der Freisetzung von um Größenordnungen weniger Antibiotika in das System des Patienten.
Andere selbstverteidigende Oberflächen, die sich derzeit in der Entwicklung befinden, sind auf die Stoffwechselprodukte von Mikroben angewiesen, um die Freisetzung von Antibiotika auszulösen - ein weniger sicherer Ansatz als die Libera-Methode, die selbst ruhende Bakterien abtöten kann. Die Mikrogele des Teams sind zudem bemerkenswert widerstandsfähig, überleben die Ethanolsterilisation und bleiben wochenlang stabil. Mikrogele reagieren auch angemessen auf menschliches Gewebe, behalten ihre antibiotische Wirkung bis zum Bedarf und fördern ein gesundes Knochenwachstum um die behandelten Oberflächen herum.
Um Mikrogele auf ein medizinisches Gerät wie ein Kniegelenk aufzutragen, konnten Chirurgen das Gerät für einige Sekunden in ein speziell vorbereitetes Bad tauchen; ein kurzes Eintauchen in ein zweites Bad würde dann die Mikrogele mit Antibiotika aufladen. Theoretisch könnten Chirurgen Geräte auf Abruf, unmittelbar vor der Implantation, mit Antibiotika herstellen, die auf die spezifischen Risikofaktoren eines Patienten zugeschnitten sind.
Bisher wurde der Ansatz in vitro getestet, und das Team arbeitet noch an der Feinabstimmung der Mikrogele, damit sie eine größere Bandbreite an Antibiotika liefern können. Die Zulassung durch die U.S. Food and Drug Administration wird angesichts des innovativen Charakters der Technologie schwierig sein, aber das Team von Libera arbeitet mit Industriepartnern zusammen, um weitere Demonstrationen zu planen.