Die an der University of Illinois Urbana-Champaign entwickelten intelligenten...
Die an der University of Illinois Urbana-Champaign entwickelten intelligenten Beschichtungen auf orthopädischen Implantaten verfügen über bakterientötende Nanosäulen und über eine flexible Elektronik zur Erfassung von Belastungen. Dies könnte Ärzten helfen, die Rehabilitation von Patienten zu steuern und Geräte zu reparieren oder zu ersetzen, bevor sie versagen.

Bildquelle: University of Illinois; Beckman Imaging Technology Group

News • Neuartige Beschichtung entwickelt

"Smartes" Implantat meldet sich, bevor es versagt

Eine multifunktionale Beschichtung der University of Illinois soll Entzündungen und andere Probleme im Zusammenhang mit Implantaten - etwa Wirbelkörper aus Kunststoff - verhindern.

Sie enthalten Dehnungssensoren sowie Stacheln im Nanoformat. Die Sensoren melden frühzeitig, wenn das Implantat zu versagen droht, sodass es rechtzeitig ersetzt werden kann. Die winzigen Stacheln bohren sich durch die Zellwände von Bakterien, wenn diese versuchen anzudocken, um etwa eine Entzündung auszulösen, sodass sie absterben. 

Die US-Wissenschaftler stellen die Beschichtung im Fachjournal Science Advances vor

Die Verwendung eines mechanischen Ansatzes zur Abtötung von Bakterien verhindert Nebenwirkungen, wie sie bei chemischen Ansätzen auftreten können. Gleichzeitig bleibt die nötige Flexibilität erhalten

Gee Lau

"Es ist eine Kombination aus bioinspiriertem Nanomaterial-Design mit flexibler Elektronik, um ein kompliziertes, langfristiges biomedizinisches Problem zu bekämpfen", sagt Entwicklungsleiter Qing Cao von der University of Illinois. "Die Verwendung eines mechanischen Ansatzes zur Abtötung von Bakterien verhindert Nebenwirkungen, wie sie bei chemischen Ansätzen auftreten können. Gleichzeitig bleibt die nötige Flexibilität erhalten", ergänzt Pathobiologie-Professor Gee Lau. 

Die Sensoren informieren den behandelnden Arzt zudem, den Heilungsfortschritt des Patienten zu beobachten und seine Rehabilitation zu optimieren, um die Genesungszeit zu verkürzen. Die Ingenieure haben sich mit Forscherin Annette McCoy zusammengetan, um die Prototypen zu testen. Sie hat die Folien in lebende Mäuse implantiert und sie auf Anzeichen einer Infektion überwacht, die sie durch Injektion von Bakterien herbeizuführen versuchten. Sie brachten die Beschichtungen auch auf kommerziell erhältliche Wirbelsäulenimplantate auf und screenten die Belastung der Implantate in den Wirbelsäulen von Schafen unter normaler Belastung mit Blick auf ein mögliches Versagen. Die Beschichtungen erfüllten beide Aufgaben.

Photo
Die Geräte kombinieren von Insekten inspirierte nanostrukturierte Folien mit hochempfindlicher flexibler Elektronik. Hier werden die Prototypen der Geräte auf handelsübliche Wirbelsäulenimplantate aufgebracht und an einem Wirbelsäulenmodell dargestellt.

Bildquelle: University of Illinois; Foto: Yi Zhang

Die Prototypen wurden von außen über Kabel mit Strom versorgt. Auf die gleiche Art wurden auch die Sensordaten ausgeschleust. Das ist für einen praktischen Einsatz bei Menschen keine tragbare Lösung. Deshalb arbeiten die Ingenieure jetzt daran, die Sensoren ohne Kabel mit Energie zu versorgen und die Daten berührungslos auszulesen. 

Sowohl Infektionen als auch Geräteversagen sind große Probleme bei orthopädischen Implantaten. Jeder zehnte Patient ist davon betroffen. Bisher getestete Lösungen haben allerdings keinen Bestand, etwa die Beschichtung der Implantate mit antibakteriellen Medikamenten. Die verlieren nach einer gewissen Zeit an Wirkung. 


Quelle: University of Illinois/pressetext

09.05.2023

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