Microparticule inovatoare îmbunătățesc îndepărtarea biofilmelor din răni și instrumente chirurgicale
Microparticule recent dezvoltate pot infiltra matricele bacteriene persistente și elibera bule mici de oxigen pentru a curăța suprafețele și rănile mai eficient decât peroxidul de hidrogen sau alți agenți de curățare, conform unui raport al cercetătorilor de la Universitatea din Illinois Urbana-Champaign.
În două studii, aceștia au demonstrat capacitatea particulelor generatoare de bule de a curăța biofilmele tenace de pe instrumentele chirurgicale și, atunci când sunt încorporate în bandaje, de a curăța rănile infectate și de a accelera vindecarea.
„Biofilmurile sunt o matrice densă de celule bacteriene și proteine. Deși agenții de sterilizare pot omorî bacteriile, matricea le protejează, făcându-le mult mai greu de tratat sau curățat chimic. De exemplu, peroxidul de hidrogen a fost utilizat timp de secole, dar curăță doar suprafața și nu pătrunde în film”, a declarat Hyunjoon Kong. „Noi adoptăm o abordare mecanică: particulele noastre se infiltrează în biofilm și apoi generează bule în interiorul matricei, perturbând-o.”
Grupul lui Kong a dezvoltat cilindri mici din biosilica acoperiți cu dioxid de mangan, un catalizator care eliberează bule mici de oxigen atunci când este expus unei soluții de peroxid de hidrogen. Bulele se acumulează în interiorul cilindrului gol, apoi sunt eliberate, propulsând microparticulele și mai adânc în matrice, unde continuă să producă bule, a explicat studentul absolvent Joo Hun Lee.
Cercetătorii au observat formarea și ruperea bulelor, mișcarea particulelor și dispersarea biofilmului folosind camere cu viteză mare și tomografie cu coerență optică, în colaborare cu Stephen Boppart.
În prima lucrare, publicată în revista ACS Applied Materials and Interfaces, cercetătorii au demonstrat abilitatea microparticulelor de a curăța biofilmele persistente de pe instrumentele chirurgicale. Metoda standard de curățare a uneltelor chirurgicale implică utilizarea detergenților enzimatice combinați cu autoclave, un proces care folosește abur la temperaturi și presiuni ridicate, dar biofilmurile se pot lipi tenace de crăpăturile sau striațiile uneltelor.
Grupul din Illinois a comparat biofilmele rămase în striațiile instrumentelor chirurgicale după protocolul tipic cu cele rămase după tratamentul cu microparticule. Au constatat o eficiență similară sau mai bună cu microparticulele. De asemenea, curățarea prin microparticule poate fi combinată cu autoclave, a adăugat Kong.
„Am observat o reducere de cinci ori a biofilmului rămas cu particulele noastre la temperaturi mai ridicate. În plus, am constatat că în dinții forcepsului – un instrument chirurgical model – surfactantul enzimatic nu pătrunde ușor în zonele înguste și nu poate îndepărta filmul bacterian din acele zone. Dar cu sistemul nostru de particule, am reușit să îndepărtăm filmele din acele spații. Este o diferență uriașă”, a spus Kong.
În cea de-a doua lucrare, publicată în revista Advanced Science, cercetătorii au încorporat microparticulele în bandaje pentru a trata răni persistente, un alt loc unde biofilmele se formează frecvent.
„Rănile cronice afectează milioane de pacienți, inclusiv aproximativ 10,5 milioane de beneficiari Medicare în Statele Unite, iar biofilmurile se găsesc în 60-80% din rănile cronice”, a menționat Kong.
Cercetătorii au integrat microparticulele în bandaje sub o plasă care eliberează constant peroxid de hidrogen, activând particulele. Aceștia au numit asamblarea bandajului „bandaj microexploziv”, deoarece localizează generarea microbulelor la nivelul rănii, bombardând continuu suprafața rănii cu bule mici de curățare, a spus Yujin Ahn.
La fel ca în cazul instrumentelor chirurgicale, microparticulele și bulele generate au dislocat biofilmele complexe de pe suprafața rănii. Pe rănile de șoarece cu filme rezistente la antibiotice, frecvent întâlnite la pacienții umani, bandajul microexploziv a redus semnificativ biofilmul prezent și a accelerat vindecarea, cu inflamație redusă și regenerare a pielii și părului.
„Legea centrală a acestui lucru este că rănile rezistente la tratament pot fi înțelese ca o problemă de biofilm”, a afirmat Kong. „Matricele dense de biofilm polimicrobiale limitează penetrarea medicamentelor și protejează bacteriile de terapie. Prin confinarea generatorilor de bule auto-propulsate sub o plasă care eliberează peroxid de hidrogen, eliminăm bariera biofilmului, îmbunătățind eficacitatea antibioticelor și reducând inflamația în timpul vindecării.”
Următorii pași pentru cercetători includ testarea tehnologiei microparticulelor pentru curățarea endoscoapelor chirurgicale, unde tuburile interioare goale sunt foarte greu de curățat, precum și aplicarea bandajelor pe răni cronice la animale mari. Echipa a obținut și un brevet pentru tehnologia de microparticule generatoare de bule și colaborează cu parteneri pentru a explora fabricarea la scară mai mare.
„Considerăm că aceasta are multe aplicații, atât clinice, cât și industriale. Biofilmurile se formează în multe locuri, iar aceasta este o tehnologie care le poate perturba mecanic fără substanțe chimice dure sau echipamente speciale”, a concluzionat Kong.
