智能外科植入物涂层在预防感染的同时提供早期故障警告

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员报告说，新开发的用于外科骨科植入物的“智能”涂层可以监测设备上的应变，以提供植入物故障的早期预警，同时杀死引起感染的细菌。这些涂层将柔性传感器与受蜻蜓和蝉翅膀启发的纳米结构抗菌表面集成在一起。

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校开发的骨科植入物上的智能涂层，一侧有杀菌纳米柱，另一侧有应变映射柔性电子设备。这可以帮助医生指导患者康复，并在设备出现故障前对其进行维修或更换。

在一项新研究中，一个多学科研究小组发现，这些涂层可以防止活老鼠感染，并绘制出应用于绵羊脊柱的商业植入物的应变图，以警告各种植入物或愈合失败。

“这是受生物启发的纳米材料设计与柔性电子产品的结合，以解决复杂的长期生物医学问题，”研究负责人、伊利诺伊大学材料科学与工程教授 Qing Cao 说。

Cao 说，感染和设备故障都是骨科植入物的主要问题，每个问题都会影响多达 10% 的患者。已经尝试了几种对抗感染的方法，但都有严重的局限性，他说：生物膜仍然可以在防水表面上形成，含有抗生素化学物质或药物的涂层会在几个月内耗尽，并对周围环境产生毒性作用对细菌性病原体的耐药菌株几乎没有疗效的组织。

伊利诺斯州的团队从蝉和蜻蜓的天然抗菌翅膀中汲取灵感，创造了一种薄箔，上面有纳米级柱状图案，就像在昆虫翅膀上发现的那样。当细菌细胞试图与箔结合时，柱子会刺穿细胞壁，将其杀死。

这些设备将受昆虫启发的纳米结构箔与高度敏感的柔性电子设备结合在一起。在这里，设备原型应用于市售的脊柱植入物，并展示在脊柱模型上。

“使用机械方法杀死细菌使我们能够绕过化学方法的许多问题，同时仍然为我们提供了将涂层应用于植入物表面所需的灵活性，”该研究的合著者病理生物学教授 Gee Lau 说。

在纳米结构箔的背面，它与植入装置接触，研究人员集成了高灵敏度、灵活的电子传感器阵列来监测应变。研究人员说，这可以帮助医生观察个别患者的康复进展，指导他们的康复以缩短恢复时间并最大限度地降低风险，并在设备达到故障点之前对其进行维修或更换。

工程小组随后与兽医临床医学教授 Annette McCoy 合作测试他们的原型设备。他们将箔片植入活小鼠体内并监测它们是否有任何感染迹象，即使在引入细菌时也是如此。他们还将涂层应用于市售的脊柱植入物，并在正常负载下监测绵羊脊柱植入物的应变，以进行设备故障诊断。涂层很好地发挥了这两种功能。

Cao 说，原型电子设备需要电线，但研究人员下一步计划为其涂层开发无线电力和数据通信接口，这是临床应用的关键一步。他们还致力于开发纳米柱纹理杀菌箔的大规模生产。

“这些类型的抗菌涂层有很多潜在的应用，而且由于我们使用的是机械机制，它有可能用于化学物质或重金属离子——现在用于商业抗菌涂层——会有害的地方，”Cao 说。