Revestimientos de implantes quirúrgicos inteligentes advierten sobre fallas tempranas del dispositivo y previenen infecciones

Las infecciones de implantes ortopédicos y la falla del dispositivo plantean desafíos importantes, que afectan hasta al 10 % de los pacientes. Los métodos existentes para combatir las infecciones tienen importantes inconvenientes, ya que se pueden formar biopelículas en las superficies repelentes al agua y los recubrimientos cargados de antibióticos tienen efectos tóxicos en el tejido circundante con una eficacia limitada contra las bacterias resistentes a los medicamentos. Ahora, los revestimientos "inteligentes" recientemente desarrollados para implantes ortopédicos pueden proporcionar advertencias tempranas de fallas en el dispositivo al tiempo que eliminan las bacterias que causan infecciones.

Un equipo multidisciplinario de investigadores de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign (Champaign, IL, EUA) ha creado recubrimientos que integran sensores flexibles con una superficie antibacteriana nanoestructurada, inspirados en las alas de las libélulas y las cigarras. Estos revestimientos inteligentes cuentan con nanopilares que destruyen las bacterias en un lado y componentes electrónicos flexibles de mapeo de tensión en el otro, lo que podría ayudar a los médicos a monitorear la rehabilitación del paciente y abordar los problemas del dispositivo antes de que ocurra una falla. El estudio del equipo mostró una prevención exitosa de infecciones en ratones vivos y la capacidad de proporcionar advertencias tempranas de fallas del implante o en la curación en experimentos con columnas vertebrales de ovejas.

El equipo desarrolló una lámina delgada, modelada con pilares a nanoescala que se asemejan a los de las alas de cigarra y libélula, que perforan y matan de manera efectiva las células bacterianas que intentan unirse a la lámina. Se integraron sensores electrónicos flexibles en la parte posterior de la lámina para controlar la tensión, lo que ayuda a los médicos a hacer seguimiento de la curación del paciente, optimizar la rehabilitación e identificar problemas del dispositivo antes de que ocurra una falla.

Para evaluar sus prototipos, los investigadores implantaron las láminas en ratones vivos y no observaron signos de infección incluso cuando se introdujeron bacterias. Además, aplicaron los recubrimientos a implantes de columna vertebral comerciales en columnas de ovejas y monitorearon con éxito la tensión para el diagnóstico de fallas del dispositivo. Los prototipos actuales se basan en la electrónica por cable; sin embargo, los investigadores planean desarrollar interfaces inalámbricas de comunicación de energía y datos para uso clínico. También están trabajando para aumentar la producción de la lámina texturizada con nanopilares que elimina las bacterias.

"Esta es una combinación de diseño de nanomaterial bioinspirado con electrónica flexible para combatir un problema biomédico complicado de largo plazo", dijo el líder del estudio Qing Cao, profesor de ciencia e ingeniería de materiales de la U. de I. “Estos tipos de recubrimientos antibacterianos tienen muchas aplicaciones potenciales y, dado que el nuestro utiliza un mecanismo mecánico, tiene potencial para lugares donde los productos químicos o los iones de metales pesados, como se usan ahora en los recubrimientos antimicrobianos comerciales, serían perjudiciales”.