伊利诺伊大学新开发了一种用于外科骨科植入物的"智能"涂层，这种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。这项研究成果将减小骨科移植物对患者造成的假体周围感染和器械故障影响。

随着骨科植入物流行，假体感染被人们所重视

随着人口老龄化，骨科植入物的流行率正在上升。这些患者容易受到假体周围感染和器械故障的影响，感染和设备故障都是骨科植入物的主要问题，每种都会影响多达10%的患者。在植入物表面涂上亲水性分子或群体感应抑制剂可以阻止细菌黏附，但一旦少数细菌设法附着，这一策略就变得无效，最终将发展成抗药性生物膜。

研究人员已经尝试了几种对抗感染的方法，但都有严重的局限性。伊利诺伊大学材料科学与工程教授Qing Cao说：“生物膜仍然可以在防水表面上形成，载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影响对细菌性病原体的耐药菌株几乎没有疗效的组织。”

新型抗菌涂层能降低细菌感染风险并预警植入物故障

美国研究机构从蜻蜓和蝉的翅膀获得灵感，研发出一种智能涂层，兼容现有商用骨科植入物，既可降低细菌感染风险，又能预警植入物故障。

伊利诺伊大学厄巴纳-尚佩恩分校研究人员在美国《科学进展》杂志5日刊载的论文中介绍，他们从蝉和蜻蜓的“天然抗菌翅膀”中获得灵感，

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。与抗生素涂层相比，这种涂层不会直接释放任何化学物质，从而避免产生耐药性或毒副作用。

“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QingCao 说。

涂层的故障预警功能

涂层的另一面，即与植入物接触的那一面是高灵敏度的柔性电子传感器阵列，可监测压力变化。依据研究人员说法，这种传感器阵列不仅有助于医生监测患者康复进展，还能在植入物发生故障前发出预警，提醒及时修复或更换。

依据研究人员说法，感染和器械故障是骨科植入物常见的两种风险。其中，植入物周围感染会影响1%至10%的手术患者，是骨科手术早期失败的最常见原因。还有超过10%的患者会出现由植入物故障引发的并发症，而这些并发症目前主要通过X射线或骨扫描成像诊断，检测手段滞后且灵敏度有限。相比之下，新研发的智能涂层能够直接实时监测植入物变化，为早期诊断和干预提供依据。

涂层防感染功能的实现

双功能智能涂层箔设计的第一个关键因素是定义在柔性聚合物基底上的仿生物机械杀菌纳米柱阵列。模仿某些昆虫翅膀表面的纳米突起的纳米柱阵列可以通过变形和穿透细胞膜在接触时杀死微生物。在这里，结合自上而下和自下而上的纳米加工，以制备大面积、高纵横比的聚合物-纳米柱阵列，其几何形状可精确调整，有助于实现并论证最佳仿生设计。这个过程首先是用单分散的聚苯乙烯纳米球制作一个晶圆规模的胶体晶体掩模。氧气等离子体蚀刻缩小了纳米球的尺寸，并创造了均匀的间隙。然后一揽子沉积金属膜，接着去除纳米球，以确定一个有孔的掩模，用于随后的深硅反应-离子蚀刻（RIE），以创造具有垂直侧壁的高宽比孔。在将聚酰胺涂在该模板上后，真空退火将低聚物转化为交联的聚酰亚胺，该聚酰亚胺可以从模板上剥离下来，成为独立的柔性薄膜，其表面具有高密度的纳米柱阵列。在这个过程中，纳米柱的间距、直径和高度分别通过调整聚苯乙烯的直径、氧RIE时间和深硅RIE的蚀刻周期数来独立和精确地控制。

这种合理的最佳仿生设计确保了一个高效和广谱的抗菌表面。它几乎消除了所有有活力的大肠杆菌和铜绿假单胞菌，这两种最常见的革兰氏阴性微生物牵涉到骨科植入物的感染，以及约99%的金黄色葡萄球菌，这包括多达三分之二的鼻腔感染的病原体，与作为内部对照的平面箔相比。在营养丰富的环境中培养48小时后，这种高杀菌效力能够成功防止细菌生物膜的形成。尽管这些聚合物纳米柱阵列具有广谱性和高抗菌功效，但在48小时的培养后，它们对来自骨骼、皮肤和肌肉的哺乳动物细胞系没有毒性。

涂层的防感染能力测试

为测试原型装置，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检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，并监测正常负载下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。

目前这种原型装置需要连接电线。研究人员说，他们下一步计划开发出无线电源和数据通信接口，这是临床应用的关键一步。与此同时，研究人员致力于实现纳米柱结构杀菌涂层的大规模生产。

研究总结

该研究设计并制造了一种智能涂层薄膜，它具有优化的仿生机械抗菌纳米结构，以防止假体周围的植入物感染，并具有多路应变传感系统，以连续监测植入物的生物力学，对仪器故障进行预防性诊断，并将其整合在一个灵活的外形尺寸中。在商用骨科植入物的表面上应用薄膜，(1)在体外和体内的临床前感染模型中实现了>99%的细菌清除，(2)提供了保形和高空间分辨率的主动矩阵应变图，以敏感地检测早期骨融合和植入物松动，这在体外绵羊后外侧融合模型中得到了验证，而无需修改植入物的内部结构。双重功能的整合解决了败血症和无菌性骨科故障，使护理标准和病人结果得到改善。在未来的探索中，这些设备可能对其他医疗植入物很有价值，例如血管内导管和气管内导管，在这些地方，预防鼻腔感染和监测机械变形也很关键。该研究的一个局限性是，在小鼠模型中进行了所有的体内研究，这并不能完全捕捉到宿主-病原体相互作用和人类免疫反应的关键方面。然后，生物力学诊断在体外绵羊模型中得到了验证，虽然在本研究中使用的腰部区域，绵羊和人类的椎体最为相似，但与人类脊柱相比，在尺寸上有很大差异。

文章来源： 北京日报客户端，健康谈古论今，材料科学前沿