Nieuwe gouden nanostaafjestechnologie kan bacteriën bakken om implantaten te steriliseren

Nieuwe gouden nanostaafjestechnologie kan bacteriën bakken om implantaten te steriliseren

De illustratie laat zien hoe de gouden nanostaafjes opwarmen wanneer ze worden belicht met NIR-licht. Bij temperaturen boven de 120 graden Celsius beginnen de goudstaven van vorm te veranderen en veranderen hun optische eigenschappen. Krediet: Daniel Spacek, Neuron Collective, neuroncollective.com

In de strijd tegen antibioticaresistentie kan een nieuwe technologie, ontwikkeld aan de Chalmers University of Technology in Zweden, van groot belang zijn bij het operatief inbrengen van bijvoorbeeld heup- en knie-implantaten. Door kleine nanostaafjes goud op te warmen met nabij-infraroodlicht (NIR) worden de bacteriën gedood en wordt het oppervlak van het implantaat steriel. De onderzoekers presenteren nu een nieuwe studie die het inzicht vergroot in hoe de goudstaven worden beïnvloed door licht en hoe de temperatuur daarin kan worden gemeten.

Tijdens chirurgische ingrepen kunnen infecties optreden, waarbij het risico aanzienlijk toeneemt wanneer vreemde materialen, zoals knieprothesen, in het lichaam worden geïmplanteerd. De aanwezigheid van het materiaal verzwakt het immuunsysteem van het lichaam en antibioticabehandelingen worden vaak gebruikt. Bij infectie zijn vaak hoge doses antibiotica nodig met lange behandeltijden, soms levenslang. Dit brengt een risico met zich mee van verhoogde antibioticaresistentie, wat door de WHO wordt gezien als een van de grootste bedreigingen voor de menselijke gezondheid.

Warmte doodt de bacteriën op het implantaatoppervlak

De technologie die de onderzoekers van Chalmers hebben ontwikkeld, is een methode waarbij staafjes goud van nanometerformaat aan het implantaatoppervlak worden bevestigd. Wanneer nabij-infraroodlicht (NIR) het oppervlak van het implantaat raakt, worden de staafjes warm en fungeren ze als kleine verwarmingselementen. Omdat de verwarmingselementen zo klein zijn, vindt er een zeer lokale verwarming plaats, waardoor eventuele bacteriën op het oppervlak van het implantaat worden gedood zonder het omliggende weefsel te verwarmen.

“De gouden staafjes absorberen het licht, de elektronen in het goud worden in beweging gezet en uiteindelijk zenden de nanostaafjes warmte uit. Je zou kunnen zeggen dat de gouden nanostaafjes werken als kleine braadpannen die de bacteriën doodbakken”, zegt Maja Uusitalo, promovendus. student bij Chalmers en hoofdauteur van het onderzoek, dat is geweest gepubliceerd in het journaal Nano-brieven.

NIR-licht is onzichtbaar voor het blote oog, maar heeft het vermogen om menselijk weefsel binnen te dringen. Dankzij deze eigenschap kunnen de gouden nanostaafjes op het oppervlak van het implantaat in het lichaam worden verwarmd door de huid te verlichten. De gouden staafjes zijn dun verspreid en bedekken slechts ongeveer tien procent van het oppervlak van het implantaat. Hierdoor blijven de gunstige eigenschappen van het materiaal, zoals het vermogen om zich aan bot te hechten, grotendeels behouden.

“De truc is om de grootte van de staafjes op maat te maken. Als je ze iets kleiner of iets groter maakt, absorberen ze licht van de verkeerde golflengten. We willen dat het licht dat wordt geabsorbeerd goed door de huid en het weefsel dringt. Want zodra het implantaat zich in het lichaam bevindt, moet het licht het oppervlak van de prothese kunnen bereiken”, zegt Martin Andersson, professor en onderzoeksleider bij Chalmers.

Nauwkeurige metingen voor de temperatuur van de goudstaaf

Om het begrip te vergroten van hoe de technologie werkt en hoe de NIR-verwarmde gouden nanostaafjes zowel bacteriën als menselijke cellen beïnvloeden, moesten de onderzoekers de temperatuur van de staafjes meten. Vanwege hun kleine formaat is het onmogelijk om met een gewone thermometer te meten, dus gebruikten de onderzoekers in plaats daarvan röntgenstralen om te bestuderen hoe de goudatomen bewegen. De methode maakt het mogelijk om nauwkeurig de temperatuur van de goudstaven te meten en hoe de temperatuur kan worden geregeld met behulp van de intensiteit van het NIR-licht.

“De temperatuur mag niet hoger zijn dan 120 graden Celsius, omdat hogere temperaturen ervoor zorgen dat de nanostaafjes hun vorm verliezen en in bolletjes veranderen. Hierdoor verliezen ze hun optische eigenschappen en kunnen ze NIR-licht niet meer effectief absorberen, waardoor de staafjes niet opwarmen. ”, zegt Uusitalo.

Ze wijst erop dat de verwarming zeer lokaal is, met een lage energieoverdracht naar de omgeving. Dit is van cruciaal belang om schade aan het omliggende weefsel te voorkomen.

De onderzoekers hopen dat de methode op veel verschillende implantaatmaterialen kan worden gebruikt, zoals titanium of verschillende kunststoffen.

Goudstaven worden antibacterieel wanneer ze worden geactiveerd

De gouden nanostaafjes zelf zijn volledig passief aan het oppervlak voordat het NIR-licht ze verwarmt. Pas dan worden de staafjes geactiveerd, worden ze heet en activeren ze het antibacteriële effect.

“We kunnen bepalen wanneer het oppervlak antibacterieel moet zijn en wanneer niet. Als we het licht uitdoen, is het oppervlak niet langer antibacterieel en keert het terug naar de oorspronkelijke staat. Dit is een voordeel omdat veel antibacteriële oppervlakken meestal negatieve effecten hebben op de genezing ”, zegt Andersson.

Het doel is om deze technologie uiteindelijk in de gezondheidszorg te introduceren.

“Wij geloven vooral in het gebruik van NIR-licht voor verwarming kort nadat het implantaat is geplaatst en de wond is gehecht. Door de gouden nanostaafjes op te warmen, kunnen we eventuele bacteriën elimineren die zich tijdens de operatie op de prothese hebben gevestigd”, zegt Andersson.

Alle bacteriën sterven door de hitte van de gouden nanostaafjes, maar zelfs gewone cellen kunnen tijdens de behandeling beschadigd raken.

“Als een paar menselijke cellen worden vernietigd tijdens het NIR-verwarmingsproces, regenereert het lichaam snel nieuwe cellen, dus de impact op de genezing is minimaal”, zegt Andersson.

De technologie met NIR-verwarmde gouden nanostaafjes is eerder onderzocht in kankeronderzoek, maar de onderzoeksgroep van Chalmers is de eerste die de technologie gebruikt om met hoge precisie en controle een antibacterieel oppervlak op implantaten te creëren.

Meer informatie:
Maja Uusitalo et al., Fotothermische eigenschappen van door vaste stoffen ondersteunde gouden nanostaafjes, Nano-brieven (2024). DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c03472

Tijdschriftinformatie:
Nano-brieven

Geleverd door Chalmers University of Technology

Nieuwste artikelen

spot_img

Related Stories

Leave A Reply

Vul alstublieft uw commentaar in!
Vul hier uw naam in