Orthopedische implantaten streven ernaar om langer mee te gaan met op vloeibare metalen gebaseerde nanomaterialen

Een baanbrekende combinatie van vloeibaar metaal ontwikkelt zich als een potentieel geheim wapen in de mondiale strijd tegen antimicrobiële resistentie en belooft langer mee te gaan dan de bestaande implantaatmaterialen.

Hoewel het ook infecties kan bestrijden, bevestigt nieuw onderzoek aan het Flinders University Biomedical Nanoengineering Laboratory ook dat het speciale metalen materiaal veel biocompatibeler is met botten, waardoor patiënten potentieel hebben voor snellere genezing en een langere levensduur van het apparaat na een grote orthopedische operatie.

“Deze nieuwe 3D-biokeramische scaffold ingebed met zilver-gallium (Ag-Ga) vloeibare metaalnanodeeltjes biedt een biomateriaal met dubbele functie dat tegelijkertijd aanhoudende infecties bestrijdt en botregeneratie bevordert”, zegt Flinders University Associate Professor Vi-Khanh Truong, hoofdauteur van een nieuw artikel in Geavanceerde functionele materialen.

“In ons laatste onderzoek laten we zien dat onze scaffolds de bacteriële kolonisatie op implantatieplaatsen aanzienlijk verminderen en een gezonde botintegratie bevorderen, wat zowel de antibacteriële werkzaamheid als het regeneratieve vermogen bevestigt in een fysiologisch relevante omgeving.”

Dit is het eerste gerapporteerde voorbeeld van de integratie van op vloeibare metalen gebaseerde nanomaterialen in een dragende, bioactieve keramische scaffold, legt Dr. Ngoc Huu Nguyen uit, een postdoctoraal onderzoeker bij het project.

“Onze aanpak verschilt fundamenteel van conventionele, met antibiotica beladen materialen. In plaats van dat er barsten vrijkomen, biedt de scaffold duurzame, plaatselijke antimicrobiële bescherming terwijl de botgenezing actief wordt ondersteund”, zegt hij.

Vroege loopbaanonderzoeker Dr. Nguyen speelde een belangrijke rol bij het formuleren van de op vloeibare metalen gebaseerde biokeramische scaffold, waarbij hij met succes Ag-Ga-nanodeeltjes in hydroxyapatiet integreerde om een ​​naadloze combinatie van antimicrobiële activiteit en botregeneratieve functie te bereiken.

Senior co-auteur Flinders University Professor Krasimir Vasilev zegt dat het laatste onderzoek met succes de oppervlaktecoatings integreert in een volledig geïntegreerd, regeneratief platform voor orthopedische en traumatoepassingen.

“Deze innovatie helpt bij het creëren van een nieuwe generatie botreparatiematerialen die infecties kunnen voorkomen zonder afhankelijk te zijn van antibiotica, terwijl ze ook de weefselintegratie en genezing verbeteren”, zegt hoogleraar biomedische nano-engineering Vasilev.

Hij zegt dat de multi-gerichte antibacteriële effecten effectief zijn gebleken tegen een reeks klinisch significante ziekteverwekkers, waaronder Staphylococcus aureus, methicilline-resistente S. aureus (MRSA), Pseudomonas aeruginosa en varianten van kleine kolonies – “die notoir moeilijk te elimineren zijn met conventionele antibiotica.”

Toekomstige toepassingen kunnen zijn:

• Antimicrobiële botvulmiddelen voor geïnfecteerde fracturen, spinale fusies en revisieoperaties
• Antibioticavrije botcementen van de volgende generatie met ionengemedieerde antimicrobiële werking
• Patiëntspecifieke, 3D-geprinte steigers voor craniofaciale, lange bot- en tumorresectiedefecten
• Stand-alone implanteerbare apparaten voor omgevingen die gevoelig zijn voor infecties, zoals diabetische voet en oncologiegerelateerd botverlies.

Implantaatgerelateerde infecties blijven een cruciale uitdaging in de chirurgie en orthopedie. Systemische antibiotica zijn steeds ineffectiever vanwege resistentie, en met antibiotica beladen cementen zijn vaak van korte duur en hebben een smal spectrum, zeggen onderzoekers.

“Onze technologie biedt een niet-antibiotische oplossing met dubbele functie die de chirurgische resultaten dramatisch kan verbeteren, vooral voor patiënten met een hoog risico en patiënten met een verhoogd risico”, zegt universitair hoofddocent Truong.

Dit onderzoek aan Flinders University werd uitgevoerd met experts van Shandong University en partnerinstellingen.