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Sostituzioni articolari più sicure
Le infezioni derivanti da interventi chirurgici di sostituzione delle articolazioni sono costose e potenzialmente mortali. Ora i ricercatori del MIT stanno sviluppando rivestimenti per impianti medici che possono essere caricati con più farmaci, inclusi antibiotici che vengono rilasciati nel tempo. Il processo prevede la stratificazione di film antibiotici, che vengono rilasciati a breve termine, su un polimero antibatterico permanente progettato per prevenire l'infezione a lungo termine.
I batteri spariscono: Il substrato nudo sulla parte superiore è completamente colonizzato dai batteri S. aureus dopo un'ora immerso nel plasma sanguigno. Il substrato sul fondo ha strati di rivestimenti antibatterici ed è privo di batteri dopo la stessa esposizione.
Circa l'1% degli interventi di sostituzione del ginocchio e dell'anca provoca infezioni; il numero sale dal tre al cinque percento per i secondi interventi chirurgici. È un tasso basso, ma se sei quello su cento che ottiene un'infezione, le complicazioni sono catastrofiche, dice Lloyd Miller , assistente professore di chirurgia ortopedica presso l'Università della California, Los Angeles. Tutto il tessuto e l'hardware infetto devono essere rimossi chirurgicamente e sostituiti con un blocco antibiotico; il paziente non può camminare per sei-otto settimane durante il trattamento con antibiotici per via endovenosa per eliminare ogni traccia di infezione; e poi viene eseguito un intervento di revisione. Anche le complicazioni dovute all'infezione sono enormemente costose. Una sostituzione dell'articolazione costa circa $ 30.000 negli Stati Uniti, ma affrontare le infezioni può aumentare il conto fino a quasi $ 150.000.
La maggior parte delle infezioni si verifica quando i batteri entrano nel corpo con un impianto. Ma le articolazioni artificiali possono essere infettate anni dopo, quando i batteri vengono introdotti nel flusso sanguigno durante il lavoro dentale, colonscopie e altre procedure, afferma Miller, che non è affiliato al gruppo del MIT. I rivestimenti ortopedici che hanno proprietà antibatteriche permanenti oltre a un rivestimento transitorio di antibiotici potrebbero proteggere i pazienti.
Sebbene siano già stati sviluppati rivestimenti antibiotici per molti altri dispositivi medici, i rivestimenti per le articolazioni pongono sfide particolari. A differenza degli stent e di altri dispositivi statici, le articolazioni devono potersi muovere. Quindi il rivestimento non può essere troppo spesso e non deve interferire con l'articolazione articolare.
Ricercatori guidati da Paula Hammond , professore di ingegneria chimica al MIT, stanno utilizzando una tecnica di rivestimento polimerico chiamata assemblaggio strato per strato per caricare grandi concentrazioni di farmaci nei rivestimenti degli impianti senza renderli troppo spessi. Il gruppo di Hammond costruisce questi film immergendo un impianto alternativamente in soluzioni di molecole caricate negativamente e positivamente come polimeri e farmaci. La differenza di carica superficiale tiene saldamente ogni strato a quelli sopra e sotto di esso. Questo processo porta a strati di materiali molto sottili, dell'ordine di decine di nanometri di spessore. I farmaci verranno rilasciati quando i polimeri si biodegradano all'interno del corpo.
Alternando strati di farmaci con strati di un polimero biodegradabile, invece di mescolare polimero e farmaco e spalmare la miscela su un impianto, si ottiene un rivestimento più sottile che contiene una proporzione maggiore del farmaco, fino al 50 percento, piuttosto che il più comune 4 per cento. E questi rivestimenti possono essere prodotti a basse temperature e in acqua, piuttosto che nelle dure condizioni normalmente richieste per la lavorazione dei polimeri. Ciò significa che sono compatibili con una gamma più ampia di molecole delicate, inclusi farmaci proteici e RNA terapeutico.
Ciò che distingue questa tecnologia è la promessa di poter rilasciare diversi farmaci in sequenza, in modo controllato, afferma Myron Spector , professore di chirurgia ortopedica presso la Harvard Medical School. I pazienti che hanno un sistema vascolare scadente che può compromettere la crescita ossea, inclusi diabetici e forti fumatori, potrebbero trarre beneficio da rivestimenti che rilasciano farmaci per stimolare la formazione ossea o la crescita dei vasi sanguigni, oltre agli antibiotici.
Lo strato permanente di polimero antimicrobico su cui Hammond costruisce i film di rilascio del farmaco è stato precedentemente sviluppato da Alessandro Klibanov , professore di chimica al MIT. Quando questi polimeri sono presenti su una superficie, i batteri muoiono all'impatto: il polimero distrugge la membrana cellulare e l'intestino dei batteri fuoriesce, dice Hammond. Quando è stato immerso in una soluzione di batteri stafilococchi per due settimane, un substrato diverso non trattato con gli strati di antibiotici è stato completamente colonizzato dai batteri entro la fine della prima ora. Nessun batterio ha preso piede su una superficie del polimero di Klibanov trattata con i film di Hammond durante il periodo di due settimane, anche dopo che gli strati di rilascio del farmaco si sono degradati. Questo lavoro è stato pubblicato online su Giornale della Società Chimica Americana a novembre.
Spector ha lavorato con Hammond su studi preliminari sui rivestimenti negli animali e ora collaborerà con il gruppo del MIT per dimostrare se migliorano i risultati dopo una sostituzione dell'articolazione. Miller dell'Università della California, che ha lavorato su impianti antimicrobici negli animali, osserva che molti fattori rimangono sconosciuti. Ad esempio, non sappiamo per quanto tempo vogliamo che un farmaco venga rilasciato, dice. Ulteriori test dovrebbero rendere questo più chiaro.