Ingenieurteam entwickelt Verfahren, um Implantate sicherer zu machen

Ein interdisziplinäres Forscherteam an der University of Alabama in Birmingham hat ein neues plasmagestütztes Verfahren entwickelt, das die Ausbreitung von Toxinen aus Implantaten in den Blutkreislauf eines Patienten begrenzen könnte. Das Team unter der Leitung von Vinoy Thomas, Ph.D., außerordentlicher Professor an der Fakultät für Maschinenbau und Werkstofftechnik der UAB School of Engineering, veröffentlichte kürzlich Ergebnisse in der ACS Angewandte Materialien und Grenzflächen Tagebuch.

In dem Artikel erklären die Autoren, dass eine große Herausforderung bei der Entwicklung von Nanopartikel-modifiziertem biomedizinischem Implantatmaterial darin besteht, metallische Nanopartikel stabil auf verschiedenen Oberflächen – insbesondere Polymeroberflächen – zu befestigen.

„Wissenschaftler haben jahrelang die Synthese von metallischen Nanopartikeln in wässrigen Lösungen unter Verwendung von sowohl chemischen als auch biologischen (Pflanzenextrakten) Reduktionsmitteln erreicht“, sagte Thomas. „Die Herausforderung, metallische Nanopartikel anzubringen, ist besonders schwierig in Fällen mit hydrophoben polymeren Biomaterialien, unter die die meisten polymeren Biomaterialien fallen.“

Um dieser Herausforderung zu begegnen, entwickelten Thomas und sein Team einen plasmagestützten Prozess namens stromlose Plasmareduktion. Das PER-Verfahren ermöglicht es Forschern, Gold- und Silber-Nanostrukturen auf verschiedenen 2D- und 3D-Polymermaterialoberflächen wie Zellulosepapier, Gesichtsmasken auf Polypropylenbasis und 3D-gedruckten Polymergerüsten abzuscheiden.

„Es ist allgemein bekannt, dass die schnelle und vorzeitige Freisetzung der metallischen Nanostrukturen aus dem Implantatmaterial in den Blutkreislauf Toxizitätsprobleme mit sich bringt“, sagte Thomas. „Dieses Problem konnte nur angegangen werden, indem die stabile Verankerung der metallischen Nanostrukturen auf Implantatoberflächen sichergestellt wurde. Dies hat uns dazu inspiriert, unseren PER-Prozess zu optimieren, indem wir eine systematische und eingehende Untersuchung der Konzentration des metallischen Vorläufers durchführen, gefolgt von einer Beschallungswäsche vor der Zellkultur in vitro.“

In Thomas‘ Studie gelang es seinem Team, Silber-Nanopartikel erfolgreich auf der Oberfläche von 3D-gedruckten Polymeren zu verankern, ohne dass es zu einer schnellen Freisetzung in die Umgebung kam. Die Expertise des Teams in der additiven Fertigung ermöglichte es ihnen auch, kleinere 3D-Gerüstwafer zu entwerfen, die in die Vertiefungen einer Platte mit 96 Vertiefungen passen.

„Wir gehen davon aus, dass das Design eines solchen konsistenten kleineren 3D-Gerüstdesigns groß angelegte und zuverlässigere In-vitro-Tests von 3D-Gerüsten gewährleisten würde“, sagte Thomas. „Diese systematische Optimierung der Herstellung einheitlicher Metall-Nanostrukturen auf 3D-Gerüsten mit Zytokompatibilität und potenziellen antibakteriellen Eigenschaften wird von hoher Relevanz sein und möglicherweise einen Einfluss auf die zukünftige Entwicklung biokompatibler Gerüste haben, insbesondere für Osteomyelitis-Erkrankungen.“

Das Team brauchte zwei Jahre, um den PER-Prozess zu entwickeln, aber der Prozess ist nur einer von mehreren Aspekten, die Thomas in Bezug auf Plasma untersucht.

„Plasma, der vierte Aggregatzustand, ist ein teilweise ionisiertes Gas, das eine der umweltfreundlicheren Methoden zur Synthese metallischer Nanopartikel in einer flüssigen Phase darstellt“, sagte er. „Es verfügt über enorme Fähigkeiten in der Materialverarbeitung und zur Dekontaminierung von Oberflächen, um die Ausbreitung von COVID-19 und anderen übertragbaren Krankheiten zu verhindern.“