Die University of Toronto zeigt, dass das Biegen implantierbarer medizinischer Geräte zu Bakterienwachstum führen kann

Eine Studie von Forschern der Fakultät für Angewandte Wissenschaft und Ingenieurwesen der University of Toronto zeigt, dass mechanische Verformung von medizinisch implantierbaren Materialien – wie Biegen oder Verdrehen – einen großen Einfluss auf die Bildung potenziell schädlicher Biofilme haben kann. Die Studie wird in einem Artikel beschrieben veröffentlicht in Scientific Reports, zeigt, dass selbst leichtes Biegen von Elastomermaterialien wie Polydimethylsiloxan (PDMS) – auch bekannt als Silikon – mikroskopisch kleine Risse öffnet, die perfekte Umgebungen für die Ansiedlung von Bakterien bieten. „Diese Art von Materialien werden in allen Arten von biomedizinischen Anwendungen verwendet , von Kathetern über Trachealtuben bis hin zu Brustprothesen“, sagt Ben Hatton, außerordentlicher Professor in der Abteilung für Materialwissenschaften und -technik der Fakultät und leitender Autor der neuen Studie. „Die Bildung mikrobieller Biofilme auf diesen Materialien ist üblich, aber wir waren überrascht, inwieweit das Biegen von Silikon und anderen Gummimaterialien dazu führt, dass sich diese Risse reversibel öffnen und schließen – und welchen großen Unterschied sie in Bezug auf die Biofilmbildung machen. „Biofilme sind komplexe Gemeinschaften von Organismen, die auf Oberflächen wachsen. Während einzelne mikrobielle Zellen sowohl für Antibiotika als auch für die natürlichen Abwehrsysteme des Körpers anfällig sind, kann die Biofilmumgebung sie vor diesen Eingriffen schützen, die zu anhaltenden Infektionen führen können. Infektionen im Zusammenhang mit Biofilmen von Medizinprodukten, die sich manchmal nach einer Operation entwickeln, können schwerwiegend sein Gesundheitsrisiken – längere Krankenhausaufenthalte oder die Wiederaufnahme entlassener Patienten. Hatton und sein Team gehören zu vielen Gruppen auf der ganzen Welt, die neue Materialien, Beschichtungen und andere Ansätze entwickeln, um die Bildung von Biofilmen zu verhindern, die zu solchen Infektionen führen können „Aber in ihrer neuesten Arbeit haben sie sich entschieden, etwas Grundlegenderes zu untersuchen: Wie können diese kolonisierenden Mikrobenorganismen überhaupt Fuß fassen? „Dies ist zum Teil auf den multidisziplinären Ansatz zurückzuführen, den wir in unserer Gruppe verfolgen“, sagte Hatton sagt: „Wir verbinden Mikrobiologie und Materialwissenschaften, aber auch den Maschinenbau, denn es geht um mechanische Belastung, Dehnung und Verformung.“ „Dieser Biegeeffekt ist etwas, das zuvor nicht bemerkt wurde.“ Das Team testete verschiedene Silikonproben, darunter einige, die es selbst synthetisierte, sowie handelsübliche medizinische Schläuche, die für Harnkatheter verwendet werden. Anschließend setzten sie diese Proben mechanischen Kräften aus, um eine Oberfläche zu erzeugen Schäden. Ihre Experimente zeigten, dass sich die Mikrorisse sehr leicht bilden können. „Wir haben sie einfach ein paar Mal mit einem gewöhnlichen Labortuch abgewischt“, sagt Desmond van den Berg, Doktorand am Institut für Biomedizinische Technik und Hauptautor des Papiers, das von Dalal Asker und Tarek Awad, den Kollegen des Hatton Lab, gemeinsam verfasst wurde. „Selbst dieses Abwischen reichte aus, um Oberflächenschäden zu verursachen. Für das Auge sieht es immer noch gut aus, aber unter dem Mikroskop konnten wir bereits Mikrorisse von der Größe erkennen, in die Bakterien eindringen könnten. Bakterien sind nur wenige Mikrometer groß, daher braucht es nicht viel.“ Andere Proben wurden mit einem rauen, geriffelten Muster gepresst, um eine Reihe regelmäßig verteilter Mikrorisse zu erzeugen. Alle Proben wurden dann in eine Bakterienkulturplatte gegeben und ausgesät mit Pseudomonas aeruginosa, einem biofilmbildenden Bakterium, das üblicherweise als Modellorganismus in solchen Studien verwendet wird. Nach dem Wachstum wurden die Proben mit einem fluoreszierenden Farbstoff behandelt, wodurch alle anhaftenden Bakterien unter einem optischen Mikroskop grün leuchteten. „Was wir sahen, war „Es ist klar, dass sich die Bakterien lieber in diesen mikroskopisch kleinen Rissen festsetzten“, sagt van den Berg. „In den gebogenen Proben befanden sich auf der Seite, die unter Zug stand, vier- bis fünfmal so viele Bakterien wie auf der Seite, die unter Druck stand.“ Diese Zellen haben die volle Wahl, wo sie wachsen, aber sie lieben eindeutig die Seite, auf der all diese Mikrorisse geöffnet werden.“ Die einzigen Proben, die relativ frei von Bakterien blieben, waren diejenigen, die im eigenen Labor des Teams synthetisiert worden waren und daher erhalten blieben extrem glatt, bemerkt van den Berg. „Selbst die kommerziell hergestellten, die wir in keiner Weise beschädigt haben, hatten bereits Mikrorisse, direkt aus der Verpackung“, sagt er. „Wir vermuten, dass diese durch den Herstellungsprozess entstehen.“ Dies ergibt sich aus der Art und Weise, wie der Kunststoff durch Extrusion oder Spritzguss zu Röhren oder anderen Formen geformt wird. „Hatton sagt, dass die Studie unterstreicht, wie einfach es ist, Oberflächenmerkmale einzuführen, die die mikrobielle Anhaftung fördern. Für Chirurgen bedeutet dies, dass sie dies auch tun sollten Achten Sie auf Situationen, in denen Silikongeräte – wie Schläuche oder prothetische Implantate – während des Gebrauchs gebogen werden, und achten Sie besonders auf die Seite, die unter Spannung steht, da hier Infektionen beginnen können. „Natürlich ist es schwierig, ein Gerät einfach nicht zu biegen „Ein Gummischlauch, der gebogen werden soll – warum sollte man ihn sonst überhaupt aus Gummi herstellen?“, sagt Hatton ein Problem. Daran arbeiten wir derzeit – an der Erforschung von Methoden zur Reduzierung von Oberflächenschäden oder an der Modifizierung der Silikonoberfläche, um die Bildung solcher Risse zu reduzieren.“ Die Studie wurde von der Canadian Foundation for Innovation und der Percy Edward Hart-Professur an der University of finanziert Toronto, der New Frontiers in Research Fund und die Connaught Foundation.