伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校(University of Illinois Urbana-Champaign)开发的矫形植入物的智能涂层，一边是杀菌纳米柱，另一边是应变映射柔性电子元件。这可以帮助医生指导患者康复，并在设备故障之前修复或更换设备。来源:贝克曼ITG，伊利诺伊大学

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员最近为整形外科植入物开发了创新的“智能”涂层。这些涂层能够监测种植体上的应力，提供潜在种植体故障的早期检测。此外，它们还能对抗可能导致感染的有害细菌。这种智能涂层的灵感来自蜻蜓和蝉的翅膀，它将柔性传感器与纳米结构的抗菌表面结合在一起。

在《科学进展》(Science Advances)杂志上发表的一项新研究中，一个多学科研究小组发现，这种涂层可以防止活老鼠感染，并绘制了用于羊脊椎的商业植入物的菌株图谱，以警告各种植入物或愈合失败。

“这是一种生物启发的纳米材料设计与柔性电子器件的结合，可以解决复杂的、长期的生物医学问题，”研究负责人、伊利诺伊大学材料科学与工程教授曹青(Qing Cao)说。

曹说，感染和器械故障是骨科植入物的主要问题，每个问题影响高达10%的患者。他说，已经尝试了几种对抗感染的方法，但都有严重的局限性:生物膜仍然可以在疏水表面形成，而含有抗生素化学物质或药物的涂层在几个月内就会耗尽，对周围组织有毒性作用，对耐药的细菌病原体菌株几乎没有效果。

伊利诺伊大学的研究小组从蝉和蜻蜓的天然抗菌翅膀中获得灵感，创造了一种薄箔，上面有纳米级的柱子，就像昆虫翅膀上的柱子一样。当细菌细胞试图与金属箔结合时，金属柱就会刺穿细胞壁，杀死细菌。

该研究的合著者、病理生物学教授Gee Lau说:“使用机械方法杀死细菌使我们绕过了化学方法的许多问题，同时仍然给我们提供了将涂层涂在植入物表面所需的灵活性。”

在纳米结构箔的背面，在它与植入装置接触的地方，研究人员集成了高灵敏度、柔性电子传感器阵列来监测应变。研究人员说，这可以帮助医生观察个体患者的康复进展，指导他们的康复，缩短恢复时间，最大限度地降低风险，并在设备达到故障点之前修复或更换设备。

工程小组随后与兽医临床医学教授安妮特·麦考伊合作，测试他们的原型设备。他们将箔片植入活老鼠体内，并监测它们是否有感染的迹象，即使是在引入细菌的情况下。他们还将涂层应用于市售脊柱植入物，并在正常负荷下监测植入物在绵羊脊柱上的应变，以用于设备故障诊断。涂层很好地发挥了这两种功能。

原型电子设备需要电线，但研究人员的下一个计划是为他们的涂层开发无线电源和数据通信接口，这是临床应用的关键一步，曹说。他们还致力于大规模生产纳米柱结构的杀菌箔。

曹说:“这些类型的抗菌涂层有很多潜在的应用，由于我们使用的是一种机械机制，它在化学物质或重金属离子有害的地方有潜力，就像现在商业抗菌涂层中使用的那样。”

参考文献:“一种具有综合物理抗菌和应变映射功能的骨科植入物智能涂层”，作者:张毅，崔锦松，陈广宇，郭善轩，Jaishree Sharma, Rimsha Bhatta，刘铮，Austin Ellis-Mohr，安福飞，李佳慧，陈倩，Kari D. Foss，王华，李玉萌，Annette M. McCoy，刘gee W.，曹青，2023年5月5日，Science Advances。DOI: 10.1126 / sciadv.adg7397

美国国家科学基金会和美国国会指导的医学研究项目支持这项工作。