سبيكة مقاومة للبكتيريا تحسن مكافحة العدوى في جراحات زراعة الأعضاء – عالم الفيزياء

سبيكة مقاومة للبكتيريا تحسن مكافحة العدوى في جراحات زراعة الأعضاء – عالم الفيزياء

الطابع الزمني: 5 ديسمبر 2023 4:30 صباحًا

أميت بانديوبادياي
مادة متعددة الوظائف يقوم أميت بانديوبادياي وزملاؤه بتطوير سبيكة تيتانيوم جديدة لإنشاء غرسات عظمية توفر تكاملًا جيدًا للأنسجة العظمية بالإضافة إلى الاستجابة المضادة للبكتيريا. (مجاملة: جامعة ولاية واشنطن)

تعد عمليات زراعة العظام، مثل استبدال مفصل الورك والركبة، من الإجراءات الشائعة التي يتم إجراؤها يوميًا في جميع أنحاء العالم. ومع ذلك، يمكن أن يؤدي الاستعمار البكتيري للزرعات إلى مضاعفات وفشل الغرسات، وفي حوالي 7٪ من الحالات، يستلزم إجراء عملية جراحية مراجعة. تعتمد طرق مكافحة العدوى الحالية على المضادات الحيوية، ولكنها بعيدة عن أن تكون مثالية. لذلك فريق في جامعة ولاية واشنطن قامت بتطوير سبيكة تيتانيوم (Ti) جديدة لإنشاء غرسات حاملة ذات استجابة متأصلة مضادة للبكتيريا.

يوضح المؤلف المقابل أن "العدوى مشكلة ليس لدينا حل لها". أميت بانديوبادياي في تصريح صحفي. "في معظم الحالات، لا تتمتع الغرسة بقوة دفاعية ضد العدوى. نحن بحاجة إلى العثور على شيء حيث توفر مادة الجهاز نفسها بعض المقاومة المتأصلة – أكثر من مجرد توفير مكافحة العدوى القائمة على الأدوية.

عادةً ما تُصنع الغرسات العظمية من سبيكة Ti Ti6Al4V (التي تحتوي على 6% ألومنيوم و4% فاناديوم)، والتي توفر أداءً ميكانيكيًا ممتازًا ومقاومة للتآكل، ولكنها أقل توافقًا حيويًا من Ti (CpTi) النقي تجاريًا. في هذا العمل الأخير، يهدف بانديوبادياي وزملاؤه إلى تصميم سبيكة تجمع بين التوافق الحيوي لـ CpTi والقوة الميكانيكية لـ Ti6Al4V.

استخدم الباحثون تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد لإنشاء Ti3Al3V، وهي سبيكة تحتوي على 2% Al و3% V. ووجدوا أن تقليل مكونات Al وV لا يؤثر على الخواص الميكانيكية للمادة. من حيث القوة ومعامل المرونة، كان أداء Ti2Al3V أفضل بكثير من CpTi، دون تدهور كبير في القوة عن أداء Ti2Al6V.

لاحظ الفريق أن معامل المرونة الملحوظ في Ti3Al2V المسامي كان أقرب إلى معامل المرونة في العظام الطبيعية مقارنة بالسبائك المستخدمة تجاريًا. وهذا أمر مهم لأنه العامل الحاسم الأقوى لتثبيت وشفاء الغرسة الجراحية على المدى الطويل. أظهرت كل من عينات Ti6Al4V وTi3Al2V مقاومة عالية للتعب، حيث نجت من 10 ملايين دورة بنسبة 21% من قوة إنتاج الضغط الخاصة بها دون فشل.

عمل مضاد للجراثيم

من أجل الشفاء السريع والتكامل الناجح طويل الأمد للزرعة المعدنية، من الضروري أن تغطي أنسجة العظام سطحها بشكل أسرع من أي بكتيريا ملوثة. ولحماية الغرسة من العدوى البكتيرية، أضاف الباحثون 3% بالوزن من النحاس (Cu) إلى السبيكة الجديدة. من المعروف أن النحاس يُظهر نشاطًا مضادًا للبكتيريا، ويرجع ذلك على الأرجح إلى القتل بالتلامس، حيث يتم القضاء بسرعة على البكتيريا التي تتلامس بشكل وثيق مع أسطح النحاس عن طريق تمزق جدار الخلية وتعطيل غشاء الخلية.

لتقييم التثبيط البكتيري الذي توفره إضافة النحاس، اختبر الباحثون المواد المختلفة ضد نوعين من البكتيريا التي تصيب عادةً الغرسات: س. الذهبية و P. aeruginosa. أظهرت سبيكة Ti3Al2V-3Cu فعالية مضادة للجراثيم أعلى بنسبة 80% تقريبًا من CpTi وTi6Al4V ضد هاتين السلالتين البكتيريتين عاليتي الخطورة. ل س. الذهبية، وهو المسؤول عن حوالي ثلثي حالات العدوى المزروعة، قتل Ti3Al2V-3Cu 87% من البكتيريا بعد 24 ساعة.

في حين أن النحاس يضفي مقاومة ميكروبية لسبائك Ti3Al2V، فإنه يمكن أيضًا أن يغير استجابة العظام عند زراعتها في الجسم الحي. للتعويض عن أي توافق حيوي محتمل وتعزيز النمو الصحي للأنسجة العظمية المحيطة في الزرعة، أضاف الفريق 10% بالوزن من التنتالوم (Ta) لإنشاء سبيكة Ti3Al2V–10Ta–3Cu.

"إن الجهاز متعدد الوظائف الذي يوفر التحكم في العدوى والتكامل الجيد للأنسجة العظمية يمكن أن يوفر أداة لتغيير النموذج لأطباء العظام وطب الأسنان"، مؤلف مشارك سوسميتا بوس يروي عالم الفيزياء. "نظرًا لأن العدوى تمثل مشكلة كبيرة في عالم الجراحة اليوم، فإذا كانت هناك أي عملية زرع تعمل على تعزيز التوافق الحيوي مع جودة العظام الجيدة والسيطرة على العدوى، فلا يوجد شيء يضاهيها."

في الجسم الحي يزرع

بعد ذلك، قام الباحثون بتقييم في الجسم الحي أداء مختلف المواد المعتمدة على Ti، وزرع عينات من ستة مواد مختلفة (CpTi، وTi6Al4V، وTi3Al2V، وTi3Al2V–3Cu، وTi3Al2V–10Ta، وTi3Al2V–10Ta–3Cu) في عظام أرجل الجرذان. وبعد ستة أسابيع، قاموا بالقتل الرحيم للفئران وفحصوا أجزاء العظام المزروعة. لم يكشف التحليل النسيجي عن أي علامة على الاستجابة الالتهابية أو العدوى لأي من المواد المزروعة، مما يشير إلى عدم السمية. ورأى الفريق أيضًا دليلاً على نمو الأنسجة داخل الزرعة وتكوين عظام جديدة لجميع التركيبات باستثناء Ti6Al4V.

كشف فحص استجابة الأنسجة المضيفة للسبائك أن إضافة النحاس إلى Ti3Al2V أخرت بداية التكامل العظمي مقارنة مع Ti3Al2V وحده. ومع ذلك، لاحظ الباحثون أن إضافة Ta إلى Ti3Al2V-3Cu "يعكس تأخر بداية التكامل العظمي ويظهر أفضل أداء إجمالي بين جميع التركيبات الستة".

ويخلص الفريق إلى أن "سبائك Ti3Al2V-10Ta-3Cu الأفضل أداءً توفر مقاومة ميكروبية وأداء ميكانيكي حيوي محسّن وتوافقًا حيويًا محسّنًا مقارنة بسبائك CpTi وTi6Al4V وTi3Al2V-3Cu وحدها". "أبلغ آلاف المرضى عن فشل عملية زرع الأعضاء لأسباب خارجية مثل العدوى الميكروبية، والتي لم يتم تصميم زرع Ti6Al4V للتغلب عليها. نشعر أن مادة مثل Ti3Al2V–10Ta–3Cu يمكنها فقط تحسين نوعية حياة المرضى بعد العملية الجراحية وتقليل العمليات الجراحية المراجعة التي تنشأ من سيناريوهات متعددة، بما في ذلك العدوى البكتيرية.

وذكرت الدراسة في المجلة الدولية للتصنيع المتطرف.

الطابع الزمني:

اكثر من عالم الفيزياء