Belysta guldstavar steker ihjäl bakterier på implantat

Vid kirurgiska ingrepp uppstår lätt infektioner och risken ökar när främmande material förs in i kroppen, som till exempel när en knäprotes opereras in. Närvaron av materialet försvagar kroppens immunförsvar och behandling med antibiotika blir nödvändig. Ofta krävs höga doser av antibiotika och långa behandlingstider, ibland livslånga. Detta behov medför risk för ökad antibiotikaresistens, som av WHO ses som ett av de största hoten mot mänsklighetens hälsa.

Värme dödar bakterierna på implantatytan

Den teknik som forskarna på Chalmers utvecklat är en metod där nanometerstora stavar av guld fästs på implantatytan. När nära infrarött (NIR) ljus träffar implantatets yta värms stavarna och fungerar som små värmeelement. Eftersom värmeelementen är så små blir det en mycket lokal uppvärmning, som dödar bakterierna på implantatets yta utan att värma upp den omkringliggande vävnaden.

– Guldstavarna tar upp ljuset, guldets elektroner sätts i rörelse, och slutligen avger nanostavarna värme. Man kan säga att guldnanostavarna fungerar som en liten stekpanna som steker ihjäl bakterierna, säger Maja Uusitalo, doktorand på Chalmers och huvudförfattare till studien som publicerats i tidskriften Nano Letters.

NIR-ljus är osynligt för blotta ögat men har förmågan att tränga igenom mänsklig vävnad. Denna egenskap gör det möjligt att värma upp guldnanostavarna på implantatets yta inne i kroppen genom att belysa huden. Guldstavarna är glest fördelade och täcker endast cirka tio procent av implantatets yta. Det innebär att materialets goda egenskaper, som till exempel förmåga att fästa vid ben, bibehålls i stor utsträckning.

– Tricket är att skräddarsy storleken på stavarna. Gör man dem lite mindre eller lite större så absorberar de ljus av fel våglängder. Vi vill att ljuset som absorberas ska vara sådant att det kan penetrera hud och vävnad väl. För när implantatet väl sitter inne i kroppen så måste ljuset kunna nå ytan på protesen, säger Martin Andersson, professor och forskningsledare på Chalmers. 

Kan mäta temperaturen 

För att öka förståelsen för hur tekniken fungerar, och hur de belysta guldnanostavarna påverkar både bakterier och mänskliga celler, behövde forskarna mäta stavarnas temperatur. Det är omöjligt att mäta med en vanlig termometer, i stället studerade forskarna hur guldatomerna rör sig med hjälp av röntgenstrålning. Metoden möjliggör en exakt mätning av guldstavarnas temperatur och hur temperaturen kan regleras med hjälp av NIR-ljusets intensitet. 

– Den högsta temperaturen får inte bli högre än cirka 120 grader Celsius för då börjar nanostavarna ändra form och bildar sfärer. Då förlorar de sina optiska egenskaper och kommer inte längre effektivt att kunna absorbera NIR-ljuset, och stavarna blir inte heller längre varma, säger Maja Uusitalo.
Hon poängterar att uppvärmningen är mycket lokal med låg energi och att omgivningen inte kommer att påverkas i någon större grad. Detta är viktigt då man inte vill orsaka någon skada på omgivande vävnad.
Forskarnas förhoppning är att metoden kan användas på många olika implantatmaterial som till exempel titan eller olika plaster.  

Blir antibakteriella när de aktiveras

Guldnanostavarna är i sig själva helt passiva på ytan innan NIR-ljuset belyser dem. Först då aktiveras stavarna, de blir varma och den antibakteriella effekten uppstår. 
– Vi kan styra när ytan ska vara antibakteriell och när den inte ska vara det, vi skapar den bara när vi vill ha den. När vi stänger av ljuset så är ytan inte antibakteriell längre utan då är den som implantatmaterialets yta ska vara. Det är en fördel eftersom många antibakteriella ytor oftast har negativa effekter på läkning, säger Martin Andersson.

Förhoppningen är att i framtiden kunna föra ut tekniken till sjukvården. 

– Det vi främst tror på är att belysa med NIR-ljus strax efter att implantatet har placerats i patienten och såret har sytts ihop. Genom att belysa ytan då så kan vi eliminera eventuella bakterier som kan ha hamnat på protesen i operationssalen när förpackningen öppnats och implantatet kommit i kontakt med omgivningen, säger Martin Andersson.

Alla bakterier dör av värmen från guldnanostavarna, men även vanliga celler kan ta skada under behandlingen.

– Fast det är få mänskliga celler som förstörs och kroppen producerar väldigt fort nya, så det påverkar inte läkningen, säger Martin Andersson.

Tekniken med belysta guldnanostavar har tidigare studerats inom cancerforskning, men forskargruppen vid Chalmers är de första att utnyttja tekniken för att med hög precision och kontroll skapa en antibakteriell yta på implantat. 

Mer om den vetenskapliga artikeln:

Artikeln – Photothermal properties of solid-supported gold nanorods –
har publicerats i Nano Letters.
Länk till artikeln: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c03472
Forskarna bakom studien är verksamma vid avdelningen för tillämpad kemi, institutionen för kemi och kemiteknik och Chalmers materialanalyslaboratorium, vid Chalmers tekniska högskola.
Forskningen finansierades av Chalmers styrkeområde Material och Knut och Alice Wallenbergs stiftelse genom programmet Wallenberg Academy Fellows.

För mer information kontakta:
Martin Andersson, professor vid avdelningen för tillämpad kemi, institutionen för kemi och kemiteknik, Chalmers tekniska högskola.
031772 29 66 
 martin.andersson@chalmers.se

Maja Uusitalo, doktorand vid avdelningen för tillämpad kemi, institutionen för kemi och kemiteknik, Chalmers tekniska högskola.
majau@chalmers.se

Mer om studien
I experimenten har glas använts som underliggande material, och guldnanostavarna binds in genom en elektrostatisk interaktion. Denna interaktion är möjlig eftersom guldstavarna har en positiv laddning, och glasytan är negativt laddad.Guldstavarna i studien har placerats glest och utgör cirka 11 procent av materialytan.Storleken på nanostavarna av guld är 20 gånger 70 nanometer och de tar upp ljus i NIR- områden runt 800 nanometer. 

När guldstavarna absorberar ljuset sätts elektronerna i stavarnas yttre skikt i rörelse och värme alstras, ett fenomen som kallas plasmonresonans.  Den värme som alstras är mycket lokal och bakterierna dör av värmen. För att behålla stavarnas form och därmed materialets egenskaper kan inte temperaturen överstiga 120 grader Celsius. Det innebär däremot inte att det omkring ytskiktet blir 120 grader. På samma sätt som en hand som sträcks in i en 200 grader varm ugn inte blir 200 grader varm, påverkas inte omgivningen i någon större utsträckning.