Forscher der University of Bath haben laut einer Pressemitteilung mit Kollegen der Ulster University eine Methode zur Verwendung des 3D-Drucks zur Herstellung von infektionsbekämpfenden Materialien für medizinische Implantate vorgestellt. Ihre Arbeit haben sie in einem Artikel im Fachjournal Advanced Materials Technologies vorgestellt.
Ferroelektrisches Verbundmaterial mit antimikrobiellen Eigenschaften
Die Forscher setzten auf ein neuartiges Multimaterial-3D-Druckverfahren, um eine neue Art von ferroelektrischem Verbundmaterial mit antimikrobiellen Eigenschaften herzustellen. Die Verwendung von elektrisch ansprechenden ferroelektrischen Materialien verleiht den Implantaten die infektionsbekämpfenden Eigenschaften. Werden daraus biomedizinische Anwendungen wie Herzklappen, Stents und Knochenimplantate angefertigt, reduziert sich das Risiko von Infektionen für Patienten deutlich.
Biomedizinische Implantate bergen generell das Risiko, dass Infektionen entstehen, da die Materialien Oberflächen-Biokontaminationen enthalten können. Lässt sich das Risiko reduzieren, profitieren sowohl der Patient als auch der Gesundheitsdienstleister davon, da durch kürzere Behandlungszeiten sich auch die Kosten verringern.
Dr. Hamideh Khanbareh, Dozentin für Materialien und Strukturen an der Fakultät für Maschinenbau in Bath, ist Hauptautorin der Studie.
Sie sagte:
„Biomedizinische Implantate, die Infektionen oder gefährliche Bakterien wie E. coli bekämpfen können, könnten erhebliche Vorteile für Patienten und Gesundheitsdienstleister bieten. Unsere Forschung zeigt, dass die von uns entwickelten ferroelektrischen Verbundmaterialien ein großes Potenzial als antimikrobielle Materialien und Oberflächen haben. Wir würden unsere potenziell bahnbrechende Entwicklung gerne durch die Zusammenarbeit mit medizinischen Forschern oder Gesundheitsdienstleistern weiterentwickeln.“
70 % der Bakterien in 15 Minuten getötet
Ändert sich die mechanische Energie oder Temperatur bei bestimmten ferroelektrischen Materialien, entsteht eine elektrische Oberflächenladung. Diese führt in ferroelektrischen Filmen und Implantaten zur Bildung freier Radikale, bekannt als reaktive Sauerstoffspezies (ROS), die Bakterien selektiv vernichten. Das geschieht durch die Mikroelektrolyse von Wassermolekülen auf einer Oberfläche aus polarisiertem ferroelektrischem Verbundmaterial.
Das verwendete Kompositmaterial entsteht durch Einbetten von Mikropartikeln aus ferroelektrischem Barium-Kalzium-Zirkonat-Titanat (BCZT) in Polycaprolacton (PCL), einem biologisch abbaubaren Polymer. Mit der Mischung aus ferroelektrischen Partikeln und Polymer wird dann ein spezifisches poröses „Gerüst“ erzeugt. Die Gerüstform verfügt über eine große Oberfläche, um die ROS-Bildung zu fördern. Es zeigte sich, dass das Komposit selbst bei Kontamination mit hohen Konzentrationen aggressiver E. coli-Bakterien die Bakterienzellen ohne Eingriff von außen vollständig beseitigen kann. In nur 15 Minuten hat das Komposit bereits 70 % der Bakterien abgetötet.
Einen anderen Einsatzbereich für ferroelektrisches Material fanden Forscher der University Wisconsin Madison. Diese nutzten ferroelektrisches Polyvinylidenfluorid-Polymer für den 3D-Druck spezieller Blutgefäße, mit dem Ärzte und Patienten Probleme schneller bemerken und notwendige Behandlungen schneller einleiten können.
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