巴斯大學開發(fā)出具有抗菌性的3D打印鐵電材料，可用作醫(yī)療植入物

導讀：自數(shù)百萬年前，諸如細菌、病毒、真菌、藻類和許多其他生物在內(nèi)的微生物就開始存在于這個星球，它們對人類生活的幾乎每個領域都產(chǎn)生了非同尋常的影響，無論是有益的還是有害的。例如，它們會引起嚴重的感染性疾病，敗血癥就是其中之一。這些微生物一旦出現(xiàn)在用于人體的醫(yī)療植入物上，那將是毀滅性的災難。然而，這些生物材料表面的污染總是難以避免的，這除了會對患者構(gòu)成重大健康風險外，還會給醫(yī)療保健系統(tǒng)帶來巨額的損失。因此，發(fā)現(xiàn)新的可持續(xù)、無毒的方法以防止生物植入物表面微生物污染具有重要意義。

2023年4月8日，南極熊獲悉，來自巴斯大學與阿爾斯特大學的工程師展開合作，他們通過使用新型多材料3D 打印首次成功地創(chuàng)造了一種具有抗菌特性的新型鐵電復合材料，在醫(yī)療植入物應用上展現(xiàn)出巨大潛力。

這項研究以題為“Additively ManufacturedFerroelectric Particulate Composites for Antimicrobial Applications/用于抗菌應用的增材制造鐵電顆粒復合材料”論文被發(fā)表在《Advanced Materials Technologies》期刊上。

相關(guān)論文鏈接：https://doi.org/10.1002/admt.202202127

據(jù)巴斯大學的工程師們表示，電響應鐵電材料的使用賦予了植入物抗感染的特性，使其成為生物醫(yī)學應用的理想選擇，例如心臟瓣膜、支架和骨植入物，它們可以降低患者感染的風險。

雖然植入物的使用在臨床上很常見，但所有生物醫(yī)學植入物都會帶來一定程度的風險，因為材料可能攜帶可導致組織感染的表面生物污染物。

研究團隊此前曾使用這種 3D 打印技術(shù)來制造用于骨組織工程的三維支架。巴斯大學機械工程系材料與結(jié)構(gòu)講師 Hamideh Khanbareh 博士是該研究的主要作者，他表示這項研究具有廣泛的應用范圍。

△新型鐵電復合材料殺消除細菌的圖像。資料來源：巴斯大學

Khanbareh 博士說：“新型鐵電復合材料可以用來制作對抗感染或大腸桿菌等危險細菌的生物醫(yī)學植入物，它可以為患者和醫(yī)療保健提供者帶來明顯的好處。我們的研究表明，我們創(chuàng)造的鐵電復合材料具有作為抗菌材料和表面的巨大潛力。這是一個可能改變游戲規(guī)則的發(fā)展，我們希望通過與醫(yī)學研究人員或醫(yī)療保健提供者的合作進一步發(fā)展�！�

這項創(chuàng)新歸功于新型鐵電材料的電響應特性，這是某些極性材料的一種特性，可以響應機械能或溫度的變化產(chǎn)生表面電荷。在鐵電薄膜和植入物中，這種電荷可以導致一種被稱為活性氧 (ROS) 的自由基的形成，它可以選擇性地根除細菌。這是通過水分子在極化鐵電復合材料表面的微電解實現(xiàn)的。

該研究中的鐵電復合材料就是利用這種現(xiàn)象發(fā)揮作用的，它是通過將鐵電體鋯鈦酸鈣鋇(BCZT) 微粒嵌入聚己內(nèi)酯 (PCL) 中制成的，聚己內(nèi)酯是一種廣泛用于生物醫(yī)學應用的可生物降解聚合物。然后將鐵電顆粒和聚合物的混合物送入 3D 生物打印機，以創(chuàng)建特定的多孔“支架”形狀，設計出具有高表面積的結(jié)構(gòu)以促進 ROS 形成。

△ a) 合成的 BCZT 粉末的 SEM 顯微照片和粒度分析。b) 合成的 BCZT 粉末的 XRD 光譜。

最終的測試結(jié)果表明，即使被高濃度的侵略性大腸桿菌污染，復合材料也可以在沒有外部干預的情況下完全根除細菌細胞——僅需 15 分鐘即可殺死 70%的細菌。

△偏振3D 打印壓電顆粒 PCL-BCZT 復合材料可能的選擇性抗菌機制示意圖。