巴斯大學(xué)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(dǎo)讀：自數(shù)百萬年前，諸如細(xì)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(gè)星球，它們對人類生活的幾乎每個(gè)領(lǐng)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(huì)引起嚴(yán)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(zāi)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(huì)對患者構(gòu)成重大健康風(fēng)險(xiǎn)外，還會(huì)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(xué)與阿爾斯特大學(xué)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(fù)合材料，在醫(yī)療植入物應(yīng)用上展現(xiàn)出巨大潛力。

這項(xiàng)研究以題為“Additively ManufacturedFerroelectric Particulate Composites for Antimicrobial Applications/用于抗菌應(yīng)用的增材制造鐵電顆粒復(fù)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(xué)的工程師們表示，電響應(yīng)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(xué)應(yīng)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(fēng)險(xiǎn)。

雖然植入物的使用在臨床上很常見，但所有生物醫(yī)學(xué)植入物都會(huì)帶來一定程度的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)椴牧峡赡軘y帶可導(dǎo)致組織感染的表面生物污染物。

研究團(tuán)隊(duì)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(xué)機(jī)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(xiàng)研究具有廣泛的應(yīng)用范圍。

△新型鐵電復(fù)合材料殺消除細(xì)菌的圖像。資料來源：巴斯大學(xué)

Khanbareh 博士說：“新型鐵電復(fù)合材料可以用來制作對抗感染或大腸桿菌等危險(xiǎn)細(xì)菌的生物醫(yī)學(xué)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(fù)合材料具有作為抗菌材料和表面的巨大潛力。這是一個(gè)可能改變游戲規(guī)則的發(fā)展，我們希望通過與醫(yī)學(xué)研究人員或醫(yī)療保健提供者的合作進(jìn)一步發(fā)展�！�

這項(xiàng)創(chuàng)新歸功于新型鐵電材料的電響應(yīng)特性，這是某些極性材料的一種特性，可以響應(yīng)機(jī)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(dǎo)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(xì)菌。這是通過水分子在極化鐵電復(fù)合材料表面的微電解實(shí)現(xiàn)的。

該研究中的鐵電復(fù)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(xué)應(yīng)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(jī)，以創(chuàng)建特定的多孔“支架”形狀，設(shè)計(jì)出具有高表面積的結(jié)構(gòu)以促進(jìn) 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(fù)合材料也可以在沒有外部干預(yù)的情況下完全根除細(xì)菌細(xì)胞——僅需 15 分鐘即可殺死 70%的細(xì)菌。

△偏振3D 打印壓電顆粒 PCL-BCZT 復(fù)合材料可能的選擇性抗菌機(jī)制示意圖。