弯曲植入式医疗设备如何使传染性生物获得立足点

多伦多大学工程研究人员的一项研究表明，医学植入材料的机械变形——例如弯曲或扭曲——会对潜在有害生物膜的形成产生重大影响。

发表在《科学报告》 (Scientific Reports) 上的一篇论文 描述了这项研究 ，该研究表明，即使是聚二甲基硅氧烷 (PDMS)(也称为硅树脂)等弹性材料的轻微弯曲，也会打开微观裂缝，这是细菌繁殖的完美环境。

“这些材料用于各种生物医学应用，从导管到气管导管和假体乳房植入物，”新研究的资深作者本哈顿教授说。

“在这些材料上形成微生物生物膜很常见，但我们惊讶于弯曲硅胶和其他橡胶材料导致这些裂缝可逆地打开和关闭的程度——以及它们在生物膜形成方面的差异有多大”

生物膜是在表面上生长的复杂生物群落。虽然单个微生物细胞对抗生素和身体的天然防御系统都很敏感，但生物膜环境可以保护它们免受这些干预，从而导致持续感染。

与医疗器械生物膜相关的感染有时会在手术后发生，可能会带来严重的健康风险、延长住院时间或导致出院患者再次入院。

哈顿和他的团队是世界上许多开发新材料、涂层和其他方法以防止可能导致此类感染的生物膜形成的团体之一。

但在他们最新的工作中，他们选择研究一些更基础的东西——这些殖民微生物最初是如何获得立足点的?

“部分原因在于我们团队采用的多学科方法，”Hatton 说。

“我们结合了微生物学和材料科学，也结合了机械工程，因为我们讨论的是机械应力、应变和变形。这种弯曲效应是以前没有注意到的。”

该团队测试了各种硅胶样品，包括他们自己合成的一些样品以及用于导尿管的商业级医用管。然后他们对这些样品施加机械力以造成表面损伤。他们的实验表明微裂纹很容易形成。

“我们所做的一件事就是用普通的实验室纸巾简单地擦拭它们很多次，”新论文的第一作者、博士候选人 Desmond van den Berg 说。另外两位共同作者是 Dalal Asker 博士和 Tarek Awad 博士。

“即使这种擦拭也足以造成表面损坏。肉眼看起来还不错，但在显微镜下，我们已经可以看到细菌可以进入的大小的微裂纹。细菌只有几微米大，所以不需要太多。”

其他样品被压成粗糙的脊状图案，以产生一系列规则间隔的微裂纹。

然后将所有样品置于细菌培养板中，并接种 铜绿假单胞菌，这是一种在这些类型的研究中通常用作模型生物的生物膜形成细菌。生长后，样品用荧光染料处理，使任何附着的细菌在光学显微镜下发出绿色光。

“我们看到的是，细菌非常明显地更喜欢附着在这些微小的裂缝中，”van den Berg 说。

“在弯曲的样本中，受拉一侧的细菌数量是受压一侧的四到五倍。这些细胞可以完全选择在哪里生长，但它们显然喜欢所有这些微裂纹都打开的那一面。”

van den Berg 说，唯一保持相对无细菌的样品是在团队自己的实验室中合成的样品，因此保持非常光滑。

“即使是我们没有以任何方式损坏的商业生产的产品，也已经有微裂纹，直接从包装中取出，”他说。

“我们怀疑这些是通过制造过程引入的，源于塑料通过挤压或注塑成型制成管或其他形状的方式。”

哈顿说，这项研究强调了引入促进微生物附着的表面特征是多么容易。对于外科医生来说，一个含义是他们应该注意硅胶装置(如管子或假体植入物)在使用过程中弯曲的情况，并特别注意受拉的一侧，因为这是感染可能开始的地方。

“显然很难简单地不弯曲本来应该弯曲的橡胶管——否则，你为什么一开始就用橡胶做它呢?” 哈顿说。

“但也许我们可以了解更多关于如何控制或隐藏这些表面裂缝的信息，这样弯曲就不是问题了。这就是我们现在正在做的事情：研究减少表面损伤的方法，或改性硅胶表面以减少此类裂纹的形成。”

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