Механическая деформация эластомерных медицинских изделий может привести к колонизации поверхности микробами.

Jul 19, 2023

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 7691 (2023) Цитировать эту статью

790 Доступов

39 Альтметрика

Подробности о метриках

Эластомеры, такие как силикон, широко распространены в медицинских устройствах (катетеры, протезные имплантаты, эндоскопы), но они по-прежнему склонны к микробной колонизации и инфекциям биопленок. Наша работа впервые показывает, что на скорость прикрепления микроорганизмов к поверхности полидиметилсилоксанового (ПДМС) силикона может существенно влиять механическая деформация. На участке изогнутой трубки промышленного катетера бактерии (P. aeruginosa) отдают предпочтение «выпуклой» стороне по сравнению с «вогнутой» стороной (в 4,2 раза). Дальнейшие испытания литых материалов ПДМС на изгиб показали достоверную разницу только для образцов, предварительно протертых (поврежденных) вручную (1,75 × 104 и 6,02 × 103 ячеек/мм2 на выпуклой и вогнутой сторонах соответственно). Мы продемонстрировали, что поверхностные микротрещины в эластомерах открываются под действием растягивающего напряжения (выпуклый изгиб) и становятся «активированными» местами для микробной колонизации. Эта работа демонстрирует, что высокий предел упругости эластомеров позволяет этим микротрещинам обратимо открываться и закрываться, образуя «динамические дефекты». Коммерческие катетеры имеют относительно высокую шероховатость поверхности, присущую производству, но мы показываем, что даже ручная очистка только что отлитого ПДМС достаточна для образования микротрещин на поверхности. Мы рассматриваем последствия для медицинских устройств, которые имеют устойчивую, хирургическую или циклическую деформацию, при которой локализованные условия растяжения могут подвергать эти поверхностные дефекты воздействию условно-патогенных микробов. В результате наша работа демонстрирует серьезные потенциальные проблемы в широком использовании и разработке эластомеров в медицинских устройствах.

Эластомеры, такие как силиконы, полиуретаны и поливинилхлорид (ПВХ), впервые были использованы в медицинских устройствах в 1950-х годах и в настоящее время широко используются. Примеры включают полидиметилсилоксановые (PDMS) мочевые катетеры, полиуретановые катетеры PICC, чехлы для эндоскопов и широкий спектр продуктов реконструктивной пластической хирургии, таких как силиконовые протезы груди или лицевые имплантаты1,2. В последнее время силиконы стали основой нового поколения искусственного сердца и протезов сердечных клапанов, поскольку силиконы обладают низкой тромбогенностью, хорошей химической стабильностью и универсальностью в изготовлении3. Помимо имплантированных устройств, эластомеры широко распространены в экстракорпоральных медицинских устройствах, таких как насосы и трубки в системах диализа.

Несмотря на широкое использование, микробная колонизация эластомерных устройств и последующее развитие инфекций, вызванных биопленками, остаются постоянной проблемой как для имплантированных, так и для многоразовых устройств. Инфекции, связанные с устройствами, являются причиной 50–70% из почти 2 миллионов инфекций, связанных со здравоохранением (ИСМП) в США4,5. ИСМП значительно увеличивают неблагоприятные риски для здоровья, продолжительность пребывания пациентов в больнице и затраты на лечение. Большинство инфекций, связанных с использованием устройств, являются результатом бактериальной колонизации катетеров, включая инфекции центральной линии кровотока (CLABSI), катетер-ассоциированные инфекции мочевыводящих путей (CAUTI) и вентилятор-ассоциированную пневмонию (ВАП)6,7. Из более чем 5 миллионов катетеров по центральной линии, устанавливаемых ежегодно в США, 3–5% этих пациентов страдали от CLABSI, что значительно увеличивало затраты на лечение8. Недавний сравнительный анализ пациентов, нуждающихся в внутривенной катетеризации, показал, что инфекция вызывала в среднем два дополнительных дня пребывания в больнице9.

Инфекции, связанные с устройством, начинаются с первоначальной колонизации поверхности микробными патогенами и последующего развития в биопленку10,11,12. Клетки в биопленке производят внеклеточные полимерные вещества, которые защищают их от дезинфицирующих средств, антибиотиков и защитных механизмов хозяина, в результате чего биопленки устойчивы и их трудно искоренить5,13,14,15,16,17,18,19. Из эксплантированных медицинских изделий обычно выделяют различные грамположительные бактерии (Enterococcus faecalis, Staphylococcus aureus, S. epidermidis), грамотрицательные бактерии (Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Proteus mirabilis, Pseudomonas aeruginosa) и грибы (Candida albicans)12. Известно, что эти патогены развивают множественную лекарственную устойчивость, и как только они образуют биопленки, применение системных антибиотиков широкого спектра действия часто оказывается неэффективным. В случае заражения часто возникает необходимость в удалении и замене устройства, что может быть высокотравматичным и рискованным с медицинской точки зрения вариантом с высокой вероятностью повторного заражения12.