新的金纳米棒技术可以油炸细菌来消毒植入物

在对抗抗生素耐药性的斗争中，瑞典查尔姆斯理工大学开发的一项新技术在手术植入髋关节和膝关节植入物时具有重要意义。通过近红外光（NIR）加热金纳米棒，细菌被杀死，植入物的表面变得无菌。研究人员现在正在进行一项新的研究，该研究增加了对金棒如何受到光的影响以及如何测量金棒内部温度的理解

手术过程中可能会发生感染，当膝关节假体等异物植入体内时，风险会显著增加。这种物质的存在会削弱身体的免疫系统，通常会使用抗生素治疗。如果感染，通常需要高剂量的抗生素，治疗时间很长，有时是终身的。这带来了抗生素耐药性增加的风险，世界卫生组织认为这是对人类健康的最大威胁之一

热量可以杀死植入物表面的细菌

查尔姆斯研究人员开发的技术是一种将纳米级金棒附着在植入物表面上的方法。当近红外（NIR）光照射到植入物的表面时，杆会加热并充当微小的加热元件。因为加热元件很小，所以有非常局部的加热，可以杀死植入物表面的任何细菌，而不会加热周围的组织

“金棒吸收光，金中的电子开始运动，最后纳米棒发出热量。你可以说金纳米棒的工作原理就像小煎锅，可以把细菌煎死，”查尔姆斯大学的博士生、该研究的主要作者Maja Uusitalo说，该研究已发表在《纳米快报》杂志上

近红外光肉眼不可见，但具有穿透人体组织的能力。这种特性允许金纳米棒通过照射皮肤在体内植入物的表面上被加热。金棒分布稀疏，仅覆盖植入物表面的约10%。这意味着材料的有益特性，如附着在骨骼上的能力，在很大程度上得以保留

Chalmers教授兼研究负责人Martin Andersson说：“诀窍在于调整杆的尺寸。如果你把它们做得小一点或大一点，它们会吸收错误波长的光。我们希望被吸收的光能很好地穿透皮肤和组织。因为一旦植入物进入体内，光必须能够到达假体表面。”

金棒温度的精确测量

为了加深对该技术如何工作以及近红外加热的金纳米棒如何影响细菌和人类细胞的理解，研究人员需要测量金棒的温度。由于它们的尺寸很小，不可能用普通温度计进行测量，因此研究人员使用X射线来研究金原子是如何运动的。该方法能够精确测量金棒的温度，以及如何使用近红外光的强度来调节温度

Uusitalo说：“温度不得超过120摄氏度，因为更高的温度会导致纳米棒失去形状并变成球体。因此，它们会失去光学特性，无法再有效地吸收近红外光，从而阻止棒加热。”

她指出，供暖是非常局部的，向周围环境的能量传递很低。这对于避免对周围组织造成任何损伤至关重要

研究人员希望这种方法可以用于许多不同的植入材料，如钛或不同的塑料

金棒在激活后会变得抗菌

在近红外光加热它们之前，金纳米棒本身在表面上是完全被动的。只有到那时，这些杆才会被激活，变热并引发抗菌效果

Andersson说：“我们可以控制表面何时应该抗菌，何时不应该抗菌。当我们关灯时，表面不再抗菌，而是恢复到原始状态。这是一个优势，因为许多抗菌表面通常对愈合有负面影响。”

我们的目标是最终将这项技术引入医疗保健领域

Andersson说：“我们主要相信在植入物放置和伤口缝合后不久使用近红外光进行加热。通过加热金纳米棒，我们可以消除手术过程中可能附着在假体上的任何细菌。”

所有细菌都会因金纳米棒的热量而死亡，但即使是普通细胞也会在治疗过程中受损

Andersson说：“如果在近红外加热过程中破坏了一些人体细胞，身体会迅速再生新的细胞，因此对愈合的影响很小。”

使用近红外加热金纳米棒的技术此前已在癌症研究中进行过研究，但Chalmers的研究小组是第一个使用该技术在植入物上创造高精度和高控制力的抗菌表面的研究小组 More information: Maja Uusitalo et al, Photothermal Properties of Solid-Supported Gold Nanorods, Nano Letters (2024). DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c03472

Journal information: Nano Letters