Diminutos radiadores de oro fríen las bacterias de los implantes
En la lucha contra la resistencia a los antibióticos, una nueva tecnología desarrollada en la Universidad Tecnológica de Chalmers puede ser de gran importancia cuando, por ejemplo, se insertan quirúrgicamente implantes de cadera y rodilla. Al calentar pequeños nanorods de oro con luz infrarroja cercana (NIR), se eliminan las bacterias y la superficie del implante queda estéril. Los investigadores presentan ahora un nuevo estudio que aumenta los conocimientos sobre cómo la luz afecta a las varillas de oro y cómo puede medirse la temperatura en ellas.
La ilustración muestra cómo se calientan los nanorods de oro cuando se iluminan con luz NIR. A temperaturas superiores a 120 grados Celsius, las barras de oro empiezan a cambiar de forma y sus propiedades ópticas se modifican.
Daniel Spacek, Neuron Collective, neuroncollective.com
Durante las intervenciones quirúrgicas pueden producirse infecciones, y el riesgo aumenta considerablemente cuando se implantan en el cuerpo materiales extraños, como las prótesis de rodilla. La presencia del material debilita el sistema inmunitario del organismo, por lo que suelen utilizarse tratamientos con antibióticos. En caso de infección, suelen requerirse dosis elevadas de antibióticos con tratamientos prolongados, a veces de por vida. Esto conlleva un riesgo de aumento de la resistencia a los antibióticos, que la OMS considera una de las mayores amenazas para la salud humana.
El calor mata las bacterias de la superficie del implante
La tecnología desarrollada por los investigadores de Chalmers es un método en el que se adhieren varillas de oro de tamaño nanométrico a la superficie del implante. Cuando la luz infrarroja cercana (NIR) incide en la superficie del implante, las varillas se calientan y actúan como diminutos elementos calefactores. Como los elementos calefactores son tan pequeños, se produce un calentamiento muy local, que mata las bacterias de la superficie del implante sin calentar el tejido circundante.
"Las varillas de oro absorben la luz, los electrones del oro se ponen en movimiento y, finalmente, los nanorods emiten calor. Se podría decir que los nanorods de oro funcionan como pequeñas sartenes que fríen las bacterias hasta la muerte", explica Maja Uusitalo, estudiante de doctorado en Chalmers y autora principal del estudio, que se ha publicado en la revista Nano Letters.
La luz NIR es invisible a simple vista, pero puede penetrar en los tejidos humanos. Esta propiedad permite calentar los nanorods de oro en la superficie del implante dentro del cuerpo iluminando la piel. Las barras de oro están escasamente distribuidas y cubren sólo un diez por ciento de la superficie del implante. Esto significa que las propiedades beneficiosas del material, como la capacidad de adherirse al hueso, se mantienen en gran medida.
"El truco está en adaptar el tamaño de las varillas. Si las haces un poco más pequeñas o un poco más grandes, absorben luz de longitudes de onda equivocadas. Queremos que la luz absorbida penetre bien en la piel y los tejidos. Porque una vez que el implante está dentro del cuerpo, la luz debe poder llegar a la superficie de la prótesis", dice Martin Andersson, profesor y director de investigación en Chalmers.
Mediciones precisas de la temperatura de la barra de oro
Para comprender mejor cómo funciona esta tecnología y cómo afectan los nanorods de oro calentados por el infrarrojo cercano tanto a las bacterias como a las células humanas, los investigadores necesitaban medir la temperatura de los nanorods. Debido a su diminuto tamaño, es imposible medirla con un termómetro normal, por lo que los investigadores utilizaron rayos X para estudiar cómo se mueven los átomos de oro. El método permite medir con precisión la temperatura de las barras de oro y regularla mediante la intensidad de la luz NIR.
" La temperatura no debe superar los 120 grados centígrados, ya que a temperaturas más altas los nanorods pierden su forma y se transforman en esferas. Como consecuencia, pierden sus propiedades ópticas y ya no pueden absorber la luz NIR con eficacia, lo que impide que las varillas se calienten", explica Maja Uusitalo.
Señala que el calentamiento es muy local, con escasa transferencia de energía al entorno. Esto es crucial para no dañar el tejido circundante.
Los investigadores esperan que el método pueda utilizarse en muchos materiales de implante distintos, como el titanio o diferentes plásticos.
Las barras de oro se vuelven antibacterianas al activarse
Los nanorods de oro permanecen completamente pasivos en la superficie antes de que la luz NIR los caliente. Sólo entonces se activan, se calientan y desencadenan el efecto antibacteriano.
"Podemos controlar cuándo la superficie debe ser antibacteriana y cuándo no. Cuando apagamos la luz, la superficie deja de ser antibacteriana y vuelve a su estado original. Es una ventaja, porque muchas superficies antibacterianas suelen tener efectos negativos en la cicatrización", dice Martin Andersson.
El objetivo es introducir esta tecnología en la atención sanitaria.
"Principalmente creemos en el uso de la luz NIR para calentar poco después de colocar el implante y suturar la herida. Calentando los nanorods de oro podemos eliminar las bacterias que se hayan depositado en la prótesis durante la cirugía", explica Martin Andersson.
Todas las bacterias mueren por el calor de los nanorodos de oro, pero incluso las células normales pueden resultar dañadas durante el tratamiento.
"Si se destruyen unas pocas células humanas durante el proceso de calentamiento NIR, el cuerpo regenera rápidamente otras nuevas, por lo que el impacto en la cicatrización es mínimo", afirma Martin Andersson.
La tecnología de nanorods de oro calentados con NIR ya se ha estudiado en investigaciones sobre el cáncer, pero el grupo de investigación de Chalmers es el primero que la utiliza para crear una superficie antibacteriana en implantes con gran precisión y control.
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