De minuscules radiateurs en or font frire les bactéries sur les implants
Dans la lutte contre la résistance aux antibiotiques, une nouvelle technologie mise au point à l'université de technologie de Chalmers peut être d'une grande importance lorsque, par exemple, des implants de hanche et de genou sont posés par voie chirurgicale. En chauffant de petits nanorobots d'or avec de la lumière infrarouge proche (NIR), les bactéries sont tuées et la surface de l'implant devient stérile. Les chercheurs présentent aujourd'hui une nouvelle étude qui permet de mieux comprendre comment les tiges d'or sont affectées par la lumière et comment la température qu'elles contiennent peut être mesurée.
L'illustration montre comment les nanorobots d'or s'échauffent lorsqu'ils sont éclairés par une lumière proche infrarouge. À des températures supérieures à 120 degrés Celsius, les bâtonnets d'or commencent à changer de forme et leurs propriétés optiques se modifient.
Daniel Spacek, Neuron Collective, neuroncollective.com
Des infections peuvent survenir lors d'interventions chirurgicales, le risque augmentant considérablement lorsque des matériaux étrangers, tels que des prothèses de genou, sont implantés dans le corps. La présence du matériau affaiblit le système immunitaire de l'organisme et des traitements antibiotiques sont couramment utilisés. En cas d'infection, des doses élevées d'antibiotiques sont souvent nécessaires, avec des traitements de longue durée, parfois à vie. Cela entraîne un risque d'augmentation de la résistance aux antibiotiques, considérée par l'OMS comme l'une des plus grandes menaces pour la santé humaine.
La chaleur tue les bactéries à la surface de l'implant
La technologie mise au point par les chercheurs de Chalmers consiste à fixer des tiges d'or de taille nanométrique à la surface de l'implant. Lorsque la lumière infrarouge proche (NIR) frappe la surface de l'implant, les tiges s'échauffent et agissent comme de minuscules éléments chauffants. En raison de la petite taille des éléments chauffants, l'échauffement est très local, ce qui permet de tuer les bactéries présentes à la surface de l'implant sans chauffer les tissus environnants.
"Les tiges d'or absorbent la lumière, les électrons de l'or sont mis en mouvement et enfin les nanorodes émettent de la chaleur. On pourrait dire que les nanorods d'or fonctionnent comme de petites poêles à frire qui font mourir les bactéries", explique Maja Uusitalo, doctorante à Chalmers et auteur principal de l'étude, qui a été publiée dans la revue Nano Letters.
La lumière proche infrarouge est invisible à l'œil nu, mais elle a la capacité de pénétrer les tissus humains. Cette propriété permet de chauffer les nanorobots d'or à la surface de l'implant à l'intérieur du corps en éclairant la peau. Les tiges d'or sont réparties de manière éparse et ne couvrent qu'environ 10 % de la surface de l'implant. Cela signifie que les propriétés bénéfiques du matériau, telles que la capacité à s'attacher à l'os, sont largement conservées.
"L'astuce consiste à adapter la taille des tiges. Si vous les faites un peu plus petites ou un peu plus grandes, elles absorbent la lumière des mauvaises longueurs d'onde. Nous voulons que la lumière absorbée pénètre bien la peau et les tissus. En effet, une fois que l'implant est à l'intérieur du corps, la lumière doit pouvoir atteindre la surface de la prothèse", explique Martin Andersson, professeur et directeur de recherche à Chalmers.
Mesures précises de la température de la tige d'or
Pour mieux comprendre le fonctionnement de la technologie et la manière dont les nanorubans d'or chauffés par le proche infrarouge affectent les bactéries et les cellules humaines, les chercheurs ont dû mesurer la température des bâtonnets. En raison de leur taille minuscule, il est impossible de la mesurer à l'aide d'un thermomètre ordinaire. Les chercheurs ont donc utilisé les rayons X pour étudier le mouvement des atomes d'or. La méthode permet de mesurer avec précision la température des bâtonnets d'or et la façon dont la température peut être régulée en utilisant l'intensité de la lumière NIR.
" La température ne doit pas dépasser 120 degrés Celsius, car à des températures plus élevées, les nanorobots perdent leur forme et se transforment en sphères. Ils perdent alors leurs propriétés optiques et ne peuvent plus absorber efficacement la lumière proche infrarouge, ce qui empêche les bâtonnets de chauffer", explique Maja Uusitalo.
Elle souligne que l'échauffement est très local et que le transfert d'énergie vers l'environnement est faible. Cela est essentiel pour éviter d'endommager les tissus environnants.
Les chercheurs espèrent que cette méthode pourra être utilisée sur de nombreux matériaux d'implants différents, tels que le titane ou d'autres plastiques.
Les tiges d'or deviennent antibactériennes lorsqu'elles sont activées
Les nanorubans d'or eux-mêmes sont totalement passifs sur la surface avant que la lumière NIR ne les chauffe. Ce n'est qu'à ce moment-là que les bâtonnets sont activés, deviennent chauds et déclenchent l'effet antibactérien.
"Nous pouvons contrôler quand la surface doit être antibactérienne et quand elle ne doit pas l'être. Lorsque nous éteignons la lumière, la surface n'est plus antibactérienne et revient à son état initial. C'est un avantage, car de nombreuses surfaces antibactériennes ont généralement des effets négatifs sur la cicatrisation", explique Martin Andersson.
L'objectif est d'introduire cette technologie dans les soins de santé.
"Nous croyons principalement à l'utilisation de la lumière proche infrarouge pour le chauffage peu après la pose de l'implant et la suture de la plaie. En chauffant les nanorodes d'or, nous pouvons éliminer toutes les bactéries qui se sont installées sur la prothèse pendant l'opération", explique Martin Andersson.
Toutes les bactéries meurent sous l'effet de la chaleur dégagée par les nanopodes d'or, mais même les cellules ordinaires peuvent être endommagées pendant le traitement.
"Si quelques cellules humaines sont détruites au cours du processus de chauffage NIR, le corps en régénère rapidement de nouvelles, de sorte que l'impact sur la cicatrisation est minime", explique Martin Andersson.
La technologie des nanorobots d'or chauffés dans le proche infrarouge a déjà été étudiée dans le cadre de la recherche sur le cancer, mais le groupe de recherche de Chalmers est le premier à l'utiliser pour créer une surface antibactérienne sur des implants avec une précision et un contrôle élevés.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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