La deformazione meccanica dei dispositivi medici in elastomero può consentire la colonizzazione microbica della superficie

Oct 01, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 7691 (2023) Citare questo articolo

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Gli elastomeri come il silicone sono comuni nei dispositivi medici (cateteri, impianti protesici, endoscopi), ma rimangono soggetti alla colonizzazione microbica e alle infezioni da biofilm. Per la prima volta, il nostro lavoro mostra che i tassi di attacco microbico alla superficie del silicone polidimetilsilossano (PDMS) possono essere significativamente influenzati dalla deformazione meccanica. Per una sezione di catetere commerciale piegato, i batteri (P. aeruginosa) mostrano una forte preferenza per il lato "convesso" rispetto a quello "concavo", di un fattore 4,2. Ulteriori test sui materiali PDMS fusi in piegatura hanno mostrato solo una differenza significativa per i campioni che erano stati precedentemente puliti manualmente (danneggiati) (1,75 × 104 e 6,02 × 103 cellule/mm2 rispettivamente sui lati convesso e concavo). Dimostriamo che le microfessure superficiali negli elastomeri vengono aperte sotto stress da trazione (flessione convessa) per diventare "attivate" come siti per la colonizzazione microbica. Questo lavoro dimostra che l'elevato limite elastico degli elastomeri consente a queste microfessure di aprirsi e chiudersi in modo reversibile, come "difetti dinamici". I cateteri commerciali hanno una ruvidità superficiale relativamente elevata inerente alla produzione, ma dimostriamo che anche la pulizia manuale del PDMS appena fuso è sufficiente per generare microfessure superficiali. Consideriamo le implicazioni per i dispositivi medici che presentano una deformazione prolungata, chirurgica o ciclica, in cui condizioni di trazione localizzate possono esporre questi difetti superficiali a microbi opportunistici. Di conseguenza, il nostro lavoro evidenzia seri potenziali problemi nell’uso diffuso e nello sviluppo degli elastomeri nei dispositivi medici.

Elastomeri come siliconi, poliuretani e polivinilcloruro (PVC) sono stati utilizzati per la prima volta nei dispositivi medici negli anni '50 e sono ora ampiamente utilizzati. Gli esempi includono cateteri urinari in polidimetilsilossano (PDMS), cateteri PICC in poliuretano, guaine per endoscopi e un'ampia gamma di prodotti per chirurgia plastica ricostruttiva, come protesi mammarie in silicone o impianti facciali1,2. Recentemente i siliconi hanno costituito la base per una nuova generazione di valvole cardiache artificiali e protesiche poiché i siliconi hanno una bassa trombogenicità, una buona stabilità chimica e una producibilità versatile3. Oltre ai dispositivi impiantati, gli elastomeri sono comuni nei dispositivi medici extracorporei come pompe e tubi nei sistemi di dialisi.

Nonostante il loro uso diffuso, la colonizzazione microbica dei dispositivi elastomerici e il successivo sviluppo di infezioni basate su biofilm rimangono un problema persistente sia per i dispositivi impiantati che per quelli riutilizzabili. Le infezioni associate ai dispositivi sono responsabili del 50-70% dei quasi 2 milioni di infezioni associate all'assistenza sanitaria (ICA) negli Stati Uniti4,5. Le IOS aumentano significativamente i rischi avversi per la salute, la durata della degenza ospedaliera dei pazienti e i costi del trattamento. La maggior parte delle infezioni associate al dispositivo sono il risultato della colonizzazione batterica sui cateteri, comprese le infezioni del flusso sanguigno associate alla linea centrale (CLABSI), le infezioni del tratto urinario associate al catetere (CAUTI) e la polmonite associata al ventilatore (VAP)6,7. Degli oltre 5 milioni di cateteri centrali inseriti ogni anno negli Stati Uniti, il 3-5% di questi pazienti soffriva di CLABSI, con un aumento significativo dei costi di trattamento8. Una recente analisi comparativa di pazienti che necessitano di cateterizzazione endovenosa ha mostrato che l'infezione ha causato in media 2 giorni aggiuntivi di degenza ospedaliera9.

Le infezioni associate al dispositivo iniziano con la colonizzazione iniziale della superficie da parte di agenti microbici e il successivo sviluppo in un biofilm10,11,12. Le cellule in un biofilm producono sostanze polimeriche extracellulari che le proteggono da disinfettanti, antibiotici e meccanismi di difesa dell'ospite e di conseguenza i biofilm sono persistenti e difficili da sradicare5,13,14,15,16,17,18,19. Vari batteri gram-positivi (Enterococcus faecalis, Staphylococcus aureus, S. epidermidis), batteri gram-negativi (Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Proteus mirabilis, Pseudomonas aeruginosa) e funghi (Candida albicans) vengono comunemente isolati dai dispositivi medici espiantati12. È noto che questi agenti patogeni sviluppano resistenza multifarmaco e una volta che formano biofilm, l’uso di antibiotici sistemici ad ampio spettro è spesso inefficace. In caso di infezione, la rimozione e la sostituzione del dispositivo sono spesso una necessità, il che può rappresentare un'opzione altamente traumatica e rischiosa dal punto di vista medico con un'alta probabilità di reinfezione12.