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等时可能发挥重要作用。通过用近红外光 (NIR) 加热金纳米棒，细菌会被杀死，植入物的表面也会变得无菌。研究人员现在正在展示一项新研究，该研究进一步加深了对金棒如何受光影响以及如何测量其中温度的理解。

手术过程中可能发生感染，当将膝关节假体等异物植入体内时，感染风险会显著增加。这些异物会削弱人体的免疫系统，因此通常会使用抗生素治疗。一旦感染，通常需要使用大剂量抗生素，治疗时间长，有时甚至需要终生治疗。这会增加抗生素耐药性的风险，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

查尔姆斯大学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的方法。当近红外 (NIR) 光照射到植入物表面时，金棒会升温并充当微小的加热元件。由于加热元件非常小，因此加热非常局部，可以杀死植入物表面的任何细菌，而不会加热周围组织。

“金棒吸收光线，金中的电子开始运动，最后纳米棒释放热量。你可以说，金纳米棒就像小煎锅一样，能把细菌煎死，”查尔姆斯大学博士生、这项研究的主要作者玛雅·乌西塔洛 (Maja Uusitalo) 说道，这项研究已发表在《纳米快报》杂志上。

近红外光肉眼不可见，但能够穿透人体组织。这一特性使得金纳米棒能够通过照射皮肤加热体内植入物表面。金棒分布稀疏，仅覆盖植入物表面的约 10%。这意味着这种材料的有益特性(例如附着在骨骼上的能力)在很大程度上得以保留。

“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，它们就会吸收错误波长的光。我们希望被吸收的光能够很好地穿透皮肤和组织。因为一旦植入物进入体内，光就必须能够到达假体的表面，”查尔姆斯大学教授兼研究负责人马丁·安德森说。

精确测量金棒温度

为了进一步了解该技术的工作原理以及近红外加热的金纳米棒如何影响细菌和人体细胞，研究人员需要测量金纳米棒的温度。由于金纳米棒尺寸极小，无法用普通温度计测量，因此研究人员改用 X 射线来研究金原子的运动方式。该方法可以精确测量金纳米棒的温度，以及如何利用近红外光的强度来调节温度。

“温度不能超过 120 摄氏度，因为更高的温度会导致纳米棒失去形状并转变为球体。因此，它们会失去光学特性，无法再有效吸收近红外光，从而阻止纳米棒升温，”Uusitalo 说。

她指出，加热是局部加热，向周围传递的能量很少。这对于避免对周围组织造成任何损伤至关重要。

研究人员希望该方法可以用于许多不同的植入材料，例如钛或不同的塑料。

金棒被激活后具有抗菌作用

在近红外光加热金纳米棒之前，金纳米棒本身在表面是完全被动的。只有当金纳米棒被加热后，金纳米棒才会被激活，变热并引发抗菌作用。

“我们可以控制表面何时应该抗菌，何时不应该抗菌。当我们关掉灯时，表面不再具有抗菌作用，并恢复到其原始状态。这是一个优势，因为许多抗菌表面通常对愈合有负面影响，”安德森说。

目标是最终将这项技术引入医疗保健领域。

“我们主要相信在植入假体并缝合伤口后不久使用近红外光进行加热。通过加热金纳米棒，我们可以消除手术期间可能沉积在假体上的任何细菌，”安德森说。

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到损伤。

安德森说：“如果在近红外加热过程中一些人体细胞被破坏，身体会迅速再生新细胞，因此对愈合的影响微乎其微。”

采用近红外加热金纳米棒的技术此前已在癌症研究中得到研究，但查尔姆斯大学的研究小组是第一个使用该技术在植入物上以高精度和可控的方式创建抗菌表面的团队。