用药物洗脱医疗设备对抗细菌感染

医疗从业者通常为患者配备各种设备，从心血管支架、起搏器、导管、治疗镜片到矫形、乳房、牙科和耳蜗植入物和假体。这些配件恢复了机动性，改善了数百万人的生活方式。然而，尽管创造了新的生物相容性材料，医用植入物仍然特别容易受到细菌感染。细菌要么是事先存在的，要么是在手术过程中接种的，这削弱了宿主的防御机制。事实上，外科患者中近15%的院内感染与留置医疗设备有关。

只要坚持植入物细菌聚集并产生生物膜，这是一种由DNA、蛋白质和多糖组成的保护环境。抑制生物膜的形成是很重要的，因为它大大增加了细菌对宿主免疫系统和抗菌剂的抵抗力。在许多情况下，一旦形成生物膜，有效根除感染的唯一方法是完全移除植入物，用抗生素清除细菌，最终更换植入物。这一过程既耗时又昂贵，并对患者的健康构成重大风险。

植入物感染通常对全身抗生素治疗和自然宿主防御具有高度耐药性。传统的系统性抗生素给药会导致靶点浓度过低，导致许多抗生素无效。然而，虽然较高浓度的抗生素杀死了更多的细菌，但它们也会对患者造成不良的副作用，如毒性和肾脏或肝脏并发症。植入物表面有防粘涂层，可释放抗菌药物虽然同时限制坚持，但似乎是对抗细菌感染的有效方法。然而，这些涂层可以通过阻止骨细胞粘附在假体上而对种植体与骨的融合产生负面影响。

医学界最近的一项进展涉及临床、药物-将治疗药物分散到金属植入物的聚合物表面的涂层。当与细胞周围的间质液接触时，多孔涂层中的生物相容性聚合物在很长一段时间内将药物释放到目标器官或组织。在本周四发表的一篇文章中应用数学杂志， Raquel Bernardes, José Ferreira, Paula de Oliveira, Mario Grassi和Manuel Nhangumbe数学模型它探索了细菌种群之间的相互作用，它们定植的材料，以及从它们附着的医疗设备中输送的药物。简而言之，他们感兴趣的是聚合物的孔隙度和细菌对聚合物涂层和药物的依赖和反应。

de Oliveira说:“防止生物膜形成的最常见方法之一是将抗菌药物分散在植入物的聚合涂层中。”“在药物洗脱心血管支架、治疗用隐形眼镜和眼内植入物等医疗设备中，药物分散在生物相容性和生物可降解聚合物基质中，并且释放遵循预定义的模式。”

在构建模型时，作者对药物洗脱植入物表面的生物、化学和物理相互作用做了一些假设。一个这样的假设是，一种最初的固体药物分散在植入医疗设备的可生物降解聚合物涂层中。费雷拉说:“当与间质液接触时，药物溶解并扩散。”“因此，为了分别控制固体和溶解药物的行为，我们需要两个偏微分方程(PDEs)。固体药物溶解是因为间质液渗透聚合物涂层并与固体药物接触。所以第三个PDE是需要的组织液．"

因此，研究人员的模型由对流-扩散-反应型pde系统组成，并与常微分方程(ODE)耦合。ODE控制附着在植入物表面的细菌种群密度的时间演化，这意味着它的溶液取决于PDE的溶液。为了简单起见，作者只将细菌的密度描述为时间的函数。一个积分函数，它表示在给定时间由聚合物涂层释放的药物质量，将pde与ODE连接起来。

作者指出，该设备涂层的多孔性不会以任何方式损害医疗设备本身的强度。然而，聚合物孔隙度当然是复杂的。de Oliveira说:“随着孔隙度的增加，会发生两种相反的情况。“更大的孔隙率会导致更高的药物释放水平，我们可以预期随后的细菌密度会下降。相反，更高的孔隙度为细菌提供了更大的附着表面，从而提高了生存的可能性。”因此，研究小组将细菌生长速度视为孔隙度的函数，以解释细菌增殖对孔隙度的依赖。

他们的模型表明，成功的药物治疗取决于药物作用和细菌增殖之间的微妙平衡。“有效扩散越大，细菌数量就越少，”Grassi说。“有效的扩散取决于药物扩散和聚合物涂层的性能。因此，一场成功的战斗不仅取决于药物的性质，而且还取决于药物的降解率和孔隙率涂层药物被分散的地方。如果有效扩散不够大，细菌密度就会爆炸。”

随着时间的推移，留置医疗设备、植入物和假体的使用将继续增长，并逐步纳入创新技术，如组织工程、皮下微传感器和人工细胞外基质。因此，从业人员将越来越依赖于数学模型，以检查药物从这些设备的聚合物涂层，测试机械性能，并模拟各种药物释放场景。这些模型弥合了理论分析和更多实际结果之间的差距，帮助医生了解患者术后的即时反应和长期防御能力。

该团队目前正在推进目前的工作，研究手术中败血症的影响，植入受污染的植入物，及其与患者体内先前存在的感染病灶的相互作用。de Oliveira说:“现在用PDE来描述细菌种群，因为在这种情况下，空间是至关重要的。”“我们正在解决关于先前存在的感染病灶的拓扑结构以及植入物污染的程度和‘形状’的问题。”