Dans la lutte contre la résistance aux antibiotiques, une nouvelle technologie développée à l’Université de technologie Chalmers, en Suède, peut s’avérer d’une grande importance lorsque, par exemple, des implants de hanche et de genou sont insérés chirurgicalement. En chauffant de petites nanobâtonnets d'or avec une lumière proche infrarouge (NIR), les bactéries sont tuées et la surface de l'implant devient stérile. Les chercheurs présentent maintenant une nouvelle étude qui permet de mieux comprendre comment les tiges d’or sont affectées par la lumière et comment leur température peut être mesurée.
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 de ce 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 durées de traitement longues, 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 présentes à la surface de l'implant
La technologie développée par les chercheurs de Chalmers est une méthode dans laquelle des tiges d'or de taille nanométrique sont fixées à la surface de l'implant. Lorsque la lumière proche infrarouge (NIR) frappe la surface de l’implant, les tiges chauffent et agissent comme de minuscules éléments chauffants. Les éléments chauffants étant si petits, il se produit un chauffage très local, qui tue toutes les bactéries présentes à la surface de l'implant sans chauffer les tissus environnants.
« Les bâtonnets d'or absorbent la lumière, les électrons contenus dans l'or sont mis en mouvement et enfin les nanotiges émettent de la chaleur. On pourrait dire que les nanotiges d'or fonctionnent comme de petites poêles à frire qui font frire les bactéries jusqu'à ce qu'elles meurent. » déclare Maja Uusitalo, doctorante à Chalmers et auteur principal de l'étude, publiée dans la revue Lettres nano.
La lumière NIR est invisible à l’œil nu mais a la capacité de pénétrer dans les tissus humains. Cette propriété permet aux nanobâtonnets d’or d’être chauffés à la surface de l’implant à l’intérieur du corps en illuminant la peau. Les tiges d'or sont peu réparties et ne couvrent qu'environ dix pour cent de la surface de l'implant. Cela signifie que les propriétés bénéfiques du matériau, telles que la capacité de fixation sur les os, sont largement conservées.
L'astuce consiste à adapter la taille des tiges. Si vous les réduisez un peu ou un peu plus, ils absorbent la lumière de mauvaises longueurs d’onde. Nous voulons que la lumière absorbée pénètre bien dans la peau et les tissus. Car une fois l’implant à l’intérieur du corps, la lumière doit pouvoir atteindre la surface de la prothèse. »
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 nanotiges d'or chauffées par NIR affectent à la fois les bactéries et les cellules humaines, les chercheurs ont dû mesurer la température des tiges. En raison de leur petite taille, il est impossible de mesurer avec un thermomètre ordinaire. Les chercheurs ont plutôt utilisé les rayons X pour étudier le mouvement des atomes d'or. La méthode permet de mesurer avec précision la température des tiges d’or et de déterminer comment la température peut être régulée à l’aide de l’intensité de la lumière NIR.
» La température ne doit pas dépasser 120 degrés Celsius, car des températures plus élevées font perdre leur forme aux nanotiges et se transforment en sphères. En conséquence, elles perdent leurs propriétés optiques et ne peuvent plus absorber efficacement la lumière NIR, ce qui empêche les tiges de chauffer. » dit Maja Uusitalo.
Elle souligne que le chauffage est très local avec un faible transfert d'énergie vers l'environnement. Ceci est crucial pour éviter de causer des dommages aux tissus environnants.
Les chercheurs espèrent que la méthode pourra être utilisée sur de nombreux matériaux d’implants différents, tels que le titane ou différents plastiques.
Les tiges d'or deviennent antibactériennes lorsqu'elles sont activées
Les nanotiges d'or elles-mêmes sont complètement passives en surface avant que la lumière NIR ne les chauffe. Ce n'est qu'alors 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. Lorsque nous éteignons la lumière, la surface n'est plus antibactérienne et revient à son état d'origine. C'est un avantage car de nombreuses surfaces antibactériennes ont généralement des effets négatifs sur la cicatrisation. « , déclare Martin Andersson.
L’objectif est d’introduire à terme cette technologie dans les soins de santé.
« Nous croyons principalement à l'utilisation de la lumière NIR pour chauffer peu de temps après la pose de l'implant et la suture de la plaie. En chauffant les nanotiges d'or, nous pouvons éliminer toutes les bactéries qui auraient pu s'installer sur la prothèse pendant l'intervention chirurgicale. » dit Martin Andersson.
Toutes les bactéries meurent à cause de la chaleur des nanobâtonnets d'or, mais même les cellules ordinaires peuvent être endommagées pendant le traitement.
« Si quelques cellules humaines sont détruites pendant le processus de chauffage NIR, le corps en régénère rapidement de nouvelles, de sorte que l'impact sur la guérison est minime », explique Martin Andersson.
La technologie des nanotiges d'or chauffées par NIR a déjà été étudiée dans la recherche sur le cancer, mais le groupe de recherche de Chalmers est le premier à utiliser cette technologie pour créer une surface antibactérienne sur les implants avec une précision et un contrôle élevés.
