A deformação mecânica de dispositivos médicos de elastômero pode permitir a colonização microbiana da superfície

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 7691 (2023) Citar este artigo

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Elastômeros como o silicone são comuns em dispositivos médicos (cateteres, implantes protéticos, endoscópios), mas permanecem propensos à colonização microbiana e infecções por biofilme. Pela primeira vez, nosso trabalho mostra que as taxas de adesão da superfície microbiana ao silicone de polidimetilsiloxano (PDMS) podem ser significativamente afetadas pela deformação mecânica. Para uma seção de tubo de cateter comercial dobrado, as bactérias (P. aeruginosa) mostram uma forte preferência pelo lado 'convexo' em comparação com o lado 'côncavo', por um fator de 4,2. Testes adicionais de materiais PDMS fundidos em flexão mostraram apenas uma diferença significativa para amostras que foram limpas manualmente (danificadas) de antemão (1,75 × 104 e 6,02 × 103 células/mm2 nos lados convexo e côncavo, respectivamente). Demonstramos que as microfissuras superficiais em elastômeros são abertas sob tensão de tração (curvatura convexa) para se tornarem 'ativadas' como locais para colonização microbiana. Este trabalho demonstra que o alto limite elástico dos elastômeros permite que essas microfissuras abram e fechem reversivelmente, como 'defeitos dinâmicos'. Cateteres comerciais têm rugosidade de superfície relativamente alta inerente à fabricação, mas mostramos que mesmo a limpeza manual de PDMS recém-fundido é suficiente para gerar microfissuras na superfície. Consideramos a implicação para dispositivos médicos que apresentam deformação sustentada, cirúrgica ou cíclica, em que condições de tração localizadas podem expor esses defeitos de superfície a micróbios oportunistas. Como resultado, nosso trabalho mostra sérios problemas potenciais no uso generalizado e no desenvolvimento de elastômeros em dispositivos médicos.

Elastômeros como silicones, poliuretanos e policloreto de vinila (PVC) foram usados ​​pela primeira vez em dispositivos médicos na década de 1950 e agora são amplamente utilizados. Exemplos incluem cateteres urinários de polidimetilsiloxano (PDMS), cateteres PICC de poliuretano, bainhas de endoscópio e uma ampla gama de produtos de cirurgia plástica reconstrutiva, como próteses de silicone para mama ou implantes faciais1,2. Recentemente, os silicones têm sido a base para uma nova geração de coração artificial e válvulas cardíacas protéticas, pois os silicones têm baixa trombogenicidade, boa estabilidade química e versatilidade de fabricação3. Além dos dispositivos implantados, os elastômeros são comuns em dispositivos médicos extracorpóreos, como bombas e tubos em sistemas de diálise.

Apesar de seu uso generalizado, a colonização microbiana de dispositivos elastoméricos e o subsequente desenvolvimento de infecções baseadas em biofilmes continuam sendo um problema persistente, tanto para dispositivos implantados quanto para dispositivos reutilizáveis. As infecções associadas a dispositivos são responsáveis ​​por 50 a 70% das quase 2 milhões de infecções associadas à assistência à saúde (HAIs) nos EUA4,5. As IRAS aumentam significativamente os riscos adversos à saúde, o tempo de internação dos pacientes e os custos do tratamento. A maioria das infecções associadas a dispositivos é resultado da colonização bacteriana em cateteres, incluindo infecções da corrente sanguínea associadas à linha central (CLABSI), infecções do trato urinário associadas a cateteres (CAUTI) e pneumonia associada ao ventilador (PAV)6,7. Dos mais de 5 milhões de cateteres de linha central inseridos por ano nos EUA, 3 a 5% desses pacientes sofreram de CLABSIs, aumentando significativamente os custos do tratamento8. Uma análise comparativa recente de pacientes que necessitam de cateterismo intravenoso mostrou que a infecção causou uma média de 2 dias adicionais de internação9.

As infecções associadas a dispositivos começam com a colonização inicial da superfície por patógenos microbianos e subsequente desenvolvimento em um biofilme10,11,12. As células em um biofilme produzem substâncias poliméricas extracelulares, que as protegem de desinfetantes, antibióticos e mecanismos de defesa do hospedeiro e, como resultado, os biofilmes são persistentes e difíceis de erradicar5,13,14,15,16,17,18,19. Várias bactérias gram-positivas (Enterococcus faecalis, Staphylococcus aureus, S. epidermidis), bactérias gram-negativas (Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Proteus mirabilis, Pseudomonas aeruginosa) e fungos (Candida albicans) são comumente isoladas de dispositivos médicos explantados12. Esses patógenos são conhecidos por desenvolver resistência a múltiplas drogas e, uma vez que formam biofilmes, o uso de antibióticos sistêmicos de amplo espectro é frequentemente ineficaz. Se infectado, a remoção e substituição do dispositivo geralmente é uma necessidade, o que pode ser uma opção altamente traumática e de risco médico com alta probabilidade de reinfecção12.