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

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 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 microbiana à superfície do silicone polidimetilsiloxano (PDMS) podem ser significativamente afetadas pela deformação mecânica. Para uma secção 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 factor de 4,2. Testes adicionais de materiais PDMS fundidos em flexão mostraram apenas uma diferença significativa para amostras que foram limpas manualmente (danificadas) previamente (1,75 × 104 e 6,02 × 103 células/mm2 nos lados convexo e côncavo, respectivamente). Demonstramos que microfissuras superficiais em elastômeros são abertas sob tensão de tração (flexão convexa) para serem "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 superficial relativamente alta inerente à fabricação, mas mostramos que mesmo a limpeza manual do PDMS recém-fundido é suficiente para gerar microfissuras superficiais. Consideramos a implicação para dispositivos médicos que apresentam deformação sustentada, cirúrgica ou cíclica, nas quais condições de tração localizadas podem expor esses defeitos superficiais a micróbios oportunistas. Como resultado, nosso trabalho apresenta 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 mamárias de silicone ou implantes faciais1,2. Recentemente, os silicones têm sido a base para uma nova geração de corações artificiais e válvulas cardíacas protéticas, uma vez que os silicones apresentam baixa trombogenicidade, boa estabilidade química e capacidade de fabricação versátil3. Além dos dispositivos implantados, os elastômeros são comuns em dispositivos médicos extracorpóreos, como bombas e tubos em sistemas de diálise.

Apesar da sua utilização generalizada, a colonização microbiana de dispositivos elastoméricos e o subsequente desenvolvimento de infecções baseadas em biofilmes continuam a ser um problema persistente tanto para dispositivos implantados como para dispositivos reutilizáveis. As infecções associadas a dispositivos são responsáveis ​​por 50-70% das quase 2 milhões de infecções associadas aos cuidados de saúde (IRAS) nos EUA4,5. As IACS aumentam significativamente os riscos adversos à saúde, o tempo de internação dos pacientes e os custos do tratamento. A maioria das infecções associadas ao dispositivo é resultado da colonização bacteriana em cateteres, incluindo infecções da corrente sanguínea associadas ao cateter central (CLABSI), infecções do trato urinário associadas a cateteres (CAUTI) e pneumonia associada à ventilação mecânica (PAV)6,7. Dos mais de 5 milhões de cateteres de acesso central inseridos por ano nos EUA, 3–5% desses pacientes sofreram de ICSRC, aumentando significativamente os custos do tratamento8. Uma análise comparativa recente de pacientes que necessitaram de cateterismo intravenoso mostrou que a infecção causou uma média de 2 dias adicionais de internação hospitalar9.

As infecções associadas ao dispositivo começam com a colonização inicial da superfície por patógenos microbianos e subsequente desenvolvimento em um biofilme10,11,12. As células de 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. Sabe-se que esses patógenos desenvolvem resistência a múltiplos medicamentos e, uma vez formados biofilmes, o uso de antibióticos sistêmicos de amplo espectro é frequentemente ineficaz. Se infectado, a remoção e substituição do dispositivo é muitas vezes uma necessidade, o que pode ser uma opção altamente traumática e clinicamente arriscada, com alta probabilidade de reinfecção12.