A smart coating with integrated physical antimicrobial and strain-mapping functionalities for orthopedic implants

植入 材料科学 假体周围 生物医学工程 涂层 生物相容性 骨科手术 植入物失效 应变计 生物力学 纳米技术 医学 关节置换术 复合材料 外科 冶金 生理学
作者
Yi Zhang,Jinsong Cui,Kuan‐Yu Chen,Shanny Hsuan Kuo,Jaishree Sharma,Rimsha Bhatta,Zheng Liu,Austin Ellis‐Mohr,Fufei An,Jiahui Li,Qian Chen,Kari D. Foss,Hua Wang,Yumeng Li,Annette M. McCoy,Gee W. Lau,Qing Cao
出处
期刊:Science Advances [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:9 (18) 被引量:33
标识
DOI:10.1126/sciadv.adg7397
摘要

The prevalence of orthopedic implants is increasing with an aging population. These patients are vulnerable to risks from periprosthetic infections and instrument failures. Here, we present a dual-functional smart polymer foil coating compatible with commercial orthopedic implants to address both septic and aseptic failures. Its outer surface features optimum bioinspired mechano-bactericidal nanostructures, capable of killing a wide spectrum of attached pathogens through a physical process to reduce the risk of bacterial infection, without directly releasing any chemicals or harming mammalian cells. On its inner surface in contact with the implant, an array of strain gauges with multiplexing transistors, built on single-crystalline silicon nanomembranes, is incorporated to map the strain experienced by the implant with high sensitivity and spatial resolution, providing information about bone-implant biomechanics for early diagnosis to minimize the probability of catastrophic instrument failures. Their multimodal functionalities, performance, biocompatibility, and stability are authenticated in sheep posterolateral fusion model and rodent implant infection model.
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