Els empelts ossis —materials utilitzats per reparar, substituir o regenerar os danyat— han transformat el tractament de nombroses lesions de l'esquelet. Tanmateix, encara persisteix un repte important: fins i tot després d'una intervenció quirúrgica realitzada amb èxit, els bacteris poden colonitzar aquests materials i provocar infeccions persistents que requereixen tractaments prolongats amb antibiòtics o, fins i tot, intervencions quirúrgiques addicionals. Davant l'augment de la resistència als antibiòtics, la recerca explora una nova estratègia: i si el mateix empelt ossi pogués ajudar a prevenir les infeccions?

Un material que està despertant gran interès és la hidroxiapatita deficient en calci (CDHA, per les seves sigles en anglès). La composició de la CDHA és similar al component mineral de l'os humà i afavoreix la regeneració òssia. Sota determinades condicions de processament, la CDHA desenvolupa una superfície formada per diminuts cristalls en forma d'agulla, estretament agrupats i de només uns quants nanòmetres d'amplada.

Per a un bacteri, aquesta superfície equival a un llit cobert de diminutes punxes. Estudis previs han demostrat que, quan intenta adherir-s'hi, la cèl·lula bacteriana es veu obligada a estirar-se sobre aquests cristalls en forma d'agulla, fet que provoca danys al seu embolcall cel·lular o fins i tot la seva mort. Això dificulta considerablement la colonització bacteriana, però la CDHA és molt més que un entorn físic hostil. A diferència d'altres nanoestructures antibacterianes fabricades amb materials químicament inerts, com ara el silici, l'or o el titani, la CDHA és un biomaterial bioactiu que intercanvia contínuament ions de calci i de fosfat amb el medi que l'envolta. Com responen els bacteris a una superfície que combina una nanoestructura en forma d'agulles amb la capacitat d'alliberar ions?

Un nou estudi liderat Montserrat Español Pons, Marc Iglesias Fernández i Maria Pau Ginebra Molins de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) ha permès observar aquesta interacció amb gran detall. Treballant a la línia de llum MISTRAL del Sincrotró ALBA, l'equip va combinar tècniques avançades que van permetre no només visualitzar l'estructura tridimensional dels bacteris, sinó també quantificar i cartografiar la distribució del calci a l'interior de cada cèl·lula bacteriana.

El grup va exposar colònies de Bacillus subtilis a superfícies de CDHA nanoestructurades i van obtenir imatges tridimensionals per examinar els canvis en l'estructura general i l'organització interna dels bacteris. Les imatges van revelar indicis de dany mecànic a les cèl·lules bacterianes, com ara parets cel·lulars trencades, fuita del contingut citoplasmàtic i formació de cossos multivesiculars, tots ells signes característics d'un estrès cel·lular intens. Mitjançant tècniques avançades d'espectromicroscòpia, el grup de recerca també va observar que alguns bacteris acumulaven calci al seu interior després de l'exposició a les superfícies de CDHA, una troballa coherent amb l'alliberament de calci per part del material. En altres paraules, els bacteris no només interactuaven amb la superfície nanoestructurada, sinó també amb el calci alliberat pel material.

Curiosament, el calci addicional no va semblar afectar la viabilitat dels bacteris. Bacillus subtilis és naturalment tolerant als canvis en la concentració d'ions, fet que probablement explica la seva capacitat d'adaptar-se al calci alliberat. Aquests resultats suggereixen que l'efecte bactericida observat es deu principalment a la interacció física entre els bacteris i la superfície nanoestructurada, més que no pas a l'acció química del calci alliberat.

Tanmateix, aquest intercanvi actiu d'ions aporta informació valuosa sobre com interactuen els bacteris amb els empelts ossis bioactius i obre la porta al disseny de materials de nova generació enriquits amb ions d'elevada activitat bactericida. Combinant ions alternatius capaços d'induir dany bioquímic amb superfícies de CDHA optimitzades per maximitzar el dany mecànic als bacteris, aquestes troballes podrien orientar el disseny de nous biomaterials capaços d'afavorir la regeneració òssia i reduir encara més la colonització bacteriana.

(a) Imatge de raigs X de bacteris després de l'exposició al biomaterial nanoestructurat. (b) Reconstrucció tridimensional que mostra bacteris individuals (en color) i cristalls del material de fosfat càlcic (en gris).