Влияние электрохимического окисления и лекарственной нагрузки на антибактериальные свойства и биосовместимость клеток титановых субстратов

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 8595 (2022) Цитировать эту статью

1457 доступов

3 цитаты

Подробности о метриках

Комбинация массива нанотрубок \({\text{ TiO}}_{2}\) и системы контролируемого высвобождения лекарств используется для обеспечения улучшенных свойств поверхности титановых имплантатов. Процесс электрохимического анодирования используется для получения ТОН для введения ванкомицина, эффективного антибактериального препарата против золотистого стафилококка. Затем загруженный TON ванкомицин покрывают несколькими слоями 10% желатина с использованием техники центрифугирования. Желатиновая пленка усилена наночастицами оксида графена (GO) для улучшения биологической активности поверхности. Поверхность образцов охарактеризована методами автоэмиссионной электронной микроскопии (FESEM), энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDS) и измерения угла смачивания. Результаты показывают, что TON был построен и молекулы ванкомицина успешно загружены. Исследование высвобождения препарата показывает, что количество высвобождаемого ванкомицина контролируется толщиной слоев желатина. При увеличении количества слоев желатиновой пленки с 3 до 7 высвобождение ванкомицина в фазе взрывного высвобождения снижалось с 58 до 31%, а пролонгированное высвобождение увеличивалось с 10 до 17 дней. Добавление наночастиц ГО, по-видимому, снижает высвобождение лекарства на 31–22% (фаза резкого высвобождения) и пролонгированное высвобождение лекарства (с 17 до 19 дней). Анализ МТТ показывает, что образцы не проявляют цитотоксичности, а сочетание наночастиц ГО с желатиновым покрытием может сильно способствовать пролиферации клеток MG63. Замачивание образцов в растворе СБФ через 3 и 7 суток показывает, что на поверхности ТОН с ГО-желатиновым покрытием кристаллы гидроксиапатита осаждались больше, чем на поверхности ТОН с желатином. Более того, по результатам дисково-диффузионного анализа оба образца (нагруженные ванкомицином и покрытые желатином и желатином-ГО) с зонами ингибирования, равными 20 мм, проявляют эффективные антибактериальные свойства в отношении S. aureus. Данные показывают, что нанотрубки из титана, наполненные ванкомицином и покрытые желатином-GO, имеют большой потенциал для общего применения в области ортопедических имплантатов.

Титан и его сплавы являются одними из наиболее широко используемых металлических материалов в области ортопедических и зубных имплантатов1,2,3. Желательные свойства, включая прочность на разрыв и модуль упругости, высокую биосовместимость и низкий риск аллергии, делают их успешными кандидатами для этих применений4,5,6. Тем не менее, имплантаты на основе Ti имеют некоторые недостатки, включая плохую остеоинтеграцию, низкий остеогенез и бактериальную инфекцию в месте имплантата, что может привести к отказу имплантатов, особенно при длительном использовании7,8,9. Как правило, плохая остеоинтеграция имплантатов на основе Ti происходит из-за биоинертности поверхности, образования избыточного количества активных форм кислорода (АФК) на границе раздела и бактериальной инфекции после операции10. В результате обычно рассматриваются две стратегии для смягчения этих проблем, включая увеличение пролиферации клеток остеобластов и ингибирование бактериальной инфекции11,12.

Длительное внутривенное или пероральное введение антибиотиков является основным традиционным подходом к лечению бактериальной инфекции после операции по имплантации13, который имеет серьезные недостатки, включая вредные побочные эффекты, токсичность, неравномерное биораспределение и меньшую биодоступность14,15. Staphylococcus aureus считается основной бактерией, вызывающей инфекцию имплантата после операции16,17,18. Секреция этих бактерий на поверхности имплантатов образует биопленки, которые защищают их от иммунной системы и антибактериальных агентов. Следовательно, лечение антибиотиками стало жизненно важной проблемой19. Поскольку бактерии и клетки остеобластов конкурируют за прикрепление, имплантаты с антибактериальными характеристиками поверхности могут уменьшить прикрепление бактерий и образование колоний, поэтому их можно использовать для лечения дефектов кости20,21. Усовершенствованные биоматериалы, обладающие устойчивым и локализованным высвобождением антибактериальных агентов, могут способствовать процессу заживления/регенерации тканей, которые более восприимчивы к бактериальным инфекциям (например, костей, кожи, сердечной ткани)22,23,24,25.