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Oberflächen-/Nano-Technik von Materialien für die Bekämpfung der Biosubstanz-Zentrierten Infektion und die Vergrößerung von Implantats-Integration

durch Professor K.G. Neoh

Professor K.G. Neoh1, Zhilong Shi1, E.T. Kang1 und Professor Wilson Wang2
1Abteilung der Chemischen und Biomolekularen Technik
2Abteilung der Orthopädie
Nationale Universität von Singapur
Entsprechender Autor: chenkg@nus.edu.sg

Bakterien befolgen betriebsbereit auf allen Baumustern Oberflächen und bilden Biofilms. Der Biofilm schützt die Kolonisationsmikroorganismen und folglich, können Bakterien in einem Biofilm einige Größenordnungen sein beständiger gegen antibakterielle Agenzien als ihre planktonic Kollegen. Die Biofilms, die einmal gebildet werden, sind sehr schwierig auszurotten, und die Auswirkungen dieses Widerstands und Ausdauer werden offenbar in Biosubstanz-verbundener Infektion verkündet.

Ein Biofilm ist eine Gesamtheit von Mikroorganismen, in denen Zellen miteinander und/oder zu einer Oberfläche fest sind. Diese anhaftenden Zellen werden häufig innerhalb einer selbsterzeugten Grundmasse der extrazellularen polymerischen Substanz eingebettet (EPS). Biofilm ENV ist ein polymerisches Durcheinander extrazellularer DNS, der Proteine und der Polysaccharide.

Es ist geschätzt worden, dass medizinische Einheit-verbundene Infektion für ~50% von nosocomial Infektion verantwortlich ist1. Antibiotische Therapie für festgelegte Implantatsinfektion neigt ausgedehnt zu werden und doch ist möglicherweise nicht effektiv. Sehr häufig, wird es notwendig, das Implantat, an der beträchtlichen Ausgabe und am Trauma zum Patienten zu löschen und/oder zu verbessern.

Der zunehmende Gebrauch der Antibiotika zur Kampfinfektion wird während die Hauptursache für das Auftauchen des antibiotischen Widerstands erkannt, der ein bedeutendes Öffentlichkeitgesundheit Problem weltweit geworden ist2. Zum Beispiel hat Methicillin-beständiger Staphylococcus Aureus (S.-goldfarbiges) das vermutet wurde, um sporadische Infektion in den früher 60er-Jahren zu verursachen, jetzt endemicity in vielen Krankenhäusern, mit ~ 60% von Krankenhaus-erworbenen goldfarbigen Isolaten S. in den USA erreicht und gegen Methicillin beständig gewesen3.

Angesichts der nahen Vereinigung von Biofilms mit Infektion und der Schwierigkeit, wenn er Biofilms ausrottet, sobald sie festgelegt werden, ist ein vorbeugender Anflug gegen Biofilmentstehung offenbar eine bevorzugte Strategie, die mit der Verwaltung von antibiotischen Agenzien verglichen wird, nachdem der Biofilm gebildet worden ist. Dieser Anflug bildet ein bedeutendes Grundprinzip hinter Forschungsgruppe der Professor-Neoh den Strategien, damit Abänderungsoberflächen Bakterienbeitritt und Entstehung von Biofilm widerstehen und/oder beendet die Bakterien während ihres Anfangsanhangs zur Oberfläche. Außerdem für orthopädische Implantate, würden Strategien, die ausstatten können, die Oberfläche mit antibakteriellen Eigenschaften begleitend mit Förderung von osseointegration in hohem Grade viel versprechend sein.

Viel unserer Arbeit über Biosubstanzoberflächen-Modifikationsfokusse auf den Titan- und Titanlegierungen wegen ihres umfangreichen Gebrauches als Implantatsmaterialien in den orthopädischen und zahnmedizinischen Anwendungen. Eine der einfachsten Methoden, diese Oberflächen functionalize ist über Schicht-durchschicht (LbL) Technik4. Diese Technik basiert auf der attraktiven elektrostatischen Kraft zwischen einer belasteten Oberfläche und einem gegenüber belasteten Polyelektrolyt und der nachfolgenden Aufrüstung von gegenüber belasteten Polyelektrolyten in ein mehrschichtiges, gewöhnlich mit einer Dicke, die von zehn zu Hunderte von den nm reicht.

Sie ist ein vielseitiges und ein effizient, dennoch leicht, Technik und eine große Auswahl von Materialien einschließlich natürliche Polymere, Peptid und nanoparticles kann in die überlagerten Filme integriert werden. Wir haben Polyelektrolyt multilayers (PEMs) aus Hyaluronsäure und (HA) Chitosan auf (CS) Titan konstruiert (die Abbildung 1), zum des Beitrittes und des Wachstums von goldfarbigem Escherichia Coli (Escherichia Coli) und S. zu sperren5.

Abbildung 1. Polyelektrolyt multilayers auf dem Titan, das Hyaluronsäure und Chitosan mit Oberfläche enthält, konjugierte RGD.

Die Querverbindung zwischen den HA- und CS-Ketten wurde eingeführt, um größere Stabilität zuzuteilen. Die multilayers erzielen hohe antibakterielle Wirksamkeit durch eine Kombination des Vorgangs von HA gegen bakteriellen Beitritt und der bakteriziden Eigenschaften von CS. Zelle-Kleber Arginin-Glycin-aspartischsaures (RGD) Peptid kann auf den Oberflächen von diesen dann konjugiert werden PEMs, das Ergebnisse im bedeutenden Anstieg in der starken Verbreitung und in der Aktivität der alkalischen Phosphatase von osteoblasts auf diesen Oberflächen züchteten (durch 100-200% über der von ursprünglichen Titansubstratflächen). Da keine Bakterien, die direkt an ein RGD-Gebiet binden, gekennzeichnet worden sind6, wurde die hohe antibakterielle Wirksamkeit vom mehrschichtigen mit ungefähr 80% Reduzierung in der Anzahl von anhaftenden bakteriellen Zellen im Verhältnis zu der auf ursprünglichem Titan beibehalten.

Eine Andere Methode, zum einer selektiven biointeractive Oberfläche auf Titan zu erzielen, das gleichzeitig Knochenzellfunktion erhöht, während abnehmender bakterieller Beitritt die Verpflanzung einer dazwischenliegenden antibakteriellen Polymerschicht miteinbezieht, die von der Konjugation eines Wachstumsfaktors gefolgt wird. Ein Beispiel dieses Konzeptes wird in Abbildung 2. dargestellt.

Abbildung 2. Titanoberflächen verpflanzt mit Karboxymethyl- Chitosan mit konjugiertem BMP-2

Die Titanoberfläche functionalized zuerst mit Dopamin, 7 das als der Anker für die Verpflanzung einer Karboxymethyl- Chitosanschicht (CMCS) dient. Dieses wird dann von der Konjugation des Knochens morphogenetisches protein-2 (BMP-2) zur CMCS-verpflanzten Oberfläche gefolgt8. Bakterien haften betriebsbereit die ursprüngliche Titanoberfläche an, wie von den lebensfähigen bakteriellen Zellen gesehen werden kann befleckt worden grün in der Abbildung 3a. Die CMCS-Schicht liefert antibakterielle Eigenschaften, und die Anzahl von lebensfähigen Zellen auf der Titanoberfläche CMCS-functionalized (mit und ohne konjugiertes BMP-2) war beträchtlich kleiner als die auf dem ursprünglichen Ti (Abbildung 3b).

Abbildung 3. Fluoreszenzmikroskopiebilder (a) des ursprünglichen Ti und (b) des Ti functionalized mit CMCS und konjugierte BMP-2, unter grünem Filter nach Immersion in einer PBS-Suspension von S.-goldfarbigem (106 cells/ml) für 6 H.

Während das CMCS keine erhebliche Auswirkung auf die osteoblasts hat, die auf den geänderten Substratflächen gezüchtet werden, behielt das konjugierte BMP-2 seine Wirksamkeit bei, wenn es die osteogenischen Funktionen dieser Zellen förderte, wie durch erhöhten Zellanhang angezeigt (Abbildung 4), Aktivität der alkalischen Phosphatase und Kalziummineralisierung. Ein Vorteil solcher functionalized Oberflächen für in vivo Anwendungen ist, dass das BMP-2 auf der Substratflächenoberfläche stillgestellt blieb, in der es erforderlich ist und nicht freigegeben wird. Dieses würde die Gefahr von den unerwünschten Wirkungen herabsetzen, die aus dem Wachstumsfaktor an den Einbauorten über der Implantatssite im Gehäuse hinaus sich ergeben.

Abbildung 4. Confocal Laser-Rastermikroskopiebilder von den osteoblasts, die für 24 h auf Oberflächen (a) des ursprünglichen Ti und (b) des Ti gezüchtet wurden, functionalized mit CMCS und konjugierte BMP-2.

Unsere Gruppe wendet aktuell das gleiche Konzept an, um eine der Schlüsselherausforderungen in der Knochenheilung und in der Regeneration anzusprechen, die, ausreichende Blutversorgung sicherzustellen ist, um die metabolischen Nachfragen der Bergung zu befriedigen. Der endothelial GefäßWachstumsfaktor, der (VEGF) auf einer Zwischenpolymerschicht stillgestellt wird, kann das Überleben und die starke Verbreitung von endothelial Zellen fördern und die Unterscheidung von menschlichen mesenchymal Stammzellen in endothelial Zellen auch verursachen9. Die Effekte von der Mitimmobilisierung von VEGF und von BMP-2 werden aktuell nachgeforscht. So kann Anwendung von diesen Oberfläche functionalization Strategien zu den Implantaten für die Beschleunigung von Vasculatureentstehung und von neuer Knochengewebeentstehung sehr nützlich möglicherweise sein.


Bezüge

1. R.O. Darouiche, „Antibiotische Beschichtung von Einheiten für Verhinderung der Infektion: Prinzipien und Schutz“, Internationale Zeitschrift von Künstlichen Organen 30, 820-827, 2007.
2. H. Goosens, antibiotischer Gebrauch M. Ferech, R. Vander Stichele, M. Elseviers, „des Ambulanten Patienten in Europa und Vereinigung mit Widerstand: eine zwischenstaatliche Datenbank- Studie“, Lanzette 365, 579 - 587, 2005
3. J. Chastre, „Entwickelnde Probleme mit beständigen Krankheitserregern“, Klinischer Mikrobiologie und Infektion 14 (Ergänzung. 3), 3-14, 2008.
4. G. Decher, „Flockige nanoassemblies: In Richtung Zu überlagerten polymerischen multicomposites“, Wissenschaft 277, 1232, 1997.
5. P. Erforschen Einschätzung H. Chua, K.G. Neoh, Z.L. Shi, E.T. Kang, „der Strukturellen Stabilität und des bioapplicability von hyaluronic Säure-chitosan Polyelektrolyt multilayers auf Titansubstratflächen“, Zapfen von Biomedizinischen Materialien A 87, 1061-1074, 2008.
6. L. Beitritt G. Harris, S. Tosatti, M. Wieland, M. Textor, R.G. Richards, „des Staphylococcus Aureus zu den Titanoxydoberflächen beschichtet mit nicht--functionalized und Peptid-functionalized Poly (L-Lysin) - verpflanzen-Poly (Ethylenglycol) Copolymere“, Biosubstanzen 25, 4135-4148, 2004
7. X. Ventilator, L. Lin, J.L. Dalsin, P.B. Messersmith, „Biomimetic-Anker für Oberfläche-initialisierte Polymerisierung von den Metallsubstratflächen“, Zapfen von Amerikanische Chemikalien-Gesellschaft 127, 15843-15847, 2005.
8. Z.L. Shi, K.G. Neoh, E.T. Kang, C.K. Poh, W. Wang, „Oberflächen-functionalization des Titans mit Karboxymethyl- Chitosan und des stillgestellten Knochens morphogenetisches protein-2 für erhöhtes osseointegration“, Biomacromolecules 10, 1603-1611, 2009
9. C.K Poh, Z.L. Shi, T.Y. Lim, K.G. Neoh, W. Wang, „der Effekt von VEGF-functionalization des Titans auf endothelial Zellen in vitro“, Biosubstanzen 31, 1578-1585, 2010.

Copyright AZoNano.com, Professor K.G. Neoh (Nationale Universität von Singapur)

Date Added: May 18, 2010 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 01:24

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