Ingeniería Superficial/Nana de los Materiales para Combate Infecciones Biomaterial-Centradas y Aumentar la Integración del Implante

por Profesor K.G. Neoh

Profesor K.G. Neoh1, Zhilong Shi1, E.T. Kang1 y Profesor Wilson Wang2
1Departamento de la Ingeniería Química y Biomolecular
2Departamento de la Cirugía Ortopédica
Universidad Nacional de Singapur
Autor Correspondiente: chenkg@nus.edu.sg

Las Bacterias se adhieren fácilmente en todos los tipos de superficies y forman biofilms. El biofilm protege los microorganismos de colonización y así, las bacterias en un biofilm pueden ser varios órdenes de magnitud más resistentes a los agentes antibacterianos que sus contrapartes planctónicas. Los Biofilms formados una vez son muy difíciles de suprimir, y las implicaciones de esta resistencia y persistencia se manifiestan sin obstrucción en la infección biomaterial-asociada.

Un biofilm es un agregado de los microorganismos en los cuales las células se adhieren el uno al otro y/o a una superficie. Estas células adherentes se embuten con frecuencia dentro de una matriz de producción propia de la substancia polimérica extracelular (EPS). El Biofilm EPS es un revoltijo polimérico de la DNA, de las proteínas, y de los polisacáridos extracelulares.

Se ha estimado que las infecciones dispositivo-asociadas médicas son responsables del ~50% de infecciones nosocomiales1. La terapia Antibiótico para las infecciones establecidas del implante tiende a ser prolongada pero puede no ser efectiva. Muy a menudo, llega a ser necesario quitar y/o revisar el implante, en el considerables costo y trauma al paciente.

El uso cada vez mayor de antibióticos a las infecciones del combate se reconoce mientras que la causa principal para la aparición de la resistencia antimicrobiana que se ha convertido en un problema importante de la público-salud por todo el mundo2. Por ejemplo, el Estafilococo Áureo meticilina-resistente (aurífero de S.) que fue sospechada para causar infecciones esporádicas en el principios de los 60, ahora ha alcanzado endemicity en muchos hospitales, con el ~ el 60% de los aislantes auríferos hospital-detectados de S. en los E.E.U.U., siendo resistente a la meticilina3.

Debido a la asociación cercana de biofilms con infecciones y la dificultad en la supresión de biofilms una vez que se establecen, una aproximación preventiva contra la formación del biofilm es sin obstrucción una estrategia preferida comparada a la administración de agentes antimicrobianos después de que se haya formado el biofilm. Esta aproximación forma un análisis razonado importante detrás de las estrategias del Grupo de Investigación de Profesor Neoh para que las superficies de modificación resistan la adherencia de las bacterias y la formación de biofilm, y/o mata a las bacterias durante su accesorio inicial a la superficie. Además, para los implantes ortopédicos, las estrategias que pueden dotar la superficie con las propiedades antibacterianas concomitante con la promoción del osseointegration serían altamente prometedoras.

Mucho de nuestro trabajo sobre enfoques de la modificación de la superficie del biomaterial en las aleaciones titanium y titanium debido a su uso extenso como materiales del implante en aplicaciones ortopédicas y dentales. Una de las maneras más simples de functionalize estas superficies está vía técnica (LbL) de la capa-por-capa4. Esta técnica se basa en la fuerza electroestática atractiva entre una superficie cargada y un polielectrolito opuesto cargado y el aumento subsiguiente de polielectrolitos opuesto cargados en un de múltiples capas, típicamente con un espesor del film que coloque de diez a los centenares de nanómetros.

Es una versátil y eficiente, con todo superficial, técnica, y una amplia gama de materiales incluyendo los polímeros, el péptido y nanoparticles naturales puede ser incorporado en las películas acodadas. Hemos construido los multilayers del polielectrolito (PEMs) del ácido hialurónico (HA) y del kitosán (CS) en el titanio (Cuadro 1) para inhibir la adherencia y el incremento de aurífero de Escherichia Coli (Escherichia Coli) y de S5.

El Cuadro 1. multilayers del Polielectrolito en el titanio que comprendía el ácido hialurónico y el kitosán con la superficie conjugó RGD.

La Reticulación entre los encadenamientos de la HA y del CS fue introducida para comunicar mayor estabilidad. Los multilayers logran alta eficacia antibacteriana con una combinación de la acción de la HA contra la adherencia bacteriana y de las propiedades bactericidas del CS. el péptido ácido arginina-glicocola-aspártico del Célula-Adhesivo (RGD) se puede entonces conjugar en las superficies de estos PEMs, que los resultados en aumento importante en la proliferación y la actividad de la fosfatasa alcalina de osteoblasts cultivaron en estas superficies (por 100-200% sobre el de substratos titanium prístinos). Puesto Que no se ha determinado ningunas bacterias que atan directamente a un dominio de RGD6, la alta eficacia antibacteriana de múltiples capas fue conservada con la reducción del cerca de 80% en el número de células bacterianas adherentes en relación con eso en el titanio prístino.

Otro método para lograr una superficie biointeractive selectiva en el titanio que aumenta simultáneamente la función de la célula de hueso mientras que disminuye la adherencia bacteriana implica el injerto de una capa antibacteriana intermedia del polímero seguida por la conjugación de un factor de incremento. Un ejemplo de este concepto se ilustra en el Cuadro 2.

Cuadro 2. superficial del Titanio injertado con el kitosán carboximetil con BMP-2 conjugado

La superficie titanium primero functionalized con la dopamina7 que sirve como el ancla para el injerto de una capa carboximetil (CMCS) del kitosán. Esto entonces es seguida por la conjugación del hueso protein-2 morfogenético (BMP-2) a la superficie CMCS-injertada8. Las Bacterias se adhieren fácilmente a la superficie titanium prístina como puede ser visto de las células bacterianas viables manchadas verdes en la Figura 3a. La capa de CMCS proporciona a propiedades antibacterianas, y el número de células viables en la superficie titanium de CMCS-functionalized (con y sin BMP-2 conjugado) era importante menos que eso en el Ti prístino (Figura 3b).

El Cuadro 3. imágenes de la microscopia de Fluorescencia (a) del Ti prístino, y (b) del Ti functionalized con CMCS y conjugó BMP-2, bajo el filtro verde después de la inmersión en una suspensión de PBS de aurífero de S. (106 cells/ml) para 6 H.

Mientras Que el CMCS no tiene ningún efecto importante sobre los osteoblasts cultivados en los substratos modificados, el BMP-2 conjugado conservó su eficacia en ascender las funciones osteogénicas de estas células según lo indicado por el accesorio creciente de la célula (Cuadro 4), actividad de la fosfatasa alcalina y mineralización del calcio. Una ventaja de tales superficies functionalized para in vivo las aplicaciones es que el BMP-2 seguía inmovilizado en la superficie del substrato donde está necesario y no release/versión. Esto disminuiría el riesgo de efectos indeseables que se presentan del factor de incremento en las ubicaciones más allá del sitio del implante en el cuerpo.

El Cuadro 4. imágenes Confocales de la microscopia de exploración del laser de los osteoblasts cultivados para 24 h en superficies (a) del Ti prístino, y (b) del Ti functionalized con CMCS y conjugó BMP-2.

Nuestro grupo está aplicando actualmente el mismo concepto para dirigir uno de los retos dominantes en la cura y la regeneración del hueso que es asegurar la fuente de sangre adecuada para cubrir las demandas metabólicas de la recuperación. El factor de incremento endotelial Vascular (VEGF) inmovilizado en una capa intermedia del polímero puede ascender la supervivencia y la proliferación de células endoteliales y también inducir la diferenciación de células madres mesenquimales humanas en las células endoteliales9. Los efectos de la co-inmovilización de VEGF y de BMP-2 se están investigando actualmente. Así, la aplicación de éstos las estrategias del functionalization de la superficie a los implantes puede potencialmente ser muy útil para acelerar la formación de la vasculatura y la nueva formación del tejido del hueso.


Referencias

1. R.O. Darouiche, “capa Antimicrobiana de dispositivos para la prevención de la infección: Principios y protección”, Gorrón Internacional de los Órganos Artificiales 30, 820-827, 2007.
2. H. Goosens, uso antibiótico de M. Ferech, de R. Vander Stichele, de M. Elseviers, “del Paciente No Internado en Europa y asociación con resistencia: un estudio internacional de la base de datos”, Lanceta 365, 579 - 587, 2005
3. J. Chastre, de “problemas Desarrollo con los patógeno resistentes”, la Microbiología y la Infección Clínicas 14 (Suppl. 3), 3-14, 2008.
4. G. Decher, “nanoassemblies Confusos: Hacia multicomposites poliméricos acodados”, Ciencia 277, 1232, 1997.
5. P. la evaluación de H. Chua, de K.G. Neoh, de Z.L. Shi, de E.T. Kang, “de la estabilidad Estructural y del bioapplicability de los multilayers hialurónicos del polielectrolito del ácido-kitosán en los substratos titanium”, Gorrón de Materiales Biomédicos Investiga A 87, 1061-1074, 2008.
6. L. adherencia de G. Harris, de S. Tosatti, de M. Wieland, de M. Textor, de R.G. Richards, “del Estafilococo Áureo a las superficies del óxido titanium recubiertas con non-functionalized y péptido-functionalized polivinílico (L-Lisina) - (copolímeros injertar-polivinílicos del glicol de etileno)”, Biomateriales 25, 4135-4148, 2004
7. X. Ventilator, L. Lin, J.L. Dalsin, P.B. Messersmith, “ancla de Biomimetic para la polimerización superficie-iniciada de los substratos del metal”, Gorrón de la Sociedad de Substancia Química Americana 127, 15843-15847, 2005.
8. Z.L. Shi, K.G. Neoh, E.T. Kang, C.K. Poh, W. Wang, “functionalization Superficial del titanio con el kitosán carboximetil y del hueso inmovilizado protein-2 morfogenético para el osseointegration aumentado”, Biomacromolecules 10, 1603-1611, 2009
9. C.K Poh, Z.L. Shi, T.Y. Lim, K.G. Neoh, W. Wang, “El efecto del functionalization de VEGF del titanio sobre las células endoteliales in vitro”, Biomateriales 31, 1578-1585, 2010.

Derechos De Autor AZoNano.com, Profesor K.G. Neoh (Universidad Nacional de Singapur)

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

Last Update: 14. June 2013 01:55

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