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Bureau D'études Extérieur/Nano des Matériaux pour Combattre des Infections Biomatériaux-Centrées et Augmenter l'Intégration d'Implant

par Professeur K.G. Neoh

Professeur K.G. Neoh1, Zhilong Shi1, E.T. Kang1 et Professeur Wilson Wang2
1Service du Bureau D'études Chimique et Biomoléculaire
2Service de Chirurgie Orthopédique
Université Nationale de Singapour
Auteur Correspondant : chenkg@nus.edu.sg

Les Bactéries adhèrent promptement sur tous les types de surfaces et forment des films biologiques. Le film biologique protège les micros-organismes de colonisation et ainsi, les bactéries dans un film biologique peuvent être plusieurs ordres de grandeur plus résistants aux agents antibactériens que leurs homologues planctoniques. Il est très difficile supprimer des Films biologiques une fois formés, et les implications de ces résistance et persistance sont de manière dégagée manifestées dans l'infection biomatériaux-associée.

Un film biologique est un agrégat des micros-organismes dans lesquels des cellules sont coincées entre eux et/ou à une surface. Ces cellules adhérentes sont fréquemment incluses dans une modification autoproduite de substance polymère extracellulaire (EPS). Le Film biologique EPS est un pêle-mêle polymère d'ADN extracellulaire, de protéines, et de polysaccharides.

On l'a estimé que les infections dispositif-associées médicales sont responsables de ~50% d'infections nosocomial1. L'Antibiothérapie pour des infections déterminées d'implant tend à être prolongée mais peut ne pas être pertinente. Très souvent, il devient nécessaire de retirer et/ou réviser l'implant, aux frais et au traumatisme considérables au patient.

La consommation accrue d'antibiotiques de combattre des infections est identifiée pendant que la cause principale pour l'émergence de la résistance antimicrobienne qui est devenue un problème de santé publique important mondial2. Par exemple, le Staphylocoque doré résistant à la méticilline (s.doré) Qui était suspecté pour entraîner des infections sporadiques au début des années 60, a maintenant atteint l'endemicity dans beaucoup d'hôpitaux, avec le ~ 60% des isolats hôpital-saisis de s.doré aux ETATS-UNIS, étant résistant à la méthicilline3.

En raison de l'association proche des films biologiques avec des infections et de la difficulté en supprimant des films biologiques une fois qu'ils sont déterminés, un élan préventif contre la formation de film biologique est de manière dégagée une stratégie préférée comparée à la gestion des antimicrobiens après que le film biologique ait été formé. Cet élan forme un raisonnement important derrière les stratégies de l'Organisme de Recherche de Professeur Neoh pour que les surfaces de modification résistent à l'adhérence de bactéries et à la formation du film biologique, et/ou détruit les bactéries pendant leur connexion initiale sur la surface. En Outre, pour les implants orthopédiques, les stratégies qui peuvent doter la surface avec les propriétés antibactériennes simultanément avec la promotion de l'osseointegration seraient hautement prometteuses.

Beaucoup de notre travail sur des foyers de modification de surface de matière biologique sur les alliages titaniques et titaniques dus à leur vaste utilisation comme matériaux d'implant dans des applications orthopédiques et dentaires. Une des voies les plus simples de functionalize ces surfaces est par l'intermédiaire de technique (LbL) de couche-par-couche4. Cette technique est basée sur la force électrostatique attrayante entre une surface chargée et un polyélectrolyte à l'opposé chargé et l'accumulation ultérieure des polyélectrolytes à l'opposé chargés dans un multicouche, type avec une épaisseur de film qui s'échelonne des dix aux centaines de nanomètres.

Elle est une versatile et efficace, pourtant facile, technique, et un large éventail de matériaux comprenant les polymères, le peptide et les nanoparticles naturels peut être comporté aux films posés. Nous avons construit des multilayers de polyélectrolyte (PEMs) avec de l'acide hyaluronique (HA) et du chitosan (CS) sur le titane (le Schéma 1) pour empêcher l'adhérence et l'accroissement de s.doré d'Escherichia coli (Escherichia coli) et5.

Le Schéma 1. multilayers de Polyélectrolyte sur le titane comportant l'acide hyaluronique et le chitosan avec la surface a conjugué le RGD.

La Réticulation entre les réseaux d'HA et de CS a été introduite pour transmettre une stabilité plus grande. Les multilayers réalisent l'efficacité antibactérienne élevée par une combinaison de l'action de l'HA contre l'adhérence bactérienne et des propriétés bactéricides du CS. le peptide acide arginine-glycine-aspartique de Cellule-Adhésif (RGD) peut alors être conjugué sur les surfaces des ces PEMs, que les résultats dans l'augmentation significative dans la prolifération et l'activité de phosphatase alcaline des osteoblasts ont cultivé sur ces surfaces (par 100-200% au-dessus de cela des substrats titaniques d'origine). Puisqu'aucune bactérie qui grippe directement à un domaine de RGD n'a été recensée6, l'efficacité antibactérienne élevée du multicouche a été maintenue avec la réduction environ de 80% du nombre de cellules bactériennes adhérentes relatives cela sur le titane d'origine.

Une Autre méthode pour réaliser une surface biointeractive sélectrice sur le titane qui augmente simultanément le fonctionnement de cellules d'os tandis que l'adhérence bactérienne décroissante comporte la greffe d'une couche antibactérienne intermédiaire de polymère suivie de la conjugaison d'un facteur de croissance. Un exemple de ce concept est illustré sur le Schéma 2.

Le Schéma 2. extérieur de Titane greffé avec le chitosan carboxyméthylique avec BMP-2 conjugué

La surface titanique functionalized d'abord avec de la dopamine7 qui sert de point d'attache à la greffe d'une couche carboxyméthylique (CMCS) de chitosan. Ceci est alors suivi de la conjugaison de l'os protein-2 (BMP-2) morphogénétique sur la surface CMCS-greffée8. Les Bactéries adhèrent promptement à la surface titanique d'origine comme peut être vu des cellules bactériennes viables souillées vertes dans la Figure 3a. La couche de CMCS fournit les propriétés antibactériennes, et le nombre de cellules viables sur la surface titanique de CMCS-functionalized (avec et sans BMP-2 conjugué) était de manière significative moins que cela sur le Ti d'origine (Figure 3b).

Le Schéma 3. images de Microscopie à fluorescence (a) de Ti d'origine, et (b) de Ti functionalized avec CMCS et a conjugué BMP-2, sous le filtre vert après submersion dans une suspension de PBS de s.doré (106 cells/ml) pour 6 H.

Tandis Que le CMCS n'exerce aucun effet significatif sur des osteoblasts cultivés sur les substrats modifiés, le BMP-2 conjugué a maintenu son efficacité en introduisant les fonctionnements ostéogéniques de ces cellules comme indiqué par la connexion accrue de cellules (le Schéma 4), activité de phosphatase alcaline et minéralisation de calcium. Un avantage de telles surfaces functionalized pour in vivo des applications est que le BMP-2 est resté immobilisé sur la surface de substrat où il est nécessaire et n'est pas relâché. Ceci réduirait à un minimum le risque d'effets indésirables résultant du facteur de croissance aux emplacements au delà du site d'implant dans le fuselage.

Le Schéma 4. images de Microscopie à balayage laser confocal des osteoblasts cultivés pour 24 h sur des surfaces (a) de Ti d'origine, et (b) de Ti functionalized avec CMCS et a conjugué BMP-2.

Notre groupe applique actuel le même concept pour relever un des défis principaux dans la guérison et la régénération d'os qui est d'assurer l'approvisionnement en sang adéquat pour satisfaire les exigences métaboliques de la reprise. Le facteur de croissance endothélial Vasculaire (VEGF) immobilisé sur une couche intermédiaire de polymère peut introduire la survie et la prolifération des cellules endothéliales et également induire la différenciation des cellules souche mésenchymateuses humaines dans des cellules endothéliales9. Les effets de la Co-immobilisation de VEGF et de BMP-2 actuel sont vérifiés. Ainsi, l'application de ces derniers des stratégies de functionalization de surface aux implants peut potentiellement être très utile pour accélérer la formation de réseau vasculaire et la formation neuve de tissu osseux.


Références

1. R.O. Darouiche, « couche Antimicrobienne de dispositifs pour la prévention de l'infection : Principes et protection », Tourillon International des Organes Artificiels 30, 820-827, 2007.
2. H. Goosens, usage des antibiotiques de M. Ferech, de R. Vander Stichele, de M. Elseviers, « de Patient en Europe et association avec la résistance : une étude transnationale de base de données », Bistouri 365, 579 - 587, 2005
3. J. Chastre, « problèmes En Évolution avec les agents pathogènes résistants », la Microbiologie Clinique et l'Infection 14 (Supplément. 3), 3-14, 2008.
4. G. Decher, « nanoassemblies Brouillés : Vers les multicomposites polymères posés », la Science 277, 1232, 1997.
5. P. estimation de H. Chua, de K.G. Neoh, de Z.L. Shi, d'E.T. Kang, la « de stabilité Structurelle et de bioapplicability des multilayers hyaluroniques de polyélectrolyte d'acide-chitosan sur les substrats titaniques », Tourillon des Matériaux Biomédicaux Recherchent A 87, 1061-1074, 2008.
6. L. adhérence de G. Harris, de S. Tosatti, de M. Wieland, de M. Textor, de R.G. Richards, « de Staphylocoque doré sur des surfaces d'oxyde de titane enduites de non-functionalized et peptide-functionalized poly (L-Lysine) - greffer-poly copolymères (d'éthylèneglycol) », Biomatériaux 25, 4135-4148, 2004
7. X. Ventilateur, L. Lin, J.L. Dalsin, P.B. Messersmith, « point d'attache de Biomimetic pour la polymérisation surface-initiée des substrats en métal », Tourillon de la Société Chimique Américaine 127, 15843-15847, 2005.
8. Z.L. Shi, K.G. Neoh, E.T. Kang, C.K. Poh, W. Wang, « functionalization Extérieur de titane avec le chitosan carboxyméthylique et d'os immobilisé protein-2 morphogénétique pour l'osseointegration amélioré », Biomacromolecules 10, 1603-1611, 2009
9. C.K Poh, Z.L. Shi, T.Y. Lim, K.G. Neoh, W. Wang, « L'effet du functionalization de VEGF du titane sur des cellules endothéliales in vitro », Biomatériaux 31, 1578-1585, 2010.

Droit d'auteur AZoNano.com, Professeur K.G. Neoh (Université Nationale de Singapour)

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

Last Update: 14. June 2013 01:20

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