Oppervlakte/Nano Techniek van Materialen voor het Bestrijden van biologisch materiaal-Gecentreerde Besmettingen en het Verbeteren van Implant Integratie

door Professor K.G. Neoh

Professor K.G. Neoh1, Zhilong Shi1, E.T. Kang1 en Professor Wilson Wang2
1Ministerie van Chemische en Biomoleculaire Techniek
2Ministerie van Orthopedische Chirurgie
Nationale Universiteit van Singapore
Overeenkomstige auteur: chenkg@nus.edu.sg

De Bacteriën hangen gemakkelijk op allerlei oppervlakten en vorm aan biofilms. Biofilm beschermt de het koloniseren micro-organismen en zo, kunnen de bacteriën in een biofilm verscheidene grootteordes zijn meer bestand tegen antibacteriële agenten dan hun planktontegenhangers. Biofilms zodra gevormd is zeer moeilijk uit te roeien, en de implicaties van deze weerstand en persistentie worden duidelijk vertoond in biologisch materiaal-geassocieerde besmetting.

Een biofilm is een complex van micro-organismen waarin de cellen aan elkaar en/of aan een oppervlakte gehouden zijn. Deze adherente cellen worden vaak ingebed binnen een self-produced matrijs van extracellulaire polymere substantie (EPS). Biofilm EPS is een polymeer allegaartje van extracellulaire DNA, proteïnen, en polysacchariden.

Men heeft geschat dat de medische apparaat-geassocieerde besmettingen van ~50% van nosocomial besmettingen de oorzaak zijn1. De Antibiotische therapie voor gevestigde implant besmettingen neigt worden verlengd en toch kan niet efficiënt zijn. Zeer vaak, wordt het noodzakelijk om implant te verwijderen en te herzien, op aanzienlijk kosten en trauma aan de patiënt.

Het stijgende gebruik van antibiotica aan gevechtsbesmettingen wordt gezien als de belangrijkste oorzaak voor de totstandkoming van antimicrobial weerstand die wereldwijd een belangrijk openbaar-gezondheidsprobleem is geworden2. Bijvoorbeeld, methicillin-bestand goudhoudende Stafylokok - (goudhoudend S.) wat werd verdacht om sporadische besmettingen in de vroege jaren '60 te veroorzaken, nu endemicity in de vele ziekenhuizen, met ~ 60% van ziekenhuis-verworven goudhoudende isolates van S. in de V.S. heeft bereikt, die bestand tegen methicillin zijn3.

Gezien de dichte vereniging van biofilms met besmettingen en de moeilijkheid in het uitroeien biofilms zodra zij worden gevestigd, is een preventieve benadering tegen biofilmvorming duidelijk een aangewezen strategie in vergelijking met het beleid van antimicrobial agenten nadat biofilm is gevormd. Deze benadering vormt een belangrijke reden achter de strategieën van Professor Neoh Onderzoeksteam om oppervlakten te wijzigen om zich bacteriën tegen adhesie en vorming van biofilm te verzetten, en/of de bacteriën te doden tijdens hun aanvankelijke gehechtheid aan de oppervlakte. Voorts voor orthopedische implants, zouden de strategieën die de oppervlakte met antibacteriële eigenschappen met bevordering van osseointegration kunnen gelijktijdig begiftigen hoogst belovend zijn.

Veel van ons werk bij de wijziging van de biologisch materiaaloppervlakte concentreert zich op titanium en titaniumlegeringen toe te schrijven aan hun uitgebreid gebruik als implant materialen in orthopedische en tandtoepassingen. Één van de eenvoudigste manieren functionalize deze oppervlakten is via laag-door-laag (LbL) techniek4. Deze techniek is gebaseerd op de aantrekkelijke elektrostatische kracht tussen een geladen oppervlakte en tegengesteld geladen polyelectrolyte en de verdere opeenhoping van tegengesteld geladen polyelectrolytes in multilayer, typisch met een filmdikte die van tientallen tot honderden nanometers gaat.

Het is veelzijdig en efficiënt, nog vlot, techniek, en een brede waaier van materialen met inbegrip van natuurlijke polymeren, peptide en nanoparticles kan in de gelaagde films worden opgenomen. Wij hebben polyelectrolyte multilayers (PEMs) van hyaluronic zuur en (HA) Chitosan op (CS) titanium (Figuur 1) geconstrueerd om adhesie en de groei van Escherichia coli (E. coli) en goudhoudend S. te remmen5.

Figuur 1. Polyelectrolyte multilayers op titanium bestaand uit hyaluronic zuur en Chitosan met oppervlakte vervoegde RGD.

Het Crosslinking tussen de ketens van HA en van CS werd geïntroduceerd om grotere stabiliteit te verlenen. Multilayers bereiken hoge antibacteriële doeltreffendheid door een combinatie de actie van HA tegen bacteriële adhesie en bactericidal eigenschappen van CS. Cel-Zelfklevende arginine-glycine-asparagine zure peptide (van RGD) kan dan op de oppervlakten van deze PEMs worden vervoegd, die in significante verhoging van proliferatie en alkalische die phosphatase activiteit van osteoblasts resulteert op deze oppervlakten wordt gecultiveerd (door 100-200% over dat van oorspronkelijke titaniumsubstraten). Aangezien geen bacteriën die rechtstreeks aan een domein binden RGD zijn geïdentificeerd6, werd de hoge antibacteriële doeltreffendheid van multilayer behouden met ongeveer 80% vermindering van het aantal adherente bacteriële cellen met betrekking tot dat op oorspronkelijk titanium.

Een Andere methode om een selectieve biointeractive oppervlakte op titanium te bereiken dat gelijktijdig de functie van de beencel terwijl het verminderen van bacteriële adhesie verbetert houdt het enten van een midden antibacteriële die polymeerlaag door de vervoeging van een de groeifactor wordt gevolgd in. Een voorbeeld van dit concept is geïllustreerd in Figuur 2.

Figuur 2. De oppervlakte van het Titanium met carboxymethyl Chitosan met vervoegde bmp-2 wordt geënt die

De titaniumoppervlakte is eerste functionalized met dopamine7 die als anker voor het enten van een carboxymethyl Chitosanlaag (CMCS) dient. Dit wordt dan gevolgd door de vervoeging van been morphogenetic eiwit-2 (bmp-2) aan de CMCS-Geënte oppervlakte8. De Bacteriën hangen gemakkelijk de oorspronkelijke titaniumoppervlakte zoals aan van de haalbare bacteriële bevlekt kan worden gezien cellen groen in Cijfer 3a. De laag CMCS verstrekt antibacteriële eigenschappen, en het aantal haalbare cellen op CMCS-Functionalized titaniumoppervlakte (met en zonder vervoegde bmp-2) was beduidend minder dan dat op oorspronkelijk Ti (Cijfer 3b).

Figuur 3. De de microscopiebeelden van de Fluorescentie van (a) oorspronkelijk Ti, en (b) Ti functionalized met CMCS en vervoegden bmp-2, onder groene filter na onderdompeling in een opschorting PBS van S. goudhoudend (106 cells/ml) voor 6 h.

Terwijl CMCS geen significant die effect op osteoblasts heeft op de gewijzigde substraten wordt gecultiveerd, behielden vervoegde bmp-2 zijn doeltreffendheid in het bevorderen van de osteogenic functies van deze cellen zoals die door verhoogde celgehechtheid (Figuur 4) worden vermeld, alkalische phosphatase activiteit en calciummineralisering. Een voordeel van zulke functionalized oppervlakten want de toepassingen in vivo is dat bmp-2 op de substraatoppervlakte geïmmobiliseerd bleven waar het nodig is en niet vrijgegeven. Dit zou het risico van ongewenste gevolgen minimaliseren die van de de groeifactor bij plaatsen voorbij de implant plaats in het lichaam het gevolg zijn.

Figuur 4. Confocal de microscopiebeelden van het laseraftasten van osteoblasts voor 24 h op oppervlakten van (a) oorspronkelijk Ti, en (b) Ti wordt gecultiveerd functionalized met CMCS en vervoegden bmp-2 die.

Onze groep momenteel past het zelfde concept toe om één van de belangrijkste uitdagingen in been het helen en regeneratie te richten die adequate bloedlevering moet verzekeren om de metabolische eisen van terugwinning te ontmoeten. De Vasculaire die endothelial de groeifactor (VEGF) op een middenpolymeerlaag kan wordt geïmmobiliseerd de overleving en de proliferatie van endothelial cellen bevorderen en ook de differentiatie van menselijke mesenchymal stamcellen veroorzaken in endothelial cellen9. De gevolgen van de mede-immobilisatie van VEGF en bmp-2 worden momenteel onderzocht. Aldus, kan de toepassing hiervan de strategieën van oppervlaktefunctionalization aan implants potentieel zeer nuttig zijn om vasculature vorming en de nieuwe vorming van het beenweefsel te versnellen.


Verwijzingen

1. R.O. Darouiche, „Antimicrobial deklaag van apparaten voor preventie van besmetting: Principes en bescherming“, Internationaal Dagboek van Kunstmatige Organen 30, 820-827, 2007.
2. H. Goosens, M. Ferech, R. Vander Stichele, M. Elseviers, „het antibiotische gebruik van de Poliklinische Patiënt in Europa en vereniging met weerstand: een buitenlandse gegevensbestandstudie“, Lancet 365, 579 - 587, 2005
3. J. Chastre, „Evoluerende problemen met bestand ziekteverwekkers“, de Klinische Microbiologie en Besmetting 14 (Supplement. 3), 3-14, 2008.
4. G. Decher, „Verwarde nanoassemblies: Naar gelaagde polymere multicomposites“, Wetenschap 277, 1232, 1997.
5. P.H. Chua, K.G. Neoh, Z.L. Shi, E.T. Kang, „Structurele stabiliteit en bioapplicabilitybeoordeling van hyaluronic zuur-Chitosanpolyelectrolyte multilayers op titaniumsubstraten“, Dagboek van het Biomedische Onderzoek A 87, 1061-1074, 2008 van Materialen.
6. L.G. Harris, S. Tosatti, M. Wieland, M. Textor, R.G. Richards, „Stafylokok - goudhoudende die adhesie aan de oppervlakten van het titaniumoxyde met een laag worden bedekt met niet-functionalized en peptide-functionalized poly (l-Lysine) - enten-poly (ethyleenglycol) copolymeren“, Biologisch Materialen 25, 4135-4148, 2004
7. X. Ventilator, L. Lin, J.L. Dalsin, P.B. Messersmith, „anker Biomimetic voor oppervlakte-in werking gestelde polymerisatie van metaalsubstraten“, Dagboek van de Amerikaanse Chemische Maatschappij 127, 15843-15847, 2005.
8. Z.L. Shi, K.G. Neoh, E.T. Kang, C.K. Poh, W. Wang, „functionalization van de Oppervlakte van titanium met carboxymethyl Chitosan en geïmmobiliseerd been morphogenetic eiwit-2 voor verbeterde osseointegration“, Biomacromolecules 10, 1603-1611, 2009
9. C.K Poh, Z.L. Shi, T.Y. Lim, K.G. Neoh, W. Wang, het „Effect van functionalization VEGF van titanium op endothelial cellen in vitro“, Biologisch Materialen 31, 1578-1585, 2010.

Copyright AZoNano.com, Professor K.G. Neoh (Nationale Universiteit van Singapore)

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

Last Update: 14. June 2013 01:16

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this article?

Leave your feedback
Submit