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Engenharia De Superfície/Nano dos Materiais para Combater Infecções Matéria-Centradas e Aumentar a Integração do Implante

pelo Professor K.G. Neoh

Professor K.G. Neoh1, Zhilong Shi1, E.T. Kang1 e Professor Wilson Wang2
1Departamento da Engenharia Química e Biomolecular
2Departamento da Cirurgia Ortopédica
Universidade Nacional de Singapura
Autor Correspondente: chenkg@nus.edu.sg

As Bactérias aderem prontamente em todos os tipos de superfícies e formam biofilms. O biofilm protege os micro-organismos de colonização e assim, as bactérias em um biofilm podem ser diversos ordens de grandeza mais resistentes aos agentes anti-bacterianos do que suas contrapartes planktonic. Os Biofilms formados uma vez são muito difíceis de erradicar, e as implicações destas resistência e persistência são manifestadas claramente em infecção matéria-associada.

Um biofilm é um agregado dos micro-organismos em que as pilhas são coladas entre si e/ou a uma superfície. Estas pilhas aderentes são encaixadas freqüentemente dentro de uma matriz de produção própria da substância polimérico extracelular (EPS). O Biofilm EPS é um desordem polimérico do ADN extracelular, das proteínas, e dos polisacáridos.

Calculou-se que as infecções dispositivo-associadas médicas são responsáveis para ~50% de infecções nosocomial1. A terapia Antibiótica para infecções estabelecidas do implante tende a ser prolongada no entanto não pode ser eficaz. Muito frequentemente, torna-se necessário remover e/ou revisar o implante, na despesa e no traumatismo consideráveis ao paciente.

O uso crescente dos antibióticos às infecções do combate é reconhecido enquanto a causa principal para a emergência da resistência antimicrobial que se transformou um problema principal da público-saúde no mundo inteiro2. Por exemplo, Estafilococo meticilina-resistente - áureo (áureo de S.) que foi suspeitado para causar infecções esporádicas no princípios dos anos 60, tem alcançado agora o endemicity em muitos hospitais, com ~ 60% de isolados áureos hospital-adquiridos do S. nos EUA, sendo resistente à meticilina3.

Em virtude da associação próxima dos biofilms com infecções e a dificuldade em erradicar biofilms uma vez que são estabelecidos, uma aproximação preventiva contra a formação do biofilm é claramente uma estratégia preferida comparada à administração de agentes antimicrobiais depois que o biofilm foi formado. Esta aproximação forma uma base racional principal atrás das estratégias do Grupo de Investigação do Professor Neoh para que as superfícies de alteração resistam a adesão das bactérias e a formação de biofilm, e/ou mata as bactérias durante seu acessório inicial à superfície. Além Disso, para implantes ortopédicos, as estratégias que podem dotar a superfície com propriedades anti-bacterianas concomitante com promoção do osseointegration seriam altamente prometedoras.

Muito de nosso trabalho em focos da alteração da superfície do matéria biológico nas ligas titanium e titanium devido a seu uso extensivo como materiais do implante em aplicações ortopédicas e dentais. Uma das maneiras as mais simples de functionalize estas superfícies é através da técnica (LbL) da camada-por-camada4. Esta técnica é baseada na força electrostática atractiva entre uma superfície cobrada e um polyelectrolyte oposta cobrado e a acumulação subseqüente de polyelectrolytes oposta cobrados em um multilayer, tipicamente com uma espessura de filme que varie dos dez às centenas de nanômetros.

É uma versátil e eficiente, contudo fácil, técnica, e uma vasta gama de materiais incluir polímeros, o peptide e nanoparticles naturais pode ser incorporado nos filmes mergulhados. Nós construímos multilayers do polyelectrolyte (PEMs) do ácido hialurónico (HA) e do chitosano (CS) no titânio (Figura 1) para inibir a adesão e o crescimento de áureo de Escherichia Coli (Escherichia Coli) e de S5.

A Figura 1. multilayers do Polyelectrolyte no titânio que compreende o ácido hialurónico e o chitosano com superfície conjugou RGD.

Ligar entre as correntes do HA e do CS foi introduzido para dar a maior estabilidade. Os multilayers conseguem a eficácia anti-bacteriana alta com uma combinação da acção do HA contra a adesão bacteriana e das propriedades bactericidas do CS. o peptide ácido arginina-glicina-aspartic do Pilha-Adesivo (RGD) pode então ser conjugado nas superfícies dos estes PEMs, que os resultados no aumento significativo na proliferação e na actividade da fosfatase alcalina dos osteoblasts cultivaram nestas superfícies (por 100-200% sobre isso de carcaças titanium pristine). Desde Que nenhuma bactéria que ligam directamente a um domínio de RGD foi identificada6, a eficácia anti-bacteriana alta do multilayer foi retida com redução a aproximadamente 80% no número de pilhas bacterianas aderentes relativas a isso no titânio pristine.

Um Outro método para conseguir uma superfície biointeractive selectiva no titânio que aumenta simultaneamente a função da pilha de osso ao diminuir a adesão bacteriana envolve a transplantação de uma camada anti-bacteriana intermediária do polímero seguida pela conjugação de um factor de crescimento. Um exemplo deste conceito é ilustrado em Figura 2.

Figura 2. de superfície do Titânio transplantado com o chitosano carboxymethyl com BMP-2 conjugado

A superfície titanium functionalized primeiramente com dopamina7 que serve como a âncora para a transplantação de uma camada carboxymethyl (CMCS) do chitosano. Isto é seguido então pela conjugação do osso protein-2 morfogenético (BMP-2) à superfície CMCS-transplantada8. As Bactérias aderem prontamente à superfície pristine do titânio como pode ser visto das pilhas bacterianas viáveis manchadas verdes na Figura 3a. A camada de CMCS fornece propriedades anti-bacterianas, e o número de pilhas viáveis na superfície do titânio de CMCS-functionalized (com e sem BMP-2 conjugado) era significativamente menos do que aquele no Si pristine (Figura 3b).

A Figura 3. imagens da microscopia de Fluorescência (a) do Si pristine, e (b) Si functionalized com CMCS e conjugou BMP-2, sob o filtro verde após a imersão em uma suspensão de PBS de áureo de S. (106 cells/ml) para 6 H.

Quando o CMCS não tiver nenhum efeito significativo nos osteoblasts cultivados nas carcaças alteradas, o BMP-2 conjugado reteve sua eficácia em promover as funções osteogénicas destas pilhas como indicado pelo acessório aumentado da pilha (Figura 4), pela actividade da fosfatase alcalina e pela mineralização do cálcio. Uma vantagem de tais superfícies functionalized para in vivo aplicações é que o BMP-2 permaneceu imobilizado na superfície da carcaça onde é necessário e não é liberado. Isto minimizaria o risco de efeitos indesejáveis que elevaram do factor de crescimento em lugar além do local do implante no corpo.

A Figura 4. imagens Confocal da microscopia de exploração do laser dos osteoblasts cultivados para 24 h em superfícies (a) do Si pristine, e (b) Si functionalized com CMCS e conjugou BMP-2.

Nosso grupo está aplicando actualmente o mesmo conceito para endereçar um dos desafios chaves na cura e na regeneração do osso que é assegurar o fluxo sanguíneo adequado para encontrar as procuras metabólicas da recuperação. O factor de crescimento endothelial Vascular (VEGF) imobilizado em uma camada intermediária do polímero pode promover a sobrevivência e a proliferação de pilhas endothelial e igualmente induzir a diferenciação de células estaminais mesenchymal humanas em pilhas endothelial9. Os efeitos da co-imobilização de VEGF e de BMP-2 estão sendo investigados actualmente. Assim, a aplicação destas estratégias de superfície do functionalization aos implantes pode potencial ser muito útil para acelerar a formação do vasculature e a formação nova do tecido do osso.


Referências

1. R.O. Darouiche, “revestimento Antimicrobial dos dispositivos para a prevenção da infecção: Princípios e protecção”, Jornal Internacional dos Órgãos Artificiais 30, 820-827, 2007.
2. H. Goosens, uso antibiótico de M. Ferech, de R. Vander Stichele, de M. Elseviers, de “Paciente Não Hospitalizado em Europa e associação com resistência: um estudo internacional da base de dados”, Lanceta 365, 579 - 587, 2005
3. J. Chastre, “problemas Em Desenvolvimento com micróbios patogénicos resistentes”, Microbiologia e Infecção Clínicas 14 (Suppl. 3), 3-14, 2008.
4. G. Decher, “nanoassemblies Distorcido: Para multicomposites poliméricos mergulhados”, Ciência 277, 1232, 1997.
5. P. a avaliação de H. Chua, de K.G. Neoh, de Z.L. Shi, de E.T. Kang, “da estabilidade Estrutural e do bioapplicability de multilayers hialurónicos do polyelectrolyte do ácido-chitosano nas carcaças titanium”, Jornal de Materiais Biomedicáveis Pesquisa A 87, 1061-1074, 2008.
6. L.G. Harris, S. Tosatti, M. Wieland, M. Textor, R.G. Richards, “Estafilococo - adesão áurea às superfícies do óxido titanium revestidas com non-functionalized e ao peptide-functionalized poli (L-Lisina) - (copolímeros transplantar-polis do glicol de etileno)”, Matérias Biológicos 25, 4135-4148, 2004
7. X. Ventilador, L. Lin, J.L. Dalsin, P.B. Messersmith, de “âncora Biomimetic para a polimerização superfície-iniciada das carcaças do metal”, Jornal da Sociedade de Produto Químico Americano 127, 15843-15847, 2005.
8. Z.L. Shi, K.G. Neoh, E.T. Kang, C.K. Poh, W. Wang, “functionalization De Superfície do titânio com chitosano carboxymethyl e do osso imobilizado protein-2 morfogenético para o osseointegration aumentado”, Biomacromolecules 10, 1603-1611, 2009
9. C.K Poh, Z.L. Shi, T.Y. Lim, K.G. Neoh, W. Wang, “O efeito do functionalization de VEGF do titânio em pilhas endothelial in vitro”, Matérias Biológicos 31, 1578-1585, 2010.

Copyright AZoNano.com, Professor K.G. Neoh (Universidade Nacional de Singapura)

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

Last Update: 14. June 2013 01:48

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