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材料表面/纳诺工程与生物材料被集中的传染交战和提高的植入管综合化

由 K.G. Neoh 教授

威尔逊 Wang 教授1教授 K.G. Neoh1, Zhilong Shi1 , E.T. Kang 和2
1化工和生物化子的工程的部门
2矫形手术的部门
新加坡国家大学
对应的作者: chenkg@nus.edu.sg

细菌在表面的所有类型容易地遵守并且形成生物薄膜。 生物薄膜保护拓殖的微生物,并且因而,在生物薄膜的细菌比他们浮游生物的副本可以是几个数量级抗性对抗菌作用者。 一次被形成的生物薄膜是非常难根除,并且此阻力和持续时间的涵义在生物材料关联传染明显地表明。

生物薄膜是细胞被困住彼此并且/或者对表面微生物的综合。 这些依附细胞在细胞外聚合物物质内一个自己制作的矩阵频繁地被埋置 (EPS)。 生物薄膜 EPS 是细胞外脱氧核糖核酸、蛋白质和多聚糖聚合物混杂。

预计医疗设备关联传染对 ~50% 负责医院的传染1。 被设立的植入管传染的抗药性疗法倾向于被延长,仍然可能不是有效的。 经常,去除并且/或者修改植入管,以严重的费用和创伤对这名患者变得必要。

对对作战传染的抗生素的增长的使用被认可,当成为一个主要公共健康问题全世界抗菌阻力的诞生的主要原因2。 例如, 2,6 - 二甲氧基苯青霉素抗性葡萄状球菌 - 奥里斯 (S. aureus) 怀疑在 20 世纪 60 年代初导致间歇的传染,在许多医院现在到达了 endemicity,有 ~ 的医院获取的 S. aureus 孤立 60% 在美国,是有抵抗性对 2,6 - 二甲氧基苯青霉素3

由于生物薄膜的接近的关联与传染和困难的在根除生物薄膜,一旦他们被设立,生物薄膜形成的一个预防途径明显地是一个首选方法与抗菌作用者的管理比较,在生物薄膜被形成了后。 此途径形成在 Neoh 教授研究小组的方法后的一个主要理论基础修改的表面的能抵抗细菌生物薄膜的黏附力和形成,并且/或者杀害细菌在他们最初的附件期间对表面。 此外,为矫形植入管,可能资助的方法与抗菌属性的表面伴随地与 osseointegration 的促销是高度有为的。

我们的在生物材料表面修改重点的工作在钛和钛合金由于他们广泛的使用作为在矫形和牙齿应用的植入管材料。 其中一个单一方式 functionalize 这些表面是通过层由层 (LbL)技术4。 此技术在被充电的表面和相反被充电的高分子电解质和相反被充电的高分子电解质之间随后的组合的有吸引力的静电力基础上到一多层,典型地与从十范围到数百毫微米的胶片厚度。

它是多才多艺和高效的,轻便,技术和各种各样的材料包括自然聚合物、肽和 nanoparticles 能合并到层状影片里。 我们修建了高分子电解质 multilayers (PEMs) 透明质酸 (HA)和脱乙酰壳多糖 (CS)在银灰色 (禁止黏附力和增长的图 1) 大肠埃希氏菌 (大肠埃希氏菌)S. aureus5

在包括透明质酸和脱乙酰壳多糖与表面的银灰色的图 1. 高分子电解质 multilayers 共轭了 RGD

在 HA 和电缆敷设船链子之间引入交互相联给予更加巨大的稳定性。 multilayers 通过活动 HA 细菌黏附力和电缆敷设船杀菌属性的组合达到高抗菌效力。 细胞粘合剂氨基胍基戊酸氨基乙酸天冬氨酸的酸 (RGD) 肽在表面可能然后被共轭这些 PEMs,在显著地增加在扩散和 osteoblasts 碱性磷酸盐活动的结果在这些表面开化 (由 100-200% 在那原始钛基体)。 因为束缚直接地对 RGD 域的细菌未被识别6,高抗菌效力多层保留与对相对依附细菌的细胞的数量的大约 80% 减少那在原始银灰色。

达到在同时提高骨细胞功能的银灰色的有选择性的 biointeractive 表面的另一个方法,当越来越少的细菌黏附力介入增长因子的结合时跟随的嫁接一块半成品抗菌聚合物层。 此概念的示例在表 2. 说明。

图 2. 银灰色表面嫁接与与被共轭的 BMP-2 的 carboxymethyl 脱乙酰壳多糖

钛表面首先 functionalized 与7 起锚点作用对于嫁接一块 carboxymethyl 脱乙酰壳多糖层 (CMCS)的多巴胺。 这由骨头 morphogenetic 蛋白质2 然后跟随 (BMP-2) 的结合对 CMCS 被嫁接的表面8。 细菌容易地粘原始钛表面能从可行的细菌细胞被看见被弄脏绿色在图 3a。 CMCS 层提供抗菌属性,并且可行的细胞的数量在 CMCS-functionalized 钛表面的 (有和没有被共轭的 BMP-2) 比那极大是较少在原始钛 (图 3b)。

图 3. (a) 原始钛和 (b) 钛荧光显微法图象 functionalized 与 CMCS 并且共轭了 BMP-2,在绿色补白下在 PBS 暂挂的浸没以后 S. aureus (10 个6 cells/ml) 6 的 H。

当 CMCS 没有对被开化的 osteoblasts 的重大的作用在被修改的基体时,被共轭的 BMP-2 在促进保留其效果这些细胞的成骨性的功能如表示的是由增加的细胞附件 (图 4),碱性磷酸盐活动和钙成矿。 好处的活体内应用的这样 functionalized 表面是 BMP-2 在它是需要的和没有被发行的基体表面保持固定。 这使出现从增长因子的不理想的作用减到最小的风险在植入管站点之外的地点这个机体的。

在 (a) 原始钛和 (b) 钛表面的图 4. 为 24 个 h 开化的 osteoblasts 共焦的激光扫描显微镜图象 functionalized 与 CMCS 并且共轭了 BMP-2。

我们的组当前运用同一个概念解决其中一个在是保证足够的供血适应恢复新陈代谢的需要的骨头愈合和重新生成的关键挑战。 在一块半成品聚合物 (VEGF)层固定的血管内皮生长因子可能促进内皮细胞的细胞的生存和扩散并且导致人力间质干细胞的分化到内皮细胞的细胞9。 从 VEGF 和 BMP-2 的共同钳制的作用当前调查。 因此,这些的应用表面对植入管的 functionalization 方法可能可能地是非常有用的为加速脉管系统形成和新的骨头组织形成。


参考

1. R.O. Darouiche, “设备抗菌涂层传染的预防的: 原则和保护”,人工器官 30, 820-827 国际定期刊物, 2007年。
2. H. Goosens、 M. Ferech, R. Vander Stichele, M. Elseviers, “门诊病人抗药性与阻力的使用在欧洲和关联: 一个跨国数据库研究”,柳叶刀 365, 579 - 587, 2005年
3. J. Chastre, “抗性病原生物”,临床微生物学和传染 14 (Suppl 的演变的问题。 3), 3-14, 2008年。
4. G. Decher, “模糊的 nanoassemblies : 往层状聚合物 multicomposites”,科学 277, 1232 1997年。
5. P. 对在钛基体的 hyaluronic 酸脱乙酰壳多糖高分子电解质 multilayers 的 H. Chua, K.G. Neoh, Z.L. Shi, E.T. Kang, “结构稳定度和 bioapplicability 鉴定”,生物医学的材料日记帐研究 A 87日 1061-1074 2008年。
6. L. 对用非functionalized 涂的氧化钛表面的 G. 哈里斯, S. Tosatti, M. Wieland, M. Textor, R.G. Richards, “葡萄状球菌 - 奥里斯多黏附力和的肽functionalized (L 赖氨酸) - 嫁接多 (1,2-亚乙基二醇) 共聚物”,生物材料 25, 4135-4148, 2004年
7. X. 风扇, L. 林, J.L. Dalsin, P.B. Messersmith, “表面被启动的聚化的 Biomimetic 锚点从金属基体”,美国化学会 127, 15843-15847 日记帐, 2005年。
8. Z.L. Shi, K.G. Neoh, E.T. Kang, C.K. Poh, W. Wang, “银灰色和改进的 osseointegration 的被固定的骨头 morphogenetic 蛋白质的表面 functionalization 2 与 carboxymethyl 脱乙酰壳多糖的”, Biomacromolecules 10日 1603-1611 2009年
9. C.K Poh, Z.L. Shi, T.Y. 林, K.G. Neoh, W. Wang, “银灰色的 VEGF functionalization 的作用对内皮细胞的细胞体外”,生物材料 31日 1578-1585 2010年。

版权 AZoNano.com, K.G. Neoh (新加坡国家大学教授)

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

Last Update: 14. June 2013 01:09

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