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材料表面/納諾工程與生物材料被集中的傳染交戰和提高的植入管綜合化

由 K.G. Neoh 教授

威爾遜 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門
2矯形手術的部門
新加坡國家大學
對應的作者: chenkg@nus.edu.sg

細菌在表面的所有類型容易地遵守并且形成生物薄膜。 生物薄膜保護拓殖的微生物,并且因而,在生物薄膜的細菌比他們浮游生物的副本可以是幾個數量級抗性對抗菌作用者。 一次被形成的生物薄膜是非常難根除,并且此阻力和持續時間的涵義在生物材料關聯傳染明顯地表明。

生物薄膜是細胞被困住彼此並且/或者對表面微生物的綜合。 這些依附細胞在細胞外聚合物物質內一個自己製作的矩陣頻繁地被埋置 (EPS)。 生物薄膜 EPS 是細胞外脫氧核糖核酸、蛋白質和多聚糖聚合物混雜。

預計醫療設備關聯傳染對 ~50% 負責醫院的傳染1。 被設立的植入管傳染的抗藥性療法傾向於被延長,仍然可能不是有效的。 經常,去除並且/或者修改植入管,以嚴重的費用和創傷对這名患者變得必要。

對對作戰傳染的抗生素的增長的使用被認可,當成為一個主要公共健康問題全世界抗菌阻力的誕生的主要原因2。 例如, 2,6 - 二甲氧基苯青黴素抗性葡萄狀球菌 - 奧裡斯 (S. aureus) 懷疑在 20 世紀 60 年代初導致間歇的傳染,在許多醫院現在到達了 endemicity,有 ~ 的醫院獲取的 S. aureus 孤立 60% 在美國,是有抵抗性對 2,6 - 二甲氧基苯青黴素3

由於生物薄膜的接近的關聯與傳染和困難的在根除生物薄膜,一旦他們被設立,生物薄膜形成的一個預防途徑明顯地是一個首選方法與抗菌作用者的管理比較,在生物薄膜被形成了後。 此途徑形成在 Neoh 教授研究小組的方法後的一個主要理論基礎修改的表面的能抵抗細菌生物薄膜的黏附力和形成,並且/或者殺害細菌在他們最初的附件期間對表面。 此外,為矯形植入管,可能資助的方法與抗菌屬性的表面伴隨地與 osseointegration 的促銷是高度有為的。

我們的在生物材料表面修改重點的工作在鈦和鈦合金由於他們廣泛的使用作為在矯形和牙齒應用的植入管材料。 其中一個單一方式 functionalize 這些表面是通過層由層 (LbL)技術4。 此技術在被充電的表面和相反被充電的高分子電解質和相反被充電的高分子電解質之間隨後的組合的有吸引力的靜電力基礎上到一多層,典型地與從十範圍到數百毫微米的膠片厚度。

它是多才多藝和高效的,輕便,技術和各種各樣的材料包括自然聚合物、肽和 nanoparticles 能合併到層狀影片裡。 我們修建了高分子電解質 multilayers (PEMs) 透明質酸 (HA)和脫乙酰殼多糖 (CS)在銀灰色 (禁止黏附力和增長的圖 1) 大腸埃希氏菌 (大腸埃希氏菌)S. aureus5

在包括透明質酸和脫乙酰殼多糖與表面的銀灰色的圖 1. 高分子電解質 multilayers 共軛了 RGD

在 HA 和電纜敷設船鏈子之間引入交互相聯給予更加巨大的穩定性。 multilayers 通過活動 HA 細菌黏附力和電纜敷設船殺菌屬性的組合達到高抗菌效力。 細胞粘合劑氨基胍基戊酸氨基乙酸天冬氨酸的酸 (RGD) 肽在表面可能然後被共軛這些 PEMs,在顯著地增加在擴散和 osteoblasts 碱性磷酸鹽活動的結果在這些表面開化 (由 100-200% 在那原始鈦基體)。 因為束縛直接地對 RGD 域的細菌未被識別6,高抗菌效力多層保留與對相對依附細菌的細胞的數量的大約 80% 減少那在原始銀灰色。

達到在同時提高骨細胞功能的銀灰色的有選擇性的 biointeractive 表面的另一個方法,當越來越少的細菌黏附力介入增長因子的結合時跟隨的嫁接一塊半成品抗菌聚合物層。 此概念的示例在表 2. 說明。

圖 2. 銀灰色表面嫁接與與被共軛的 BMP-2 的 carboxymethyl 脫乙酰殼多糖

鈦表面首先 functionalized 與7 起錨點作用對於嫁接一塊 carboxymethyl 脫乙酰殼多糖層 (CMCS)的多巴胺。 這由骨頭 morphogenetic 蛋白質2 然後跟隨 (BMP-2) 的結合對 CMCS 被嫁接的表面8。 細菌容易地粘原始鈦表面能從可行的細菌細胞被看見被弄髒綠色在圖 3a。 CMCS 層提供抗菌屬性,并且可行的細胞的數量在 CMCS-functionalized 鈦表面的 (有和沒有被共軛的 BMP-2) 比那極大是較少在原始鈦 (圖 3b)。

圖 3. (a) 原始鈦和 (b) 鈦熒光顯微法圖像 functionalized 與 CMCS 并且共軛了 BMP-2,在綠色補白下在 PBS 暫掛的浸沒以後 S. aureus (10 个6 cells/ml) 6 的 H。

當 CMCS 沒有對被開化的 osteoblasts 的重大的作用在被修改的基體時,被共軛的 BMP-2 在促進保留其效果這些細胞的成骨性的功能如表示的是由增加的細胞附件 (圖 4),碱性磷酸鹽活動和鈣成礦。 好處的活體內應用的這樣 functionalized 表面是 BMP-2 在它是需要的和沒有被發行的基體表面保持固定。 這使出現從增長因子的不理想的作用減到最小的風險在植入管站點之外的地點這個機體的。

在 (a) 原始鈦和 (b) 鈦表面的圖 4. 為 24 个 h 開化的 osteoblasts 共焦的激光掃描顯微鏡圖像 functionalized 與 CMCS 并且共軛了 BMP-2。

我們的組當前運用同一個概念解決其中一個在是保證足够的供血適應恢復新陳代謝的需要的骨頭癒合和重新生成的關鍵挑戰。 在一塊半成品聚合物 (VEGF)層固定的血管內皮生長因子可能促進內皮細胞的細胞的生存和擴散並且導致人力間質乾細胞的分化到內皮細胞的細胞9。 從 VEGF 和 BMP-2 的共同鉗製的作用當前調查。 因此,這些的應用表面對植入管的 functionalization 方法可能可能地是非常有用的為加速脈管系統形成和新的骨頭組織形成。


參考

1. R.O. Darouiche, 「設備抗菌塗層傳染的預防的: 原則和保護」,人工器官 30, 820-827 國際定期刊物, 2007年。
2. H. Goosens、 M. Ferech, R. Vander Stichele, M. Elseviers, 「門診病人抗藥性與阻力的使用在歐洲和關聯: 一個跨國數據庫研究」,柳葉刀 365, 579 - 587, 2005年
3. J. Chastre, 「抗性病原生物」,臨床微生物學和傳染 14 (Suppl 的演變的問題。 3), 3-14, 2008年。
4. G. Decher, 「模糊的 nanoassemblies : 往層狀聚合物 multicomposites」,科學 277, 1232 1997年。
5. P. 對在鈦基體的 hyaluronic 酸脫乙酰殼多糖高分子電解質 multilayers 的 H. Chua, K.G. Neoh, Z.L. Shi, E.T. Kang, 「結構穩定度和 bioapplicability 鑒定」,生物醫學的材料日記帳研究 A 87日 1061-1074 2008年。
6. L. 對用非functionalized 塗的氧化鈦表面的 G. 哈里斯, S. Tosatti, M. Wieland, M. Textor, R.G. Richards, 「葡萄狀球菌 - 奧裡斯多黏附力和的肽functionalized (L 賴氨酸) - 嫁接多 (1,2-亞乙基二醇) 共聚物」,生物材料 25, 4135-4148, 2004年
7. X. 風扇, L. 林, J.L. Dalsin, P.B. Messersmith, 「表面被啟動的聚化的 Biomimetic 錨點從金屬基體」,美國化學會 127, 15843-15847 日記帳, 2005年。
8. Z.L. Shi, K.G. Neoh, E.T. Kang, C.K. Poh, W. Wang, 「銀灰色和改進的 osseointegration 的被固定的骨頭 morphogenetic 蛋白質的表面 functionalization 2 與 carboxymethyl 脫乙酰殼多糖的」, Biomacromolecules 10日 1603-1611 2009年
9. C.K Poh, Z.L. Shi, T.Y. 林, K.G. Neoh, W. Wang, 「銀灰色的 VEGF functionalization 的作用對內皮細胞的細胞體外」,生物材料 31日 1578-1585 2010年。

版權 AZoNano.com, K.G. Neoh (新加坡國家大學教授)

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

Last Update: 14. June 2013 01:12

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