Preview

Травматология и ортопедия России

Расширенный поиск

Покрытия на основе двумерно упорядоченного линейно-цепочечного углерода для защиты титановых имплантатов от микробной колонизации

https://doi.org/10.21823/2311-2905-2019-25-2-111-120

Полный текст:

Аннотация

Цель исследования — оценить антибактериальную активность и биологическую совместимость легированных покрытий металлоконструкций для остеосинтеза на основе двумерно упорядоченного линейно-цепочечного углерода (ДУ ЛЦУ).

Материал и методы. Методом ионно-стимулированной конденсации углерода в вакууме на поверхностях титановых пластин и полистироловых планшетов синтезированы покрытия на основе ДУ ЛЦУ с легирующими добавками: азотом (ДУ ЛЦУ+N) и серебром (ДУ ЛЦУ+Ag). Изучена поверхностная бактерицидная активность покрытий и ее устойчивость к механическим воздействиям. На пластинах с покрытиями оценена интенсивность формирования микробных биопленок клиническими изолятами микроорганизмов со множественной и экстремальной антибиотикорезистентностью, для визуализации сформированных биопленок выполнено окрашивание образцов раствором кристаллического фиолетового. Оценка цитотоксичности покрытий выполнена в отношении первичной культуры фибробластов и клеточной линии кератиноцитов HaCaT.

Результаты. Выявлен выраженный поверхностный бактерицидный эффект покрытий ДУ ЛЦУ+Ag в отношении микроорганизмов нескольких таксономических групп, не зависящий от их устойчивости к антибактериальным препаратам. Для покрытия ДУ ЛЦУ+Ag установлена способность полного предотвращения формирования микробных биопленок антибиотико-резистентными клиническими изолятами S. aureus и P. aeruginosa. Показана механическая устойчивость серебросодержащего покрытия с сохранением уровня поверхностной бактерицидной активности, близкого к исходному, даже после продолжительной абразивной обработки. Покрытия на основе ДУ ЛЦУ не вызывали цитотоксических эффектов. Структура монослоя, сформированного в лунках с покрытиями ДУ ЛЦУ+N и ДУ ЛЦУ+Ag, была неотличима от лунок контрольных планшетов.

Об авторах

Д. В. Тапальский
УО «Гомельский государственный медицинский университет»
Беларусь

Тапальский Дмитрий Викторович— канд. мед. наук, доцент, заведующий кафедрой микробиологии, вирусологии и иммунологии

г. Гомель



Н. С. Николаев
ФГБУ «Федеральный центр травматологии, ортопедии и эндопротезирования» Минздрава России, г. Чебоксары
Россия

Николаев Николай Станиславович — д-р мед. наук, главный врач

г. Чебоксары



А. В. Овсянкин
ФГБУ «Федеральный центр травматологии, ортопедии и эндопротезирования» Минздрава России, г. Смоленск
Россия

Овсянкин Анатолий Васильевич — канд. мед. наук, главный врач

г. Смоленск



В. Д. Кочаков
ФГБОУ ВО «Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова»
Россия

Кочаков Валерий Данилович — канд. техн. наук, профессор кафедры прикладной физики и нанотехнологий

г. Чебоксары


Е. А. Головина
ФГБУ «Федеральный центр травматологии, ортопедии и эндопротезирования» Минздрава России, г. Смоленск
Россия

Головина Елена Анатольевна — врач-бактериолог

г. Смоленск



М. В. Матвеенков
ГНУ «Институт радиобиологии Национальной академии наук Беларуси»
Беларусь

Матвеенков Матвей Владимирович — научный сотрудник лаборатории комбинированных воздействий

г. Гомель



М. В. Сухорукова
ФГБОУ ВО «Смоленский государственный медицинский университет» Минздрава России, НИИ антимикробной химиотерапии
Россия

Сухорукова Марина Витальевна — канд. мед. наук, старший научный сотрудник, руководитель отдела многоцентровых исследований

г. Смоленск



Р. С. Козлов
ФГБОУ ВО «Смоленский государственный медицинский университет» Минздрава России, НИИ антимикробной химиотерапии
Россия

Козлов Роман Сергеевич— д-р мед. наук, профессор, член-корреспондент Российской академии наук, директор

г. Смоленск



Список литературы

1. Koseki H., Yonekura A., Shida T., Yoda I., Horiuchi H., Morinaga Y. et al. Early staphylococcal biofilm formation on solid orthopaedic implant materials: in vitro study. PLoS One. 2014;9(10):e107588. DOI: 10.1371/journal.pone.0107588.

2. Zimmerli W., Moser C. Pathogenesis and treatment concepts of orthopaedic biofilm infections. FEMS Immunol Med Microbiol. 2012;65(2):158-168. DOI: 10.1111/j.1574-695X.2012.00938.x.

3. Bruellhoff K., Fiedler J., Möller M., Groll J., Brenner R.E. Surface coating strategies to prevent biofilm formation on implant surfaces. Int J Artif Organs.2010;33(9):646-653. DOI: 10.1177/039139881003300910.

4. Казбанов В.В., Баталов М.С., Вишневский А.А. Особенности биосовместимости и перспективы применения титановых имплантатов с алмазоподобными покрытиями на основе модифицированного углерода. Проблемы здоровья и экологии. 2015;(2):16-23.

5. Oliveira L.Y., Kuromoto N.K., Siqueira C.J. Treating orthopedic prosthesis with diamond-like carbon: minimizing debris in Ti6Al4V. J Mater Sci Mater Med.2014;25(10):2347-2355. DOI: 10.1007/s10856-014-5252-y.

6. Бабаев В.Г., Новиков Н.Д., Гусева М.Б., Хвостов В.В., Савченко Н.Ф., Коробова Ю.Г., Александров А.Ф. Пленки линейно-цепочечного углерода— упорядоченные ансамбли квантовых нитей — материал для наноэлектроники. Нанотехнологии: разработка, применение — XXI век. 2010;2(1):53-68.

7. Беляев Л.В., Ваганов В.Е., Кочаков В.Д. Гоголинский К.В., Кравчук К.С. Исследование структуры и свойств покрытий на основе линейно-цепочечного углерода для полимеров медицинского назначения. Перспективные материалы. 2013;3:41-46.

8. Williams D.F., Roaf R. Implants in surgery. London : W.B. Saunders Company; 1973. 598 p. DOI: 10.1002/bjs.1800611217.

9. Александров А.Ф., Гусева М.Б., Корнеева Ю.В., Новикова Н.Д., Хвостов В.В. Результаты и перспективы применения биосовместимых форм линейно-цепочечного углерода в медицине. Интеграл. 2011;61(5):27-31.

10. Kudryavtsev Yu.P., Evsyukov S.E., Guseva M.B., Babaev V.G. Oriented carbyne layers. Carbon. 1992;30(2):213-221. DOI: 10.1016/0008-6223(92)90082-8.

11. Новиков Н.Д., Бабаев В.Г., Гусева М.Б., Трубин В.В., Маллин Д.А., Лещинский А.М. Sp1-углерод и медицина. История успеха и потенциальные возможности. Нанотехника. 2007;10(2):57-63.

12. Qia C, Rogachev A.V., Tapal’skii D.V., Yarmolenko M.A., Rogachev A.A., Jianga X., Koshanskay E.V., Vorontsov A.S. Nanocomposite coatings for implants protection from microbial colonization: formation features, structure, and properties. Surf Coat Tech. 2017;315:350-358. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2017.02.066.

13. Abalkhil T.A., Alharbi S.A., Salmen S.H., Wainwright M. Bactericidal activity of biosynthesized silver nanoparticles against human pathogenic bacteria. Biotechnol Biotechnol Equip. 2017;31(2):411-417. DOI: 10.1080/13102818.2016.1267594.

14. dos Santos C.A., Jozala A.F., Pessoa A.J., Seckler M.M. Antimicrobial effectiveness of silver nanoparticles co-stabilized by the bioactive copolymer pluronic F68. J Nanobiotechnology. 2012;10:43. DOI: 10.1186/1477-3155-10-43.

15. Romano C.L., Scarponi S., Gallazzi E., Romano D., Drago L. Antibacterial coating of implants in orthopaedics and trauma: a classification proposal in an evolving panorama. J Orthop Surg Res. 2015;10:157. DOI: 10.1186/s13018-015-0294-5.

16. Legeay G., Poncin-Epaillard F., Arciola C.R. New surfaces with hydrophilic/hydrophobic characteristics in relation to (no)bioadhesion. Int J Artif Organs. 2006;29(4):453-461. DOI: 10.1177/039139880602900416.

17. Verran J., Whitehead K. Factors affecting microbial adhesion to stainless steel and other materials used in medical devices. Int J Artif Organs. 2005;28(11):1138-1145. DOI: 10.1177/039139880502801111.

18. Zhao L., Chu PK, Zhang Y, Wu Z. Antibacterial coatings on titanium implants. J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 2009;91(1):470-480. DOI: 10.1002/jbm.b.31463.

19. Bumgardner J.D., Adatrow P., Haggard W.O., Norowski P.A. Emerging antibacterial biomaterial strategies for the prevention of peri-implant inflammatory diseases. Int J Oral Maxillofac Implants. 2011;26(3):553-560.

20. Gimeno M., Pinczowski P., Perez M., Giorello A., Martinez M.A., Santamaria J., Arruebo M., Lujan L. A controlled antibiotic release system to prevent orthopedic-implant associated infections: An in vitro study. Eur J Pharm Biopharm. 2015;96:264-271. DOI: 10.1016/j.ejpb.2015.08.007.

21. Zilberman M., Elsner J.J. Antibiotic-eluting medical devices for various applications. J Control Release. 2008;130(3):202-215. DOI: 10.1016/j.jconrel.2008.05.020.

22. Ewald A., Gluckermann S.K., Thull R., Gbureck U. Antimicrobial titanium/silver PVD coatings on titanium. Biomed Eng Online. 2006;5;22. DOI: 10.1186/1475-925X-5-22.

23. Liu X., Chu P.K., Ding C. Surface modification of titanium, titanium alloys, and related materials for biomedical applications. Mater Sci Eng. 2004;47(3-4):49-121. DOI:10.1016/j.mser.2004.11.001.

24. Shirai T., Shimizu T., Ohtani K., Zen Y., Takaya M., Tsuchiya H. Antibacterial iodine-supported titanium implants. Acta Biomater. 2011;7(4):1928-1933. DOI: 10.1016/j.actbio.2010.11.036.

25. Tsuchiya H., Shirai T., Nishida H., Murakami H., Kabata T., Yamamoto N., Watanabe K., Nakase J. Innovative antimicrobial coating of titanium implants with iodine. J Orthop Sci. 2012;17(5):595-604. DOI: 10.1007/s00776-012-0247-3.

26. Fuchs T., Schmidmaier G., Raschke M.J., Stange R. Bioactivecoated implants in trauma surgery. Eur J Trauma Emerg S. 2008;34(1):60-68. DOI: 10.1007/s00068-006-6110-5.

27. Fuchs T., Stange R., Schmidmaier G., Raschke M.J. The use of gentamicin-coated nails in the tibia: preliminary results of a prospective study. Arch Orthop Trauma Surg. 2011;131(10):1419-1425. DOI: 10.1007/s00402-011-1321-6.

28. Juan L., Zhimin Z., Anchun M., Lei L., Jingchao Z. Deposition of silver nanoparticles on titanium surface for antibacterial effect. Int J Nanomedicine. 2010;5(5):261-267. DOI: 10.2147/IJN.S8810.

29. Melaiye A.Y.W. Silver and its application as an antimicrobial agent. Expert Opin Ther Pat. 2005;15(2):125-130. DOI: 10.1517/13543776.15.2.125.

30. Bosetti M., Masse A., Tobin E., Cannas M. Silver coated materials for external fixation devices: in vitro biocompatibility and genotoxicity. Biomaterials. 2002;23(3):887-892. DOI: 10.1016/ S0142-9612(01)00198-3.

31. Balamurugan A., Balossier G., Laurent-Maquin D., Pina S., Rebelo A.H., Faure J., Ferreira J.M. An in vitro biological and anti-bacterial study on a sol-gel derived silver-incorporated bioglass system. Dent Mater. 2008;24(10):1343-1351. DOI: 10.1016/j.dental.2008.02.015.


Для цитирования:


Тапальский Д.В., Николаев Н.С., Овсянкин А.В., Кочаков В.Д., Головина Е.А., Матвеенков М.В., Сухорукова М.В., Козлов Р.С. Покрытия на основе двумерно упорядоченного линейно-цепочечного углерода для защиты титановых имплантатов от микробной колонизации. Травматология и ортопедия России. 2019;25(2):111-120. https://doi.org/10.21823/2311-2905-2019-25-2-111-120

For citation:


Tapalski D.V., Nikolaev N.S., Ovsyankin A.V., Kochakov V.D., Golovina E.A., Matveenkov M.V., Sukhorukova M.V., Kozlov R.S. Coatings Based on Two-Dimensionally Ordered Linear Chain Carbon for Protection of Titanium Implants from Microbial Colonization. Traumatology and Orthopedics of Russia. 2019;25(2):111-120. (In Russ.) https://doi.org/10.21823/2311-2905-2019-25-2-111-120

Просмотров: 191


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2311-2905 (Print)
ISSN 2542-0933 (Online)