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:

Реферат

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


Конфликт интересов:

Не заявлен



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


Конфликт интересов:

Не заявлен



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


Конфликт интересов:

Не заявлен



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

Конфликт интересов:

Не заявлен



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

Головина Елена Анатольевна — врач-бактериолог

г. Смоленск


Конфликт интересов:

Не заявлен



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

Матвеенков Матвей Владимирович — научный сотрудник лаборатории комбинированных воздействий

г. Гомель


Конфликт интересов:

Не заявлен



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


Конфликт интересов:

Не заявлен



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


Конфликт интересов:

Не заявлен



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

Просмотров: 497


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


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