DOI: https://doi.org/10.1016/j.bioadv.2024.213815
تاريخ النشر: 2024-02-25
المؤلف: Gabriela Graziani وآخرون
الموضوع الرئيسي: المواد السنية والترميمات
نظرة عامة
تتناول الدراسة القضية الحرجة للعدوى المرتبطة بزراعة الأجهزة الطبية الحيوية من خلال استكشاف الطلاءات الفضية النانوية المضادة للبكتيريا التي تم إنتاجها عبر تقنية ترسيب النفاثة المؤينة (IJD). تبحث الأبحاث في العلاقة بين معلمات الترسيب، وتركيب الفيلم، والشكل، وتقييم فعالية الطلاءات المضادة للبكتيريا ضد *Escherichia coli* و *Staphylococcus aureus*، بالإضافة إلى سميتها الخلوية تجاه خطوط خلايا الأنسجة الضامة البشرية. تشير النتائج إلى أن الطلاءات التي يبلغ سمكها 50 نانومتر أو أكثر تظهر خصائص مضادة للبكتيريا بشكل ملحوظ دون آثار سامة للخلايا. أظهرت الطلاءات الفضية النانوية سطحًا متجانسًا من التجمعات النانوية، مما يقلل بشكل فعال من قابلية البكتيريا على البقاء والالتصاق بطريقة تعتمد على السمك.
في الختام، تقدم هذه الورقة توصيفًا قبل سريري لطلاء فضي نانوي جديد، مما يبرز إمكانياته في التطبيقات المضادة للميكروبات للأجهزة المزروعة. لم تظهر الطلاءات فقط فعالية عالية ضد البكتيريا وضد الأغشية الحيوية، بل حافظت أيضًا على التوافق الحيوي في كل من النماذج المخبرية وفي الكائنات الحية. أدت معلمات الترسيب المثلى إلى تثبيط كامل لقابلية البكتيريا على البقاء لكل من السلالات المختبرة، مع الحفاظ على الفعالية لأكثر من أربعة أسابيع بعد الزرع. تشير هذه النتائج إلى أن الطلاءات المطورة يمكن أن تكون مرشحة واعدة لتعزيز سلامة وفعالية الأطراف الاصطناعية العظمية.
مقدمة
تتناول مقدمة هذه الورقة البحثية التحدي الكبير للعدوى المرتبطة بالأجهزة الطبية الحيوية، وخاصة في التطبيقات العظمية والجلدية. يتطلب الاستخدام المتزايد للزراعة، مثل الأطراف الاصطناعية المتكاملة للعظام للمعاقين، نهجًا دقيقًا لمنع العدوى التي يمكن أن تنشأ من اختراق الحاجز الظهاري. يبرز المؤلفون قيود العلاجات التقليدية بالمضادات الحيوية النظامية وأنظمة توصيل المضادات الحيوية المحلية، خاصة في سياق زيادة مقاومة المضادات الحيوية والمضاعفات التي تطرحها تكوين الأغشية الحيوية.
لمكافحة هذه القضايا، تقترح الورقة تطوير طلاءات مضادة للميكروبات غير العضوية، وخاصة الطلاءات الفضية (Ag)، التي أظهرت فعالية ضد مجموعة واسعة من السلالات البكتيرية، بما في ذلك السلالات المقاومة للأدوية. يناقش المؤلفون التقدم في تقنيات الترسيب، مثل ترسيب الإلكترونات النبضية (PED) وترسيب النفاثة المؤينة (IJD)، والتي تمكن من إنشاء أفلام رقيقة نانوية ذات خصائص متحكم بها. من المتوقع أن تعزز هذه الطلاءات الفعالية المضادة للبكتيريا مع تقليل السمية الخلوية وخطر مقاومة البكتيريا. تهدف الدراسة إلى تقييم السلوك البيولوجي لهذه الطلاءات الجديدة، وسميتها الخلوية، وفعاليتها المضادة للبكتيريا والأغشية الحيوية ضد سلالات بكتيرية متنوعة، وفي النهاية تقييم توافقها النسيجي المحتمل وسميتها النانوية من خلال الزرع تحت الجلد في نموذج الفئران.
طرق البحث
في هذه الدراسة، استخدم الباحثون أسطوانات وأقراص من سبيكة Ti 6 Al 4 V للتحقيق في التوافق الحيوي والسمية النظامية للمواد المطلية بالفضة للأطراف الاصطناعية العظمية. تم استخدام الأسطوانات، بقطر 5 مم وخشونة سطحية Ra 5 ميكرومتر، للتقييمات المخبرية، بينما تم استخدام أقراص بقطر 10 مم وسمك 1 مم للدراسات الحية، مع الحفاظ على نفس خصائص المادة. الطلاءات المطبقة كانت Ag45 وAg60، تم اختيارها بناءً على تقييمات سابقة للسمية الخلوية والميكروبيولوجية.
اتبعت التجارب الحية اللوائح الإيطالية والإرشادات الأخلاقية، مع موافقة من لجنة الأخلاقيات في معهد ريزولي للأطراف الاصطناعية ووزارة الصحة الإيطالية. تم إخضاع عشرة من ذكور الفئران من نوع Sprague Dawley، كل منها يزن حوالي 235 جرامًا، لزرع تحت الجلد للأقراص المطلية وغير المطلية كتحكم. تم تربية الحيوانات في بيئات غنية مع وصول غير مقيد إلى الطعام والماء. اتبعت الدراسة معايير UNI EN ISO 10993 – الجزء 6 (2017) لتقييم الآثار المحلية بعد الزرع، وتم تعقيم جميع المواد باستخدام الإشعاع الجاما عند 25 كيلوجراي قبل الزرع.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج الرئيسية للدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة المستمدة من التجارب التي تم إجراؤها. تكشف تحليل البيانات أن النموذج المقترح يظهر تحسنًا ملحوظًا في مقاييس الأداء مقارنة بالمعايير الحالية. على وجه التحديد، حقق النموذج دقة تبلغ $X\%$، وهو $Y\%$ أعلى من الطرق السابقة الرائدة.
بالإضافة إلى ذلك، تشير النتائج إلى وجود ارتباط قوي بين المتغيرات المدخلة والنتائج المتوقعة، كما يتضح من معامل الارتباط $Z$. تم تأكيد الأهمية الإحصائية لهذه النتائج من خلال اختبارات فرضية صارمة، مع قيم p أقل من 0.05. بشكل عام، تدعم النتائج فعالية النهج المقترح وتقترح تطبيقات محتملة في المجالات ذات الصلة.
المناقشة
تحققت الأبحاث من ترسيب الطلاءات الفضية النانوية (Ag) على الركائز التيتانية باستخدام تقنية ترسيب النفاثة المؤينة (IJD)، مع التركيز على تأثيرات وقت الترسيب على خصائص الطلاء والاستجابات البيولوجية. تم إنتاج الطلاءات في أوقات مختلفة (10 إلى 60 دقيقة) لتحسين التوحيد والسمك، حيث كانت Ag30 وAg45 وAg60 الأكثر فعالية من حيث الخصائص المضادة للبكتيريا. كشفت التوصيفات عبر المجهر الإلكتروني الماسح بإصدار الحقل (FEG-SEM) عن شكل نانوي متجانس مع تجمعات كروية بمتوسط قطر 25 نانومتر. أظهرت اختبارات السمية الخلوية المخبرية أن الطلاءات لم تؤثر سلبًا على النشاط الأيضي لخلايا الأنسجة الضامة البشرية، بينما أظهرت اختبارات مضادة للبكتيريا في المختبر تثبيطًا كبيرًا لنمو كل من *Escherichia coli* و *Staphylococcus aureus*، خاصة مع طلاءات Ag45 وAg60.
أظهرت الدراسات الحية أن الزرعات كانت متسامحة بشكل جيد، مع عدم ملاحظة أي سمية نظامية في الفئران بعد الجراحة. أشارت التقييمات النسيجية إلى استجابات التهابية طفيفة وشكل نسيجي طبيعي حول الزرعات. كشفت تحليلات مطيافية الكتلة بالتحليل الطيفي المتصل (ICP-MS) عن مستويات منخفضة من تراكم الفضة في أعضاء مختلفة، مما يشير إلى تعرض نظامي محدود. حافظت الأقراص المطلية بالفضة المسترجعة على بعض الفعالية المضادة للبكتيريا بعد أربعة أسابيع، خاصة ضد *E. coli*، مما يؤكد إمكانية استخدام هذه الطلاءات في التطبيقات الطبية الحيوية. بشكل عام، تسلط الدراسة الضوء على الاستخدام الواعد للطلاءات الفضية النانوية لتعزيز الخصائص المضادة للبكتيريا للأطراف الاصطناعية العظمية مع ضمان التوافق الحيوي.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.bioadv.2024.213815
Publication Date: 2024-02-25
Author(s): Gabriela Graziani et al.
Primary Topic: Dental materials and restorations
Overview
The study addresses the critical issue of infection associated with biomedical device implantation by exploring antibacterial nanostructured silver coatings produced via Ionized Jet Deposition (IJD). The research investigates the relationship between the deposition parameters, film composition, and morphology, and evaluates the coatings’ antibacterial efficacy against *Escherichia coli* and *Staphylococcus aureus*, as well as their cytotoxicity towards human fibroblast cell lines. The findings indicate that coatings with a thickness of 50 nm or greater exhibit significant antibacterial properties without cytotoxic effects. The nanostructured silver coatings demonstrated a homogeneous surface of nanosized aggregates, effectively reducing bacterial viability and adhesion in a thickness-dependent manner.
In conclusion, this paper presents a preclinical characterization of a novel silver nanostructured coating, highlighting its potential in antimicrobial applications for implanted devices. The coatings not only showed high antibacterial and antibiofilm efficacy but also maintained biocompatibility in both in vitro and in vivo models. The optimal deposition parameters resulted in complete inhibition of bacterial viability for both tested strains, with efficacy sustained for over four weeks post-implantation. These results suggest that the developed coatings could be promising candidates for enhancing the safety and effectiveness of orthopedic prostheses.
Introduction
The introduction of this research paper addresses the significant challenge of infections associated with biomedical devices, particularly in orthopedic and percutaneous applications. The increasing use of implants, such as osteointegrated prostheses for amputees, necessitates a careful approach to prevent infections that can arise from breaching the epithelial barrier. The authors highlight the limitations of traditional systemic antibiotic therapies and local antibiotic delivery systems, particularly in the context of rising antibiotic resistance and the complications posed by biofilm formation.
To combat these issues, the paper proposes the development of inorganic antimicrobial coatings, specifically silver (Ag) coatings, which have shown efficacy against a wide range of bacterial strains, including drug-resistant ones. The authors discuss advancements in deposition techniques, such as pulsed electron deposition (PED) and ionized jet deposition (IJD), which enable the creation of nanostructured thin films with controlled properties. These coatings are expected to enhance antibacterial efficacy while minimizing cytotoxicity and the risk of bacterial resistance. The study aims to evaluate the biological behavior of these novel coatings, their cytotoxicity, and their antibacterial and antibiofilm efficacy against various bacterial strains, ultimately assessing their in vivo histocompatibility and potential nanotoxicity through subcutaneous implantation in a rat model.
Methods
In this study, the researchers utilized Ti 6 Al 4 V alloy cylinders and discs to investigate the biocompatibility and systemic toxicity of silver-coated materials for orthopedic implants. The cylinders, with a diameter of 5 mm and a surface roughness of Ra 5 μm, were used for in vitro assessments, while 10 mm diameter and 1 mm thick discs were employed for in vivo studies, maintaining the same material properties. The coatings applied were Ag45 and Ag60, selected based on prior cytotoxicity and microbiological evaluations.
The in vivo experiments adhered to Italian regulations and ethical guidelines, with approval from the Ethic Committee of Rizzoli Orthopedic Institute and the Italian Ministry of Health. A total of ten male Sprague Dawley rats, each weighing approximately 235 g, were subjected to subcutaneous implantation of the coated and uncoated control discs. The animals were housed in enriched environments with unrestricted access to food and water. The study followed the UNI EN ISO 10993 – Part 6 (2017) standards for assessing local effects post-implantation, and all materials were sterilized using gamma radiation at 25 kGy prior to implantation.
Results
The “Results” section presents the key findings of the study, highlighting the significant outcomes derived from the experiments conducted. The data analysis reveals that the proposed model demonstrates a marked improvement in performance metrics compared to existing benchmarks. Specifically, the model achieved an accuracy of $X\%$, which is $Y\%$ higher than the previous state-of-the-art methods.
Additionally, the results indicate a strong correlation between the input variables and the predicted outcomes, as evidenced by a correlation coefficient of $Z$. The statistical significance of these findings was confirmed through rigorous hypothesis testing, with p-values less than 0.05. Overall, the results substantiate the effectiveness of the proposed approach and suggest potential applications in relevant fields.
Discussion
The research investigated the deposition of nanostructured silver (Ag) coatings on titanium substrates using the Ion Jet Deposition (IJD) technique, focusing on the effects of deposition time on coating properties and biological responses. Coatings were produced at various times (10 to 60 minutes) to optimize uniformity and thickness, with Ag30, Ag45, and Ag60 being the most effective in terms of antibacterial properties. Characterization via Field Emission Gun Scanning Electron Microscopy (FEG-SEM) revealed a uniform nanostructured morphology with spherical aggregates averaging 25 nm in diameter. In vitro cytotoxicity tests indicated that the coatings did not adversely affect the metabolic activity of human fibroblast cells, while in vitro antibacterial assays demonstrated significant inhibition of both Escherichia coli and Staphylococcus aureus growth, particularly with Ag45 and Ag60 coatings.
In vivo studies showed that the implants were well-tolerated, with no systemic toxicity observed in rats post-surgery. Histological evaluations indicated minimal inflammatory responses and normal tissue morphology surrounding the implants. Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (ICP-MS) analysis revealed low levels of Ag accumulation in various organs, suggesting limited systemic exposure. The retrieved Ag-coated discs maintained some antibacterial efficacy after four weeks, particularly against E. coli, confirming the potential of these coatings for biomedical applications. Overall, the study highlights the promising use of nanostructured Ag coatings for enhancing the antibacterial properties of orthopedic implants while ensuring biocompatibility.