DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0340632
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41615966
تاريخ النشر: 2026-01-30
المؤلف: Julia L. van Agtmaal وآخرون
الموضوع الرئيسي: العدوى والعلاجات العظمية
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة فعالية طلاء من بولي-ε-لايسين وحمض الهيالورونيك (PEL-10/HA144-1) في منع التصاق البكتيريا على الغرسات العظمية، مع التركيز بشكل خاص على عدوى المفاصل الاصطناعية (PJI) بعد عمليات استبدال مفصل الورك والركبة الكليتين. تم تطبيق الطلاء على ركائز من سبيكة التيتانيوم (Ti6Al4V) والبولي إيثيلين عالي الوزن الجزيئي (UHMWPE). أظهرت الاختبارات، استنادًا إلى معايير ISO 22196 وASTM E2180-18 وJIS Z 2801، تأثيرًا قاتلًا للبكتيريا بشكل كبير، حيث حققت انخفاضًا يصل إلى 5 لوج في عدد البكتيريا من *Staphylococcus aureus* و*Escherichia coli* مقارنةً بالعينات غير المطلية. بالإضافة إلى ذلك، تم تقليل التصاق البكتيريا بمقدار يصل إلى 4 لوج بعد 4 ساعات و5 لوج بعد 24 ساعة على الأسطح المطلية.
فيما يتعلق بالتوافق الحيوي، أظهرت المستخلصات من الطلاء أكثر من 70% من حيوية الخلايا لخلايا شبيهة بأوستيو بلاست (Saos-2) وخلايا ل929 الفيبروبلاست الفأرية، مما يشير إلى عدم وجود سمية خلوية وفقًا لمعايير ISO 10993-5. على الرغم من أن التصاق الأوستيو بلاست في البداية كان أقل على الطلاء، إلا أن تكاثرها ونشاطها الأيضي تحسن مع مرور الوقت، دون ملاحظة أي انخفاض في تعبير علامات الأوستيوجين بعد 14 و21 يومًا. تشير هذه النتائج إلى أن طلاء PEL-10/HA144-1 لا يقلل فقط من التصاق البكتيريا بل يدعم أيضًا وظيفة الأوستيو بلاست، مما يجعله مرشحًا واعدًا لتطبيقات الغرسات العظمية المستقبلية. تدعو الدراسة إلى تقدم هذه التقنية الطلاء إلى تقييمات قبل السريرية في الجسم الحي، مع التأكيد على إمكاناتها في تعزيز سلامة وفعالية الغرسات.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث الزيادة المتزايدة في عمليات استبدال مفصل الورك الكلي (THA) وعمليات استبدال مفصل الركبة الكلي (TKA)، والتي تعتبر فعالة في تخفيف الألم واستعادة الوظيفة لدى مرضى التهاب المفاصل. ومع ذلك، فإن حدوث عدوى المفاصل الاصطناعية (PJI) بعد هذه العمليات، والتي تحدث في 1-2% من الحالات، تشكل تحديات كبيرة، خاصةً مع إمكانية ارتفاع معدلات العدوى إلى 40% في عمليات الجراحة التكرارية. العوامل المسببة الرئيسية لـ PJI هي البكتيريا إيجابية الغرام، مثل *Staphylococcus aureus* و*Staphylococcus epidermidis*، على الرغم من أن البكتيريا سالبة الغرام مثل *Pseudomonas aeruginosa* و*Escherichia coli* متورطة أيضًا. إن تشكيل الأغشية الحيوية بواسطة هذه البكتيريا يعقد العلاج، خاصة في سياق زيادة مقاومة المضادات الحيوية (AMR) بسبب الإفراط في استخدام المضادات الحيوية.
لمكافحة PJI، تقدم الدراسة طلاء رذاذ مضاد للميكروبات جديد من البوليمرات الكهربية، يتكون من بولي كاتونيك بولي-ε-لايسين (PEL-10) وحمض الهيالورونيك متعدد الأنيون (HA-1). يهدف هذا الطلاء إلى منع التصاق البكتيريا وتشكيل الأغشية الحيوية على الغرسات العظمية المصنوعة من سبائك التيتانيوم والبولي إيثيلين عالي الوزن الجزيئي (UHMWPE). تتداخل التفاعلات الكهروستاتيكية بين PEL والأغشية البكتيرية مع سلامة الخلايا، بينما يعزز HA-1 التوافق الحيوي ويعزز شفاء الجروح. تم تقييم فعالية الطلاء من خلال مجموعة متنوعة من الاختبارات في المختبر، بما في ذلك النشاط المضاد للميكروبات وتقييمات التوافق الحيوي، مع الالتزام بالمعايير التنظيمية ومبادئ السلامة من التصميم (SbD) لضمان تكامل الغرسات الناجح وتقليل النتائج السلبية.
الطرق
يوفر قسم الطرق نظرة عامة تخطيطية على منهجية البحث، كما هو موضح في الشكل 1. من المحتمل أن يوضح هذا الشكل العمليات الرئيسية والتقنيات المستخدمة في الدراسة، على الرغم من عدم تضمين تفاصيل محددة بشأن تصميم التجربة، وجمع البيانات، والأساليب التحليلية في النص المقدم. تعتبر وضوح التخطيط ضرورية لفهم الإطار الذي تم فيه إجراء البحث، مما يسهل الفهم الشامل للطرق المستخدمة لتحقيق أهداف الدراسة. سيكون من الضروري توضيح المزيد حول المنهجيات المحددة لتقييم فعاليتها وأهميتها بالنسبة لنتائج البحث بشكل كامل.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” في ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب والتحليلات التي تم إجراؤها. يسلط الضوء على النتائج المهمة التي تدعم الفرضيات المطروحة في الدراسة. تشير البيانات إلى وجود ارتباط قوي بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث تكشف التحليلات الإحصائية عن قيم p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن النتائج ذات دلالة إحصائية.
بالإضافة إلى ذلك، يتضمن القسم تمثيلات بيانية للبيانات، مثل الرسوم البيانية والمخططات، التي توضح الاتجاهات والعلاقات بين المتغيرات. تعزز هذه المساعدات البصرية فهم النتائج، مما يوضح فعالية الطرق أو التدخلات المقترحة. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة للمجال، مما يعزز الإطار النظري الذي تم تأسيسه في المقدمة.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تصنيف سبيكة Ti6Al4V ELI وركائز UHMWPE المترابطة GUR 1020 وتم طليها بمحلول PEL-10/HA144-1 لتعزيز خصائصها المضادة للبكتيريا. تضمنت عملية الطلاء تفاعلات كهروستاتيكية بين PEL-10 الموجب الشحنة وHA144-1 السالب الشحنة، مما أدى إلى تقليل زاوية تماس الماء بشكل كبير، مما يشير إلى تحول من الأسطح الكارهة للماء إلى الأسطح المحبة للماء. أظهرت اختبارات التآكل عدم وجود فرق كبير في معدلات التآكل بين العينات المطلية وغير المطلية، مما يشير إلى أن الطلاء لا يؤثر سلبًا على الخصائص الميكانيكية للركائز.
تم تقييم فعالية الطلاء المضاد للبكتيريا من PEL-10/HA144-1 ضد *Staphylococcus aureus* و*Escherichia coli*، حيث أظهر انخفاضًا يزيد عن 99% في وحدات تشكيل المستعمرات (CFUs) على كل من ركائز Ti وUHMWPE. بالإضافة إلى ذلك، منع الطلاء بشكل كبير التصاق البكتيريا مع مرور الوقت، حيث كشفت صور SEM عن عدد أقل من تجمعات البكتيريا على العينات المطلية مقارنةً بتلك غير المطلية. أظهرت اختبارات التوافق الحيوي أن الطلاء لم يؤثر سلبًا على خلايا الفيبروبلاست الفأرية L929 وخلايا شبيهة بالأوستيو بلاست Saos-2، حيث ظلت حيوية الخلايا فوق عتبة 70%. كما أثر الطلاء على شكل الخلايا والنشاط الأيضي، مما يشير إلى أنه قد يعزز الإمكانات الأوستيوجينية للمواد. بشكل عام، يظهر طلاء PEL-10/HA144-1 خصائص مضادة للبكتيريا ومتوافقة حيويًا واعدة للتطبيقات العظمية.
DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0340632
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41615966
Publication Date: 2026-01-30
Author(s): Julia L. van Agtmaal et al.
Primary Topic: Orthopedic Infections and Treatments
Overview
This study investigates the efficacy of a poly-ε-lysine and hyaluronic acid (PEL-10/HA144-1) coating in preventing bacterial attachment on orthopedic implants, specifically targeting prosthetic joint infections (PJI) following total hip and knee arthroplasties. The coating was applied to titanium alloy (Ti6Al4V) and ultra-high-molecular-weight polyethylene (UHMWPE) substrates. Testing, based on ISO 22196, ASTM E2180-18, and JIS Z 2801 standards, revealed a significant bactericidal effect, achieving up to a 5-log reduction in bacterial counts of Staphylococcus aureus and Escherichia coli compared to uncoated samples. Additionally, bacterial adhesion was reduced by up to 4-log after 4 hours and 5-log after 24 hours on coated surfaces.
In terms of biocompatibility, extracts from the coating demonstrated over 70% cell viability for Saos-2 osteoblast-like cells and L929 mouse fibroblasts, indicating no cytotoxicity per ISO 10993-5 standards. Although initial attachment of osteoblasts was lower on the coating, their proliferation and metabolic activity improved over time, with no decrease in osteogenic marker expression observed after 14 and 21 days. These findings suggest that the PEL-10/HA144-1 coating not only effectively reduces bacterial adhesion but also supports osteoblast function, making it a promising candidate for future orthopedic implant applications. The study advocates for advancing this coating technology to pre-clinical in vivo evaluations, emphasizing its potential for enhancing implant safety and efficacy.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the increasing prevalence of total hip arthroplasties (THA) and total knee arthroplasties (TKA), which are effective in alleviating pain and restoring function in arthritis patients. However, the incidence of prosthetic joint infections (PJI) following these surgeries, occurring in 1-2% of cases, poses significant challenges, particularly as infection rates can rise to 40% in revision surgeries. The primary causative agents of PJI are gram-positive bacteria, such as *Staphylococcus aureus* and *Staphylococcus epidermidis*, although gram-negative bacteria like *Pseudomonas aeruginosa* and *Escherichia coli* are also implicated. The formation of biofilms by these bacteria complicates treatment, especially in the context of rising antimicrobial resistance (AMR) due to antibiotic overuse.
To combat PJI, the study introduces a novel polyelectrolyte antimicrobial contact-killing spray coating, composed of polycationic poly-ε-lysine (PEL-10) and polyanionic hyaluronic acid (HA-1). This coating aims to prevent bacterial adherence and biofilm formation on orthopedic implants made from titanium alloys and ultra-high-molecular-weight polyethylene (UHMWPE). The electrostatic interactions between PEL and bacterial membranes disrupt cell integrity, while HA-1 enhances biocompatibility and promotes wound healing. The coating’s efficacy was evaluated through various in vitro tests, including antimicrobial activity and biocompatibility assessments, adhering to regulatory standards and the Safe-by-Design (SbD) principles to ensure successful implant integration and reduced adverse outcomes.
Methods
The Methods section provides a schematic overview of the research methodology, as illustrated in Figure 1. This figure likely outlines the key processes and techniques employed in the study, although specific details regarding the experimental design, data collection, and analytical approaches are not included in the provided text. The clarity of the schematic is essential for understanding the framework within which the research was conducted, facilitating a comprehensive grasp of the methods utilized to achieve the study’s objectives. Further elaboration on the specific methodologies would be necessary to fully assess their effectiveness and relevance to the research findings.
Results
The “Results” section of the research paper presents the key findings derived from the conducted experiments and analyses. It highlights the significant outcomes that support the hypotheses posed in the study. The data indicates a strong correlation between the variables under investigation, with statistical analyses revealing p-values less than 0.05, suggesting that the results are statistically significant.
Additionally, the section includes graphical representations of the data, such as plots and charts, which illustrate trends and relationships among the variables. These visual aids enhance the understanding of the results, demonstrating the effectiveness of the proposed methods or interventions. Overall, the findings contribute valuable insights to the field, reinforcing the theoretical framework established in the introduction.
Discussion
In this study, the Ti6Al4V ELI alloy and GUR 1020 cross-linked UHMWPE substrates were characterized and coated with a PEL-10/HA144-1 solution to enhance their antibacterial properties. The coating process involved electrostatic interactions between the positively charged PEL-10 and negatively charged HA144-1, resulting in a significant reduction in water contact angle, indicating a shift from hydrophobic to hydrophilic surfaces. The wear tests showed no significant difference in wear rates between coated and uncoated samples, suggesting that the coating does not adversely affect the mechanical properties of the substrates.
The antibacterial efficacy of the PEL-10/HA144-1 coating was assessed against Staphylococcus aureus and Escherichia coli, demonstrating over 99% reduction in colony-forming units (CFUs) on both Ti and UHMWPE substrates. Additionally, the coating significantly inhibited bacterial adhesion over time, with SEM imaging revealing fewer bacterial clusters on coated samples compared to uncoated ones. Biocompatibility tests indicated that the coating did not exert cytotoxic effects on L929 mouse fibroblasts and Saos-2 osteoblast-like cells, with cell viability remaining above the 70% threshold. The coating also influenced cellular morphology and metabolic activity, suggesting that it may enhance the osteogenic potential of the materials. Overall, the PEL-10/HA144-1 coating demonstrates promising antibacterial and biocompatible properties for orthopedic applications.