Antimikrobielles Potenzial und osteoblastisches Zellwachstum auf elektrochemisch modifizierten Titanoberflächen mit Nanoröhren und Selen- oder Silbereinbau

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 8298 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Titan-Nanoröhrenoberflächen, die Silber, Zink und Kupfer enthalten, haben eine antimikrobielle Wirkung gezeigt, ohne das Wachstum osteoblastischer Zellen zu verringern. In dieser In-vitro-Studie präsentieren wir erste Ergebnisse zur biologischen Bewertung von Oberflächenmodifikationen durch den Einbau von Selen- und Silberverbindungen in Titandioxid (TiO2)-Nanoröhren durch elektrochemische Abscheidung. TiO2-Nanoröhren (TNT) und phosphatdotiertes TNT (pTNT) wurden durch Anodisierung auf der Oberfläche von Ti6Al4V-Scheiben gezüchtet. Durch elektrochemische Abscheidung wurden Hydroxylapatit (HA), Selen (Se) und Silber (Ag)-Verbindungen eingebaut. Koloniebildende Einheiten von Staphylococcus epidermidis (DSM 3269) waren in SepTNT (0,97 ± 0,18 × 106 KBE/ml), SepTNT-HA (1,2 ± 0,39 × 106 KBE/ml) und AgpTNT (1,36 ± 0,42 × 106 KBE/ml) signifikant verringert ) und Ag2SepTNT (0,999 ± 0,12 × 106 KBE/ml) im Vergleich zur nicht modifizierten Kontrolle (2,2 ± 0,21 × 106 KBE/ml). Die Bakterienadhäsion wurde durch Messung der bedeckten Fläche nach der Fluoreszenzfärbung berechnet. Die Adhäsion war bei SepTNT (37,93 ± 12 %; P = 0,004), pTNT (47,3 ± 6,3 %, P = 0,04), AgpTNT (24,9 ± 1,8 %; P < 0,001) und Ag2SepTNT (14,9 ± 4,9 %; P < 0,001) geringer ) im Vergleich zur nicht modifizierten Kontrolle (73,7 ± 11 %). Die Bildung von Biofilmen und das Wachstum osteoblastischer Zellen (MG-63) wurden mithilfe der Kristallviolett-Färbung beobachtet. Die Biofilmbildung war in SepTNT- (22 ± 3 %, P = 0,02) und Ag2SepTNT-Scheiben (23 ± 11 %, P = 0,02) im Vergleich zur nicht modifizierten Kontrolle (54 ± 8 %) reduziert. Im Vergleich zur nicht modifizierten Kontrolle zeigten die modifizierten SepTNT-HA- und pTNT-Oberflächen eine signifikant höhere bedeckte Fläche mit osteoblastischen MG-63-Zellen. Rasterelektronenmikroskop-Bilder (REM) bestätigten die Ergebnisse bezüglich des Wachstums von Bakterien- und Osteoblastenzellen. Diese Ergebnisse zeigen einen möglichen synergistischen Effekt durch die Kombination von Selen und Silber mit Titan-Nanoröhren.

Eine periprothetische Gelenkinfektion (PJI) bleibt nach wie vor eine der schwierigsten Komplikationen nach einer totalen Gelenkendoprothetik (TJA) mit dramatischen Auswirkungen auf die Morbidität und Mortalität der Patienten sowie einer sozioökonomischen Belastung für das öffentliche Gesundheitssystem1,2,3 ,4,5,6.

Aufgrund der anhaltenden Zunahme der Antibiotikaresistenz wurden viele Anstrengungen unternommen, um neuartige antimikrobielle Therapieansätze zu entwickeln7. Die Bildung von Titandioxid (TiO2)-Nanoröhren (TNT) hat aufgrund ihres antibakteriellen und osseointegrativen Potenzials auf orthopädisch relevanten Oberflächen bereits Aufmerksamkeit erregt8,9,10. Es wurde vorgeschlagen, dass TNT Bakterien auf Titanoberflächen reduziert, indem es die Bakterienadhäsion hemmt. Dies kann durch eine höhere Hydrophilie und eine beeinträchtigte Agglomeration der Bakterienzellen aufgrund der röhrenförmigen Struktur des TNT11 erreicht werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Implantatoberfläche mit einer Beschichtung mit bakteriziden Eigenschaften zu versehen. Der Einsatz bakterienabtötender Ionen wie Silber12,13,14,15,16, Zink17 oder Selen18,19,20,21,22 wurde untersucht und silberbeschichtete Implantate sind bereits im Handel erhältlich. Darüber hinaus töten diese Metalle im Gegensatz zum antibakteriellen Mechanismus von TNT Bakterienzellen durch Ionenfreisetzung10. Dieser Effekt kann durch den Einsatz von Nanopartikeln dieser Metalle10 verstärkt werden. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass die Verwendung von TNT das osteogene Potenzial23 steigert, was auch für Selen berichtet werden könnte21,24. Es gibt jedoch Hinweise darauf, dass Silberverbindungen aufgrund ihrer zytotoxischen Wirkung möglicherweise die Osteogenese negativ beeinflussen können25. Auch wenn einige retrospektive Studien einen Rückgang des PJI bei Hochrisikopatienten zeigen könnten, gibt es derzeit nicht genügend Beweise, um den weltweiten Einsatz von Silberionen bei Patienten mit regelmäßiger Endoprothetik zu unterstützen26. Eine Studie von Holinka et al.27 zeigte ein vermindertes Bakterienzellwachstum und eine verminderte Biofilmbildung von Staphylococcus aureus und Staphylococcus epidermidis (S. epidermidis), wenn Selen verwendet wird. Allerdings macht die Verwendung von Dotierungs-/Einweichmechanismen zum Einbau von Selen auf der nanostrukturierten Oberfläche die Selenablagerung weniger kontrollierbar. Hydroxylapatit (HA) ist einer der am häufigsten verwendeten Zusatzstoffe für zementfreie Implantate. Das anorganische Mineral, das aus einer Calcium-Phosphat-Hydroxid-Verbindung besteht, stellt den Goldstandard für osseoinduktive Mittel dar.

Mithilfe der Anodisierung konnte unsere Studiengruppe eine Strategie zur Bildung gleichmäßig geformter TNT entwickeln. Darüber hinaus ermöglichte die elektrochemische Abscheidung den Einbau von Partikeln (reine Metalle oder Verbindungen davon) und anderen nützlichen Wirkstoffen (z. B. HA) in/auf die Nanoröhren, um schließlich das antimikrobielle und osseointegrative Potenzial zu verbessern28,29. Darüber hinaus konnten wir TNT mit einer gewünschten Breite von 100 nm herstellen, um antibakterielle Eigenschaften und Osseointegration zu gewährleisten und ausreichend Platz für die Ablagerung antimikrobieller Wirkstoffe in den Nanoröhren zu schaffen. Diese Methode ermöglicht die Kombination verschiedener antimikrobieller Zusammensetzungen, um synergistische antimikrobielle und osseointegrative Wirkungen zu verstärken. Ziel der vorliegenden Studie war es, die antimikrobielle Wirkung der neu gebildeten Oberflächen zu untersuchen und das Wachstum osteoblastischer Zellen in einer In-vitro-Studie zu bewerten. Wir verglichen die Bakterienadhäsion, die Biofilmbildung und das osteoblastische Zellwachstum von Selen- und Silber-dotierten TiO2-Nanoröhren mit regulären Titanoberflächen und HA-dotierten TiO2-Nanoröhren.

Oberflächen von Titanscheiben mit Modifikationen hinsichtlich TNT und pTNT und zusätzlicher elektrochemischer Abscheidung von Se, Ag und HA wurden hinsichtlich ihrer Oberflächeneigenschaften weiter untersucht. Die Elementarzusammensetzungsanalyse mittels EDX zeigte eine Menge an Se auf den Oberflächen der SepTNT- und SepTNT-HA-Scheiben von einem mittleren Gew.-% von 29,9 ± 6,4 Gew.-%. Die mittlere Menge an Se und Ag auf den Ag2SepTNT-Scheibenoberflächen betrug 17,8 ± 5,4 Gew.-% bzw. 18,8 ± 9,4 Gew.-%. Der mittlere Ag-Gewichtsprozentsatz auf den Ag-pTNT-Scheibenoberflächen betrug 6 ± 2 Gewichtsprozent. Die Visualisierung der Oberfläche der Scheiben erfolgte mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM; ZEISS SIGMA HD VP), ausgestattet mit einer Schottky-Feldemissionsquelle für eine erhöhte räumliche Auflösung (Abb. 1). Weitere Informationen zu Oberflächeneigenschaften und -eigenschaften aus der vorliegenden Oberflächenmodifikation wurden bereits veröffentlicht28.

Rasterelektronenmikroskopische (REM) Bilder der Scheibenoberflächen: (A) unmodifizierte Kontrolle; (B) Phosphat-dotierte Titan-Nanoröhren (pTNT); (C) Selen-inkorporierte phosphatdotierte TiO2-Nanoröhren (SepTNT); (D) mit Hydroxylapatit beschichtete (HA) phosphatdotierte TiO2-Nanoröhren; (E) Selen-inkorporierte phosphatdotierte TiO2-Nanoröhren mit Hydroxylapatitbeschichtung (SepTNT-HA); (F) Silber-Selen-inkorporierte phosphatdotierte TiO2-Nanoröhren (Ag2SepTNT).

Nach der Inkubation der Proben mit S.epidermidis und der Ultraschallbehandlung zur Ablösung der Bakterienzellen wurden die KBE/ml auf Agarplatten ausgewertet. Eine signifikant niedrigere Bakterienzellzahl konnte für SepTNT (0,97 ± 0,18 × 106 KBE/ml; P = 0,001), SepTNT-HA (1,2 ± 0,39 × 106 KBE/ml; P = 0,001) und AgpTNT (1,36 ± 0,42 ×) festgestellt werden 106 KBE/ml; P = 0,002) und Ag2SepTNT (0,999 ± 0,12 × 106 KBE/ml; P = 0,001) im Vergleich zur nicht modifizierten Kontrolle (2,2 ± 0,21 × 106 KBE/ml). Abbildung 2 umfasst alle Bakterienexperimente (KBE, Biofilm und Fluoreszenzfärbung) dieser Studie. Abbildung 3 zeigt die Ergebnisse des CFU-Zählungsexperiments. Die bakterielle Zelladhäsion war bei SepTNT (38 ± 12 %; P = 0,004), pTNT (47 ± 6 %, P = 0,040), AgpTNT (25 ± 2 %; P < 0,001) und Ag2SepTNT (15 ± 5 %; P < 0,001) im Vergleich zur nicht modifizierten Kontrolle (74 ± 11 %). REM-Bilder spiegeln die Ergebnisse der Keimzahlexperimente wider. Beispiele aus REM-Bildern finden sich in Abb. 4. REM-Bilder mit Ag-Beschichtung (AgpTNT und Ag2SepTNT) zeigen einen Einbau der Silber- und Silber-Selen-Partikel mit einer höheren Anzahl an Bakterienzellen auf der Oberfläche als in der CFU zählen. Allerdings schienen Zellen mit aufgenommenen Partikeln nicht mehr lebensfähig zu sein (Abb. 4).

Bakterienzelladhäsion und Biofilmbildung: Die Bakterienzellzahl (oben links) wurde durch Kultivierung von S. epidermidis auf den modifizierten Scheiben bewertet. Nach der Inkubation wurden die Scheiben beschallt und der Überstand auf Agarplatten übertragen und über Nacht kultiviert. KBE/ml wurden durch Zählen der Zellen mit einer Bildverarbeitungssoftware bewertet. Biofilmbildung auf Titanscheiben nach Inkubation mit S. epidermidis und Kristallviolettfärbung (oben rechts). Der Biofilm wurde durch Analyse des bedeckten Bereichs mit Bildverarbeitungssoftware gemessen. Die bakterielle Zelladhäsion wurde nach Fluoreszenzfärbung mit SYTO 9 (unteres Bild) durch Berechnung der bedeckten Fläche gemessen. Selen-Silber-modifizierte Scheiben zeigten eine deutliche Verringerung der bakteriellen Zelladhäsion und der Biofilmbildung. (A) unveränderte Kontrolle; (B) phosphatdotierte Titan-Nanoröhren (pTNT); (C) Selen-inkorporierte phosphatdotierte TiO2-Nanoröhren (SepTNT); (D) mit Hydroxylapatit beschichtete (HA) phosphatdotierte TiO2-Nanoröhren; (E) Selen-inkorporierte phosphatdotierte TiO2-Nanoröhren mit Hydroxylapatitbeschichtung (SepTNT-HA); (F) Silber/Selen eingebaute phosphatdotierte TiO2-Nanoröhren (Ag2SepTNT).

Koloniebildende Einheiten von S. epidermidis nach 24-stündiger Inkubation auf der Oberfläche der modifizierten und nicht modifizierten (Kontroll-)Titanscheiben (*P < 0,05). Selen-inkorporierte phosphatdotierte TiO2-Nanoröhren (SepTNT), Selen-inkorporierte phosphatdotierte TiO2-Nanoröhren mit Hydroxylapatit-Beschichtung (SepTNT-HA), Phosphat-dotierte TiO2-Nanoröhren (pTNT), Titan-Nanoröhren (TNT), silberinkorporiertes Titanphosphat -dotierte TiO2-Nanoröhren (AgpTNT), mit Silber-Selen eingearbeitete phosphatdotierte TiO2-Nanoröhren (Ag2SepTNT) und nicht modifizierte Kontrolle (Ti6Al4V).

Rasterelektronenmikroskopische (REM) Bilder der Scheibenoberflächen nach 24-stündiger Inkubation mit S. epidermidis; (A) Die nicht veränderte Kontrolle zeigt mehrere Bakterienkolonien. (B) Mit der Verwendung von Phosphat-dotierten TiO2-Nanoröhren (pTNT) ein Trend zu und erhöhtem Bakterienwachstum; (C) zusätzlicher Seleneinbau (SepTNT) führt zu einer deutlichen Reduzierung der Bakterienkolonien; (D) Die Hydroxylapatit-Beschichtung (HA) konnte das Bakterienwachstum nicht reduzieren. (E) in Gegenwart von Selen in Kombination mit HA-Beschichtung wurde eine deutliche Bakterienreduktion festgestellt; (F) Obwohl deutliche Bakterienkolonien auf der Oberfläche von mit Silber-Selen eingearbeiteten phosphatdotierten TiO2-Nanoröhren (Ag2SepTNT) nachgewiesen wurden, waren die meisten Bakterien nicht lebensfähig und hatten bereits Silber-Selen-Partikel aufgenommen. Es waren nur wenige einzelne Bakterienzellen ohne Partikelaufnahme sichtbar.

Die Kristallviolettfärbung zeigte eine signifikante Verringerung der Biofilmbildung mit SepTNT- (22 ± 3 %, P = 0,020) und Ag2SepTNT-Scheiben (23 ± 11 %, P = 0,020) im Vergleich zur nicht modifizierten Kontrolle (54 ± 8 %). Die Ergebnisse der Biofilmfärbung sind in Abb. 5 dargestellt.

Biofilmabdeckung von modifizierten und nicht modifizierten Titanscheiben. Mit Selen und Silber-Selen eingearbeitete phosphatdotierte TiO2-Nanoröhren (SepTNT, Ag2SepTNT) zeigten eine signifikante Verringerung der Biofilmbildung, wohingegen Hydroxylapatit-beschichtete Scheiben mit phosphatdotierten TiO2-Nanoröhren im Vergleich zur nicht modifizierten Kontrolle eine erhöhte Biofilmbildung zeigten.

Nach der Inkubation der Proben mit MG63-Zellen wurden die Scheiben mit Kristallviolett gefärbt, um das Wachstum osteoblastischer Zellen zu messen. Im Vergleich zur nicht modifizierten Kontrolle zeigten (57 ± 29 %) SepTNT-HA-Scheiben (93 ± 2 %; 0,027) und pTNT-Scheiben (90 ± 4 %, P = 0,040) eine signifikant höhere bedeckte Fläche mit osteoblastischen MG- 63 Zellen. Im Vergleich zu den HA-beschichteten Bandscheiben konnte kein Unterschied im Wachstum osteoblastischer Zellen festgestellt werden (90 ± 3 %). Abbildung 6 zeigt die Bedeckung mit MG-63-Zellen auf den Scheiben. REM-Bilder von MG-63 auf den Titanoberflächen sind in Abb. 7 dargestellt.

Wachstum osteoblastischer Zellen auf modifizierten und nicht modifizierten Titanscheiben. Mit Selen inkorporierte phosphatdotierte TiO2-Nanoröhren mit Hydroxylapatitbeschichtung (SepTNT-HA) und phosphatdotierte TiO2-Nanoröhren (pTNT) zeigten einen signifikanten Anstieg des osteoblastischen Zellwachstums.

Rasterelektronenmikroskop-Bilder (REM) mit zwei unterschiedlichen Vergrößerungen (100-fach und 1000-fach) der Scheibenoberflächen nach 24-stündiger Inkubation mit der osteoblastischen Zelllinie MG-63; (A) nicht modifizierte Kontrolle; (B) Proben mit phosphatdotierten TiO2-Nanoröhren (pTNT) scheinen im Vergleich zur Kontrolle lebensfähigere Osteoblastenzellen zu haben; (C) Seleneinbau (SepTNT) führt zu einer deutlichen Erhöhung der Zelldichte und Agglomerationen; (D) Hydroxylapatit-Beschichtung (HA) auf pTNT zeigte mehr osteoblastische Zellen, aber weniger Agglomerationen; (E) Selen-pTNT in Kombination mit HA zeigte eine singuläre osteoblastische Zellbildung, es schien jedoch, dass eine geringere Agglomeration festgestellt wurde; (F) Ag2SepTNT zeigte im Vergleich zu SepTNT ein geringeres osteoblastisches Zellwachstum.

Der Bedarf an neuen Therapiestrategien zur Vorbeugung von PJI wird immer wichtiger, da die Häufigkeit septischer Komplikationen nach TJA aufgrund einer wachsenden Zahl von TJA- und Revisionsarthroplastiken zunimmt5. Die Modifikation von Titanimplantatoberflächen zur Verbesserung des antimikrobiellen Potenzials ist einer dieser neuartigen präventiven Ansätze. In dieser Studie berichten wir über vielversprechende Ergebnisse hinsichtlich des verringerten Wachstums von S. epidermidis auf elektrochemisch modifizierten Titanoberflächen durch die Verwendung von Silber-Selen-Verbindungen zusammen mit der Bildung von Titan-Nanoröhren.

Diese Studie zeigt mehrere Einschränkungen und unsere Ergebnisse sollten in Bezug auf diese Faktoren relativiert werden:

Erstens handelt es sich bei dieser Studie um eine In-vitro-Studie, die nur begrenzte Zuverlässigkeit für die Umsetzung dieser Ergebnisse in die reale klinische Anwendungsumgebung bietet. Insbesondere das osteogene Potenzial der modifizierten Oberflächen muss im Hinblick auf die immunhistologische und biomechanische Bewertung in In-vivo-Modellen weiter analysiert werden. Um die Reaktion des Wirts auf die modifizierten Implantate zu untersuchen, sind außerdem Tierstudien erforderlich, um mit der Umsetzung in klinische Studien am Menschen fortzufahren. Zweitens waren wir aufgrund der hohen Herstellungskosten der modifizierten Scheiben nicht in der Lage, andere Krankheitserreger und mehr Zeitpunkte nach der Inkubation zu untersuchen, was möglicherweise zu anderen Ergebnissen als den in dieser Studie beschriebenen geführt hätte. Drittens ist es in einer In-vitro-Studie nicht möglich, mögliche Nebenwirkungen aufgrund der Selenbeschichtung der Titanscheiben zu untersuchen. Allerdings gibt es Berichte über den Einsatz der intravenösen Anwendung von hochdosiertem Natriumselenit bei kritisch kranken Patienten und es konnten keine nachteiligen Nebenwirkungen festgestellt werden30. Dennoch scheint es unvermeidlich, dass weitere Untersuchungen im Rahmen eines Tierversuchs erforderlich sind, bevor weitere Vorhersagen für den klinischen Einsatz von Selen-/Nanoröhren-Oberflächenmodifikationen für menschliche Implantate getroffen werden können.

Die Nanostrukturierung von Titanoberflächen in Form von Nanoröhren hat in der Vergangenheit bereits Aufmerksamkeit erregt, da sie die Zelladhäsion, das Wachstum und die Differenzierung knochenbildender Zellen verbessert31,32,33. Und TiO2-Nanoröhren werden bereits auf der Oberfläche herkömmlicher zementfreier Knieendoprothesensysteme verwendet und zeigen ein verbessertes osseointegratives Verhalten und antimikrobielle Wirkung33. Peng et al. beschreiben in ihrer Studie, dass die Bildung von Nanoröhren auf den Titanoberflächen zu einem verminderten Wachstum von S. epidermidis führt34. In unserer Studie zeigten TiO2-Nanoröhren (pTNT und TNT) nach 24-stündiger Inkubation einen Trend zu einer verminderten Adhäsion von S. epidermidis im Vergleich zur nicht modifizierten Titanoberfläche. Der Grund, warum wir jedoch keine deutlichen Auswirkungen auf die Bakterienzellreduktion sahen, könnte in der unterschiedlichen Größe der Nanoröhren in unserer Studie (100 nm) liegen. Allerdings konnten wir aus früheren Arbeiten unserer Studiengruppe eine verstärkte Biofilmbildung bei Röhrendurchmessern von 70 nm erkennen. Ein Röhrendurchmesser von 100 nm zeigte bei der REM-Untersuchung eine Abnahme des Biofilms28.

Um das antimikrobielle Potenzial von TiO2-Nanoröhrenoberflächen zu erhöhen, wurden mehrere Studien mit zusätzlichen Nanoröhrenbeschichtungen/-füllungen veröffentlicht35. Bereits 2007 haben Popat et al. konnten ein vermindertes Wachstum von S. epidermidis mit Gentamycin-gefüllten TiO2-Nanoröhren zeigen. Dennoch glauben wir, dass angesichts des zunehmenden Problems der Antibiotikaresistenz diese von entscheidender Bedeutung für alternative antimikrobielle Strategien für PJI ist. Daher wurde die Verwendung verschiedener antimikrobieller Substrate wie Silber oder Kupfer als Beschichtungsmaterial eingeführt. Silber hat eine vielversprechende antimikrobielle Wirkung gezeigt und wird häufig in Arthroplastikimplantaten für Patienten mit einem hohen Risiko für die Entwicklung eines PJI wie Megaprothesen- und Revisionsarthroplastiksystemen verwendet26. Aufgrund der Toxizität16 ist ein weit verbreiteter Einsatz von Silber als präventives Mittel beim primären Gelenkersatz jedoch nicht möglich und beschränkt sich daher nur auf Revisionsarthroplastik und Rekonstruktion nach Tumorresektion. Darüber hinaus kann die Silberbeschichtung aufgrund der toxischen Wirkung nur auf Implantatteilen aufgetragen werden, die nicht in direktem Kontakt zum Knochen stehen26. In unserer Studie wurde die stärkste Reduzierung des Bakterienwachstums mit einer Kombination aus mit Silber und Selen dotierten Nanoröhren beobachtet. Wir spekulieren, dass dies auf den zugrunde liegenden antimikrobiellen Mechanismus der TNT- und Silber-Selen-Ablagerung zurückzuführen sein könnte, der eine Umgebung mit synergistischen antimikrobiellen Wirkungen schafft: Erstens ist TNT aufgrund seiner Materialeigenschaften (Hydrophilie, röhrenförmige Strukturen, Rauheit) in der Lage, die Bakterienadhäsion zu verringern, was verhindert Bakterienagglomeration bei gleichzeitiger Steigerung des osteoblastischen Zellwachstums10. Unsere Studiengruppe konnte zwei unterschiedliche Mechanismen aufzeigen: eine spontane katalytische Bildung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) in Form von H2O2 auf Silberselenidoberflächen in Gegenwart von Sauerstoff aufgrund der Oberflächeneigenschaften und die Freisetzung von (toxischen) Silber-, Kupfer- und Selenionen unter reduzierenden Bedingungen29. Daher glauben wir, dass unsere Ergebnisse von entscheidender Bedeutung sind, um die vorteilhaften synergistischen Mechanismen bei der Reduzierung des Bakterienzellwachstums auf Titanoberflächen hervorzuheben. Darüber hinaus könnten diese Erkenntnisse auch dazu beitragen, die Silberkonzentration auf niedrigere toxische Werte zu senken, ohne die antimikrobielle Wirkung aufgrund der Kombination von Selen zu beeinträchtigen.

Die Verwendung von Selen zur antimikrobiellen Beschichtung orthopädischer Implantate wurde bereits von Holinka et al.27 beschrieben. In ihrer Studie fanden die Autoren ein verringertes Bakterienwachstum von S. aureus und S. epidermidis bei unterschiedlichen Natriumselenit-Konzentrationen. Darüber hinaus beschreiben die Autoren keinen Rückgang des Wachstums osteoblastischer MG-63-Zellen. Die Verwendung der Kombination von TiO2-Nanoröhren und Selen wurde in einer aktuellen Studie von Bilek et al.24 beschrieben und ihre Ergebnisse stimmen mit den Ergebnissen unserer Studie überein. Wir glauben jedoch, dass die Beschichtung von Oberflächen durch einfaches Eintauchen27 oder Waschverfahren24 nicht unbedingt eine konstante und gleichmäßige Verteilung der Selenpartikel auf der gesamten Oberfläche gewährleistet. Daher hat sich unsere vorgeschlagene Methode als zuverlässig erwiesen, um die Titandioxid-Nanoröhren auf standardisierte Weise mit der gewünschten Menge Selen zu füllen28. Darüber hinaus ergab eine aktuelle Studie unserer Gruppe, dass die antibakterielle Wirkung von Seleniden (Ag2Se, Cu2Se) sowohl mit der Ionenfreisetzung als auch mit der indirekten Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) zur Bildung oxidativer H2O2-Spezies zusammenhängen könnte29. Interessanterweise zeigten SEM-Bilder als qualitativer Marker eine erhebliche Korrelation mit den CFU-Zahlen. Allerdings zeigten Ag2SepTNT-Oberflächen auf REM-Bildern mehr Bakterien als bei den nachgewiesenen CFU-Zählungen (Abb. 4). Bei näherer Betrachtung der REM-Bilder stellten wir fest, dass viele Bakterienkolonien bereits intrazelluläre Ag2Se-Kolloide aufwiesen (Abb. 8). Daher spekulieren wir, dass Ag2Se, ähnlich wie die bakterizide Wirkung von Silber, die Zellmembran zerstört und mit der bakteriellen DNA interagiert, was zum Absterben der Bakterien führt.

SEM-Bild und EDX-Profile der Ag2SepTNT-Scheibe, die Ag2Se-Verbindungen in den Bakterienzellen zeigen.

Interessanterweise fanden wir bei den HA-beschichteten Nanoröhren eine nahezu ähnliche KBE-Zahl und eine sogar höhere Biofilmbildung im Vergleich zur unmodifizierten Kontrolle. Wir glauben, dass dies auf die Größe der HA-Partikel zurückzuführen ist, die die Öffnung der Nanoröhren fast bedecken und daher die antimikrobielle Wirkung der Nanoröhren beeinträchtigen könnten. Aufgrund der mechanischen Eigenschaften von HA lässt sich Biofilm möglicherweise nicht so leicht ablösen. Dieses Phänomen wurde auch in anderen Studien beobachtet und bestätigt36,37. Darüber hinaus bedeckte HA die TNT-Öffnung, was das antimikrobielle Potenzial des TNT verringern könnte. Interessanterweise wurde bei der Ablagerung von Selen (SepTNT-HA) das antibakterielle Potenzial erhöht. Wir empfehlen daher nicht die kombinierte Verwendung von HA- und TiO2-Nanoröhren mit unserer vorgeschlagenen Methode. McEvoy et al. fanden ähnliche Ergebnisse hinsichtlich eines erhöhten Bakterienwachstums auf HA-beschichteten Kirschner-Drähten im Vergleich zu nicht beschichteten Ti6Al4V-Drähten38.

Nach unseren Erkenntnissen hat die Verwendung von mit Selen dotierten TiO2-Nanoröhren im Vergleich zu regulären Titanoberflächen keinen Einfluss auf das Wachstum osteoblastischer Zellen. Es gibt Berichte, dass das Wachstum osteoblastischer Zellen durch die Verwendung von Nanoröhren gefördert wird39,40. Allerdings wurden die Knochenbildung und die knochenbezogene Genexpression erhöht, wenn Durchmesser von etwa 70 nm verwendet wurden. In unserer Studie haben wir 100 nm gezielt verwendet, um die Biofilmbildung zu reduzieren. Dennoch halten wir diese Ergebnisse weiterhin für vielversprechend, da das Wachstum osteoblastischer Zellen durch die hier vorgestellte Methode zur Oberflächenmodifikation nicht beeinträchtigt wird und gleichzeitig das antimikrobielle Potenzial erhöht wird. Einige Studien berichten sogar über eine erhöhte Zelladhäsion von Osteoblasten durch den Einbau von Selen auf der Titanoberfläche41 und die Verwendung von Titan-Nanoröhren hat, wie bereits erwähnt, gezeigt, dass sie ein verbessertes osseointegratives Potenzial aufweist31,32,33. Da jedoch in verschiedenen Studien unterschiedliche osteoblastische Zelllinien verwendet werden, sind diese Ergebnisse möglicherweise nicht genau miteinander vergleichbar. Auch die Bildung von TiO2-Nanoröhren reduziert nach unseren Daten die Bakterienadhäsion nicht ausreichend. Der Zusatz antimikrobieller Wirkstoffe wie Selen und/oder Silber erhöht das antimikrobielle Potenzial der TiO2-Nanoröhren-modifizierten Oberfläche drastisch.

Der Grund, warum Silberselenid in Kombination mit TiO2-Nanoröhren die beste Bakterienreduktion zeigt, ist komplex und könnte mit der synergistischen Wirkung von Silber und Selen zusammenhängen, die in einer Verbindung die Bildung reaktiver Sauerstoffspezies fördert. Eine langsame Freisetzung antibakterieller Metallionen und die durch die Nanoröhrenstruktur vorgegebene Oberflächentopographie tragen zu dem beobachteten Effekt bei. Die Bildung von H2O2 und die Freisetzung von Metallionen, die durch die Auflösung verursacht werden, erhöhen die Durchlässigkeit der Bakterienmembran und verschlechtern letztendlich die bakterielle DNA. Die Kombination von Selen und Silber in Verbindungen könnte auch den Vorteil haben, dass potenziell toxische Mengen der freigesetzten Ionen im Vergleich zur getrennten Verwendung der reinen Metalle reduziert werden.

Zusammenfassend zeigen wir in dieser Studie das antimikrobielle und osseointegrative Potenzial einer neuartigen Oberflächenmodifikation mit TiO2-Nanoröhren und der anschließenden Einbindung zusätzlicher antimikrobieller Wirkstoffe. Dies führt zu einem deutlichen Rückgang des Bakterienwachstums auf SepTNT, SepTNT-HA, AgpTNT und Ag2SepTNT und einer deutlich höheren Flächenbedeckung mit osteoblastischen MG-63-Zellen für SepTNT-HA- und pTNT-Oberflächen im Vergleich zu nicht modifizierten Kontrollen. Diese Erkenntnisse sind von entscheidender Bedeutung, da synergistische Effekte von Selen und Silber zusammen mit Titan-Nanoröhren nachgewiesen werden konnten, die das antimikrobielle Potenzial dieser Oberflächenmodifikationen erhöhen können. Darüber hinaus zeigt Hydroxylapatit, das auf Titan-Nanoröhrenoberflächen eingearbeitet ist, ein verbessertes osseointegratives Potenzial, während die antibakterielle Wirkung durch die Zugabe von Hydroxylapatit auf Nanoröhrenoberflächen verringert wird. Diese Erkenntnisse sind von grundlegender Bedeutung für weitere Untersuchungen im Hinblick auf dynamische In-vitro- und In-vivo-Experimente, um neue therapeutische Strategien zur künftigen Prävention von PJI zu finden.

Die elektrochemische Oberflächenmodifizierung basiert auf früheren Arbeiten der Arbeitsgruppe und wurde bereits ausführlich beschrieben28. Kurz gesagt wurden Titanscheiben (Ti6Al4V) mit einem Durchmesser von 10 mm und einer Dicke von 1–2 mm geschliffen, poliert, entfettet und mit Ethanol und entionisiertem Wasser gereinigt. Die Bildung von Nanoröhren auf der Oberfläche der Scheiben wurde durch Anodisierung bei einem konstanten Potential von 30 V in einer Zwei-Elektroden-Konfiguration erzeugt, wobei die Scheiben als Anode und eine Pt-Folie als Gegenelektrode dienten. Es wurden Elektrolyte auf Ethylenglykolbasis verwendet, die 10 Vol.-% doppelt destilliertes Wasser, 0,12 M NH4F und 10 mM (NH4)NaH(PO4) 4H2O enthalten. Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass Elektrolyte auf Ethylenglykolbasis das Potenzial haben, gleichmäßige Nanoröhren zu formen28. Nach der Anodisierung wurden die Scheiben durch Ultraschallbehandlung in Ethylenglykol gereinigt und anschließend an der Luft (450 °C, 2 Stunden) getempert, um die TiO2-Phase(n) in Anatas umzuwandeln und die Bildung von Nanoröhren (TNT) und phosphatdotierten Nanoröhren (pTNT) abzuschließen auf der Titanoberfläche der Scheiben.

Die elektrochemische Abscheidung von Selen (Se), Silber (Ag) und Silberselenid (Ag2Se) im so hergestellten pTNT wurde in einer Drei-Elektroden-Konfiguration durchgeführt. pTNT diente als Gegenelektrode und Ag/AgCl als Referenzelektrode. Selen wurde durch kathodische Pulse im Na2SeO3-Elektrolyten abgeschieden. Silberselenid wurde aus einer Lösung abgeschieden, die 0,5 M NaSCN, 5 mM AgNO3 und 2,5 mM Na2SeO3 enthielt. Zusätzlich wurde ein Satz Se-pTNT- und pTNT-Scheiben durch elektrochemisch unterstützte Fällung aus 2,5 mM Ca(NO3)2·4H2O und 1,5 mM (NH4)NaH(PO4)·4H2O mit und ohne 2,5 mM Na2SeO328 zusätzlich mit Hydroxylapatit (HA) beschichtet. Nach elektrochemischen Oberflächenmodifikationen wurden die so vorbereiteten Oberflächen für weitere In-vitro-Tests verwendet:

Ti6Al4V (Kontrolle), pTNT, TNT, pTNT-HA, SepTNT, SepTNT-HA, AgpTNT, Ag2SepTNT. Die Konzentrationen von Se und Ag auf der Oberfläche wurden durch Scannen eines zufällig ausgewählten Bereichs auf der Oberfläche der Scheiben mit einem gekoppelten energiedispersiven Röntgendetektor (EDX), TEAM OCTANE PLUS Version 4.3, bestimmt. und ausgedrückt als mittlerer Prozentsatz der Komponentenzusammensetzung (Gewichts-%, Gew.-%). Weitere Charakterisierungen von Oberflächeneigenschaften und -merkmalen, einschließlich der Elementzusammensetzung durch EDX-Kartierung, der chemischen Zusammensetzung durch RAMAN-Spektroskopie und des Ionenfreisetzungsprofils mithilfe der Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS), wurden durchgeführt und bereits veröffentlicht28,29.

In dieser Studie wurde ein biofilmbildender Stamm von Staphylococcus epidermidis (S. epidermidis) (DSM 3269; Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH, Leibnitz, Deutschland) verwendet. Bakterien wurden über Nacht bei 37 °C auf Columbia-Agarplatten mit 5 % Schafsblut (Biomerieux, Craponne, Frankreich) gezüchtet und bei 4 °C gelagert. Für jedes Experiment wurde eine neue Blutagarplatte mit dem Stamm beimpft und über Nacht inkubiert. Von dieser Platte wurde eine Bakteriensuspension in 0,9 %iger Kochsalzlösung mit einer optischen Dichte von McFarland 0,5 verwendet und dann 1:100 in Mueller-Hinton-Brühe (Sigma-Aldrich, St. Louis, Missuouri) verdünnt (ungefähr 1 × 106 Zellen/ ml) für Experimente zur Bakterienzellzählung und Biofilmbildung.

Scheiben aus jeder Beschichtung wurden für das Experiment zweimal in dreifacher Ausfertigung verwendet. Die Scheiben wurden in eine Platte mit 24 Vertiefungen gegeben und 1 ml der beschriebenen Bakterienzellsuspension in jede Vertiefung überführt. Die Wellplatten wurden versiegelt und 24 Stunden lang bei 37 °C in Umgebungsluft inkubiert. Nach der Inkubation wurden die Scheiben zweimal mit PBS (Sigma-Aldrich, St. Louis, Missuouri) gewaschen. Anschließend wurden die Scheiben 10 Minuten lang in PBS (Bandelin Sonorex Super RK 100) mit einer Intensität von 44 kHz beschallt. Die resultierende beschallte Flüssigkeit (10 ml) wurde in 1-ml-Aliquots auf Columbia-Agarplatten ausplattiert und erneut 24 Stunden lang bei 37 °C in Umgebungsluft inkubiert. Nach der Inkubation wurden Fotos von den Platten gemacht und koloniebildende Einheiten (KBE) pro Milliliter (KBE/ml) mit der ImageJ-Software (Version 2.1.0) gezählt. Ein zusätzliches Dreifachstück der Scheiben wurde mit Bakteriensuspension in Platten mit 24 Vertiefungen bei 37 °C in Umgebungsluft 24 Stunden lang inkubiert. Nach der Inkubation wurden die Scheiben sorgfältig in PBS gewaschen und mit Methanol fixiert. Anschließend wurden die Oberflächen der Scheiben erneut mittels REM analysiert, um die Bakterienanhaftung sichtbar zu machen (Abb. 1).

Die Scheiben wurden wie oben beschrieben mit Bakteriensuspension inkubiert. Nach 24-stündiger Inkubation bei 37 °C wurden die Scheiben zweimal sorgfältig in destilliertem Wasser gewaschen. Eine Lösung von 3 μl SYTO 9 wurde zu 1 ml filtersterilisiertem Wasser gegeben. Die Scheiben wurden vorsichtig in PBS (3 ml, dreimal) gewaschen und 750 μl Färbelösung auf die Scheibe gegeben. Die Färbeschale wurde abgedeckt und die Proben wurden 20–30 Minuten lang lichtgeschützt bei Raumtemperatur inkubiert. Nach der Inkubation wurden die Proben erneut mit filtersterilisiertem Wasser gespült und unter einem Fluoreszenzmikroskop (Zeiss Axioplan 2 Fluoreszenz-Phasenkontrastmikroskop, Carl Zeiss, Jena, Deutschland) mit 10-facher Vergrößerung beobachtet.

Zusätzliche Scheiben (in dreifacher Ausfertigung) wurden erneut mit Bakteriensuspension inkubiert, dann mit Methanol fixiert und 15 Minuten lang mit 1 % Kristallviolett (Sigma-Aldrich, St. Louis, Missouri) gefärbt, erneut mit destilliertem Wasser gewaschen und an der Luft getrocknet. Anschließend wurden die Scheiben unter standardisierten Bedingungen (Hintergrund, Beleuchtung, Abstand zur Linse) fotografiert und die abgedeckte Fläche mit der Software ImageJ (Version 2.1.0) berechnet. Die Färbung wurde für jede Beschichtung zweimal in dreifacher Ausführung durchgeführt.

Um einen Einfluss auf das Wachstum osteoblastischer Zellen festzustellen, wurden MG-63-Zellen aus einer osteoblastischen Zelllinie, die von der American Type Culture Collection (ATCC, USA, VA, CRL-1427) erworben wurde, in 25-cm2-Gewebekulturflaschen (Falcon; Thermo Fisher Scientific, Slangerup) kultiviert , Dänemark) in Alpha-MEM (PAN-Biotech, Aidenbach, Deutschland) mit 10 % FCS in befeuchteter Atmosphäre mit 5 % CO2 und inkubiert bei 37 °C. Bei etwa 70 % Konfluenz wurden die Zellen mit Trypsin/EDTA (Gibco™, Thermo Fisher Scientific, Slangerup, Dänemark) abgelöst und in Alpha-MEM + FCS verdünnt, um eine Endkonzentration von 1,5 × 105 Zellen/ml zu erhalten. 1 ml der Lösung wurde auf jede Titanscheibe geimpft und 24 Stunden lang in einer feuchten Atmosphäre bei 37 °C und 5 % CO2 inkubiert. Nach der Inkubation wurden die Scheiben in destilliertem Wasser gewaschen und 10 Minuten lang mit Methanol fixiert. Die Scheiben wurden in destilliertem Wasser gewaschen, 15 Minuten lang mit Kristallviolett gefärbt, erneut mit destilliertem Wasser gewaschen und an der Luft getrocknet. Anschließend wurden die Scheiben unter standardisierten Bedingungen (Hintergrund, Beleuchtung, Abstand zur Linse) fotografiert und die abgedeckte Fläche mit der Software ImageJ (Version 2.1.0) berechnet. Die Färbung wurde für jede Beschichtung zweimal in dreifacher Ausführung durchgeführt.

Die Ergebnisse werden als Mittelwert und Standardabweichung (SD) dargestellt. Numerische Variablen (KBE/ml, abgedeckte Fläche in %) wurden mithilfe einer einseitigen Varianzanalyse (ANOVA) analysiert und mithilfe eines Tukey-HSD-Post-hoc-Tests verglichen. Die Ergebnisse wurden mit einem P-Wert < 0,05 als statistisch signifikant angesehen. Die statistische Analyse wurde mit SPSS 26.0.0.1 (SPSS Inc. IBM, Chicago, USA) durchgeführt.

Alle Autoren erklären, dass keine konkurrierenden Interessen im Zusammenhang mit dieser Studie bestehen. RW erhält Lizenzgebühren von DePuy Synthes (Warschau, IN, USA) und Stryker (Kalamazoo, MI, USA) außerhalb der eingereichten Arbeit.

Jeder Autor bescheinigt, dass seine Institution das Studienprotokoll für diese Untersuchung genehmigt hat und dass alle Untersuchungen im Einklang mit ethischen Forschungsgrundsätzen durchgeführt wurden.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel und in den ergänzenden Informationsdateien enthalten.

Kurtz, S., Ong, K., Lau, E., Mowat, F. & Halpern, M. Prognosen zur primären und revisionierten Hüft- und Knieendoprothetik in den Vereinigten Staaten von 2005 bis 2030. J. Bone Joint Surg. Bin. 89, 780–785 (2007).

Artikel PubMed Google Scholar

Kurtz, SM et al. Gewinnen oder verlieren wir den Kampf gegen periprothetische Gelenkinfektionen: Trends bei periprothetischen Gelenkinfektionen und Sterblichkeitsrisiko für die Medicare-Bevölkerung. J. Arthroplasty 33, 3238–3245 (2018).

Artikel PubMed Google Scholar

Kurtz, S., Lau, E., Watson, H., Schmier, J. & Parvizi, J. Wirtschaftliche Belastung durch periprothetische Gelenkinfektionen in den Vereinigten Staaten. J. Arthroplasty 27, 61–5.e1 (2012).

Artikel PubMed Google Scholar

Karczewski, D. et al. Ein standardisierter interdisziplinärer Algorithmus zur Behandlung von Prothesengelenkinfektionen. Bone Joint J. 101-B, 132–139 (2019).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Middleton, R., Khan, T. & Alvand, A. Update zur Diagnose und Behandlung von Gelenkprotheseninfektionen bei Hüft- und Knieendoprothetik. Knochen Jt. 360(8), 5–13 (2019).

Google Scholar

Zmistowski, B., Karam, JA, Durinka, JB, Casper, DS & Parvizi, J. Eine periprothetische Gelenkinfektion erhöht das Risiko einer einjährigen Mortalität. J. Bone Jt. Chirurg.-Am. 95, 2177–2184 (2013).

Artikel Google Scholar

Corona, PS et al. Antibiotika-Empfindlichkeit bei grampositiven chronischen Gelenkendoprothetik-Infektionen: Erhöhte Aminoglykosid-Resistenzrate bei Patienten mit vorheriger Verwendung von mit Aminoglykosiden imprägnierten Zementspacern. J. Arthroplasty 29, 1617–1621 (2014).

Artikel PubMed Google Scholar

Brammer, KS, Frandsen, CJ & Jin, S. TiO2-Nanoröhren für die Knochenregeneration. Trends Biotechnologie. 30, 315–322 (2012).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Tang, P. et al. Einfluss der superhydrophoben Oberfläche von Titan auf die Adhäsion von Staphylococcus aureus. J. Nanomater. 2011, 178921 (2011).

Artikel CAS Google Scholar

Chouirfa, H., Bouloussa, H., Migonney, V. & Falentin-Daudré, C. Übersicht über Techniken und Beschichtungen zur Titanoberflächenmodifikation für antibakterielle Anwendungen. Acta Biomater. 83, 37–54 (2019).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Ercan, B., Taylor, E., Alpaslan, E. & Webster, TJ Der Durchmesser von Titan-Nanoröhren beeinflusst die antibakterielle Wirksamkeit. Nanotechnologie 22, 295102 (2011).

Artikel PubMed CAS Google Scholar

Chen, Y. et al. Amphiphile Silbernanocluster zeigen eine aktive Nano-Bio-Wechselwirkung mit überzeugender antibakterieller Aktivität gegen multiresistente Bakterien. NPG Asia Mater. 12, 56 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Zhang, Y. et al. Verbesserte silberhaltige antibakterielle Titanimplantatbeschichtung mit neuartigem hierarchischem Effekt. J. Biomater. Appl. 32, 1289–1299 (2018).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Albers, CE, Hofstetter, W., Siebenrock, KA, Landmann, R. & Klenke, FM In-vitro-Zytotoxizität von Silbernanopartikeln auf Osteoblasten und Osteoklasten bei antibakteriellen Konzentrationen. Nanotoxicology 7, 30–36 (2013).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Godoy-Gallardo, M. et al. Die Silberabscheidung auf der Titanoberfläche durch einen elektrochemischen Anodisierungsprozess verringert die bakterielle Adhäsion von Streptococcus sanguinis und Lactobacillus salivarius. Klin. Orale Implantate Res. 26, 1170–1179 (2015).

Artikel PubMed Google Scholar

Geng, Z. et al. Einbindung von Silber und Strontium in die Hydroxylapatit-Beschichtung der Titanoberfläche für verbesserte antibakterielle und biologische Eigenschaften. Mater. Wissenschaft. Ing. C. Mater. Biol. Appl. 71, 852–861 (2017).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Jin, G. et al. Osteogene Aktivität und antibakterielle Wirkung von mit Zinkionen implantiertem Titan. Kolloide surfen. B. Biointerfaces 117, 158–165 (2014).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Medina, CD, Mi, G. & Webster, TJ Synthese und Charakterisierung biogener Selen-Nanopartikel mit antimikrobiellen Eigenschaften, hergestellt aus Staphylococcus aureus, Methicillin-resistentem Staphylococcus aureus (MRSA), Escherichia coli und Pseudomonas aeruginosa. J. Biomed. Mater. Res. A 106, 1400–1412 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Tran, PA et al. Selen-Nanopartikel als antiinfektive Implantatbeschichtungen für die Trauma-Orthopädie gegen Methicillin-resistenten Staphylococcus aureus und Epidermidis: In-vitro- und In-vivo-Bewertung. Int. J. Nanomedicine 14, 4613–4624 (2019).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Holinka, J., Pilz, M., Kubista, B., Presterl, E. & Windhager, R. Auswirkungen der Selenbeschichtung orthopädischer Implantatoberflächen auf die Bakterienadhäsion und das Wachstum osteoblastischer Zellen. Bone Joint J. 95-B, 678–82 (2013).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Liu, W. et al. In Titandioxid-Nanoröhren eingearbeitete Selen-Nanopartikel hemmen das Bakterienwachstum und die Makrophagen-Proliferation. Nanoscale 8, 15783–15794 (2016).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Nie, L., Hou, M., Wang, T., Sun, M. & Hou, R. Nanostrukturiertes, mit Selen dotiertes zweiphasiges Calciumphosphat mit In-situ-Einbau von Silber für antibakterielle Anwendungen. Wissenschaft. Rep. 10, 13738 (2020).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Huang, Y. et al. Der Aufbau einer hierarchischen Struktur auf einem Ti-Substrat mit überlegener osteogener Aktivität und intrinsischer antibakterieller Fähigkeit. Wissenschaft. Rep. 4, 6172 (2015).

Artikel CAS Google Scholar

Bilek, O., Fohlerova, Z. & Hubalek, J. Verbesserte antibakterielle und krebshemmende Eigenschaften von mit Se-NPs dekorierten TiO2-Nanoröhrenfilms. PLoS ONE 14, e0214066 (2019).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Actis, L., Srinivasan, A., Lopez-Ribot, JL, Ramasubramanian, AK & Ong, JL Wirkung der Silbernanopartikelgeometrie auf Methicillin-empfindliche und -resistente Staphylococcus aureus und die Lebensfähigkeit von Osteoblasten. J. Mater. Wissenschaft. Mater. Med. 26, 215 (2015).

Artikel PubMed CAS Google Scholar

Diez-Escudero, A. & Hailer, NP Die Rolle der Silberbeschichtung für Endoprothetikkomponenten. Knochengelenk J. 103-B, 423–429 (2021).

Artikel PubMed Google Scholar

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Sun, J. et al. Oberflächenmodifikation der Ti6Al4V-Legierung für Implantate durch Anodisierung und Elektroabscheidung. ZIELE Mater. Wissenschaft. 6, 713–729 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Sun, J. et al. Elektrochemische Untersuchung zum Verständnis der bakteriziden Wirkung von Cu2Se und Ag2Se für biomedizinische Anwendungen. J. Appl. Elektrochem. 52, 1–15 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Sakr, Y. et al. Adjuvante Selensupplementierung in Form von Natriumselenit bei postoperativen kritisch kranken Patienten mit schwerer Sepsis. Krit. Pflege 18, R68 (2014).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Popat, KC, Eltgroth, M., Latempa, TJ, Grimes, CA & Desai, TA Verminderte Adhäsion von Staphylococcus epidermis und erhöhte Osteoblastenfunktionalität auf mit Antibiotika beladenen Titandioxid-Nanoröhren. Biomaterialien 28, 4880–4888 (2007).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Brammer, KS et al. Verbesserte knochenbildende Funktionalität auf der Oberfläche von TiO(2)-Nanoröhren mit kontrolliertem Durchmesser. Acta Biomater. 5, 3215–3223 (2009).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Su, EP et al. Auswirkungen von Titan-Nanoröhren auf die Osseointegration, Zelldifferenzierung, Mineralisierung und antibakterielle Eigenschaften orthopädischer Implantatoberflächen. Bone Joint J. 100-B, 9–16 (2018).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Peng, Z. et al. Doppelte Wirkung und Mechanismus von TiO2-Nanoröhren-Arrays bei der Reduzierung der Bakterienbesiedlung und der Verbesserung der C3H10T1/2-Zelladhäsion. Int. J. Nanomed. 8, 3093 (2013).

Google Scholar

Getzlaf, M. et al. Multidisziplinäre antimikrobielle Strategien zur Verbesserung orthopädischer Implantate zur Vorbeugung von prothetischen Gelenkinfektionen in Hüfte und Knie. J. Orthop. Res. 34, 1158 (2016).

Artikel Google Scholar

Guerreiro-Tanomaru, JM et al. Vergleichende Analyse der Biofilmbildung von Enterococcus faecalis auf verschiedenen Substraten. J. Endod. 39, 346–350 (2013).

Artikel PubMed Google Scholar

Jaffar, N., Miyazaki, T. & Maeda, T. Biofilmbildung parodontaler Krankheitserreger auf Hydroxylapatitoberflächen: Auswirkungen auf Parodontiumschäden. J. Biomed. Mater. Res. A 104, 2873–2880 (2016).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

McEvoy, J., Martin, P., Khaleel, A. & Dissanayeke, S. Titan-Kirschner-Drähte widerstehen Biofilmen besser als Edelstahl- und Hydroxylapatit-beschichtete Drähte: Eine In-vitro-Studie. Strateg. Trauma-Gliedmaßen-Rekonstruktion. 14, 10058 (2019).

Google Scholar

Li, Y. et al. Verbesserte Osseointegration und antibakterielle Wirkung von mit Zink beladenen, mit Titandioxid-Nanoröhren beschichteten Titansubstraten: In-vitro- und In-vivo-Studien. J. Biomed. Mater. Res. Teil A 102, 3939–3950 (2014).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Wang, N. et al. Auswirkungen von TiO2-Nanoröhren mit unterschiedlichen Durchmessern auf die Genexpression und Osseointegration von Implantaten bei Minischweinen. Biomaterialien 32, 6900–6911 (2011).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Tran, PA, Sarin, L., Hurt, RH & Webster, TJ Titanoberflächen mit anhaftenden Selen-Nanoclustern als neuartiges orthopädisches Antikrebsmaterial. J. Biomed. Mater. Res. A 93, 1417–1428 (2010).

PubMed Google Scholar

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Abteilung für Orthopädie und Unfallchirurgie, Medizinische Universität Wien, Wäringer Gürtel 18-20, 1090, Wien, Österreich

Kevin Staats, Magdalena Pilz, Reinhard Windhager & Johannes Holinka

Kompetenzzentrum für Elektrochemische Oberflächentechnik (CEST GmbH), Wiener Neustadt, Österreich

Jie Sun & Tzvetanka Boiadjieva-Scherzer

Institut für Chemische Technologie und Analytik, Technische Universität Wien, Wien, Österreich

Hermann Kronberger

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Selma Tobudic

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Staats, K., Pilz, M., Sun, J. et al. Antimikrobielles Potenzial und osteoblastisches Zellwachstum auf elektrochemisch modifizierten Titanoberflächen mit Nanoröhren und Selen- oder Silbereinbau. Sci Rep 12, 8298 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-11804-6

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Eingegangen: 24. Januar 2022

Angenommen: 05. April 2022

Veröffentlicht: 18. Mai 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-11804-6

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Antimikrobielles Potenzial und osteoblastisches Zellwachstum auf elektrochemisch modifizierten Titanoberflächen mit Nanoröhren und Selen- oder Silbereinbau