Екатерина Михайловна Гордина — кандидат медицинских наук, старший научный сотрудник
Санкт-Петербург
Ekaterina M. Gordina — Candidate of Medical Sciences, Senior Researcher
Saint Petersburg
Светлана Анатольевна Божкова — доктор медицинских наук, профессор, заведующая отделением
Санкт-Петербург
Svetlana A. Bozhkova — Doctor of Medical Sciences, Professor, Head of the Scientific Department
Saint Petersburg
Дмитрий Владимирович Лабутин — младший научный сотрудник
Санкт-Петербург
Dmitry V. Labutin — Junior Researcher
Saint Petersburg
Марина Владимировна Богма — кандидат фармацевтических наук, специалист в области низкотемпературной плазмы
Санкт-Петербург
Marina V. Bogma — Candidate of Pharmaceutical Sciences, specialist in low-temperature plasma
Saint Petersburg
Александр Анатольевич Ерузин — кандидат технических наук, инженер участка вакуумной металлизации, специалист в области низкотемпературной плазмы
Санкт-Петербург
Alexander A. Eruzin — Candidate of Technical Sciences, engineer, vacuum metallization section, specialist in low-temperature plasma
Saint Petersburg
Введение. Благодаря своим превосходным характеристикам титан на протяжении десятилетий успешно используют в качестве искусственных имплантатов в ортопедической хирургии. Однако любое хирургическое вмешательство, связанное с установкой имплантата, имеет риск развития имплантатассоциированной инфекции (ИАИ), возбудителями которой более чем в половине случаев являются стафилококки.
Цель исследования — оценка антибактериальной, антибиопленочной активности и цитосовместимости многокомпонентного покрытия с оксидами магния и серебра на поверхности 3D-образцов титана.
Материалы и методы. Комплекс MgO-AgO-MgO наносили на 3D-образцы медицинского титана. Элементный анализ проведен с помощью сканирующего электронного микроскопа ТМ 4000 Plus. Для выявления антибактериальной активности в отношении S. aureus образцы сутки инкубировали совместно с бактериями. Биопленки S. aureus формировали путем погружения тестируемых образцов в питательную среду с бактериями. После суточной инкубации образцы промывали, помещали в УЗ-мойку, а затем выполняли посев соникационной жидкости методом секторных посевов. Цитосовместимость покрытия оценивали на культуре эукариотических клеток линии Vero.
Результаты. Элементный анализ и картирование подтвердили равномерное распределение оксидов на поверхности 3D-образцов титана. Разработанное покрытие характеризовалось антибактериальной активностью против S. aureus в течение трех суток. Установлено, что комплекс MgO-AgO-MgO обеспечивал эффективное препятствие адгезии S. aureus и формированию микробной пленки, в то время как на контрольных образцах регистрировали образование биопленки стафилококками. Однако анализ цитосовместимости полученных 3D-образцов показал отсутствие жизнеспособных клеток после 72 ч инкубации в среде с экстрактом из образцов титана с покрытием.
Обсуждение. Разработанный комплекс MgO-AgO-MgO несмотря на снижение антибактериальных свойств на четвертые сутки значимо предупреждал микробную адгезию на поверхность образов, что обеспечивало защиту имплантата от образования микробной биопленки. Выявленная цитотоксичность комплекса, по-видимому, обусловлена значительной активацией реакций перекисного окисления липидов, которая и вызвала подавление жизнеспособности эукариотических клеток.
Заключение. Покрытие MgO-AgO-MgO предупреждает возможность первичного взаимодействия возбудителя и абиотической поверхности, что является одним из основных факторов в профилактике развития ИАИ и её рецидивов после ревизионных операций с заменой имплантата. Однако высокий уровень цитотоксичности требует дальнейшей модификации техники нанесения покрытия и его состава.
Introduction Titanium has been successfully employed as artificial implants in orthopedic surgery for decades. Surgical intervention, specifically the implantation of medical devices, carries a risk of implant-associated infection (IAI), the causative agents of which are staphylococci in more than half of the cases.
The objective was to evaluate the antibacterial, antibiofilm activity and cytocompatibility of a multicomponent coating with magnesium and silver oxides on the surface of 3D titanium samples.
Material and methods The MgO-AgO-MgO complex The MgO-AgO-MgO complex was applied to 3D samples of medical titanium. Elemental analysis was performed using a TM 4000 Plus scanning electron microscope. The samples were incubated with bacteria for 24 hours to identify antibacterial activity against S. aureus. S. aureus biofilms were formed by immersing the test samples in a nutrient medium with bacteria. After a 24-hour incubation, the samples were washed, placed in an ultrasonic washer, and then sonication fluid was seeded using the sector seeding method. The cytocompatibility of the coating was assessed on a culture of eukaryotic cells of the Vero line.
Results Elemental analysis and mapping confirmed the uniform distribution of oxides on the surface of 3D titanium samples. The coating was characterized by antibacterial activity against S. aureus for three days. The MgO-AgO-MgO complex effectively prevented S. aureus adhesion and microbial film formation, while the control samples showed biofilm formation by staphylococci. However, cytocompatibility analysis of the 3D samples showed no viable cells after 72 h of incubation in a medium with an extract from coated titanium samples.
Discussion Despite a decrease in antibacterial properties on day 4, the MgO-AgO-MgO complex prevented microbial adhesion to the surface of the samples which ensured protection of the implant from the formation of microbial biofilm. The cytotoxicity of the complex was caused by significant activation of lipid peroxidation reactions, which resulted in suppression of the viability of eukaryotic cells.
Conclusion The MgO-AgO-MgO coating prevents primary interaction between the pathogen and the abiotic surface, which is one of the main factors in preventing the development of IAI and the relapses after revision surgeries with implant replacement. However, the high level of cytotoxicity requires further modification of the coating application technique and its composition.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.