Антистафилококковая активность титановых 3D-имплантатов с магнийсодержащим многокомпонентным покрытием

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.

1. Nelson SB, Pinkney JA, Chen AF, Tande AJ. Periprosthetic Joint Infection: Current Clinical Challenges. Clin Infect Dis. 2023;77(7):e34-e45. doi: 10.1093/cid/ciad360.

2. Tabaja H, Abu Saleh OM, Osmon DR. Periprosthetic Joint Infection: What's New? Infect Dis Clin North Am. 2024;38(4):731-756. doi: 10.1016/j.idc.2024.07.007.

3. Rudelli BA, Giglio PN, de Carvalho VC, et al. Bacteria drug resistance profile affects knee and hip periprosthetic joint infection outcome with debridement, antibiotics and implant retention. BMC Musculoskelet Disord. 2020;21(1):574. doi: 10.1186/s12891-020-03570-1.

4. Kurtz S, Ong K, Lau E, et al. Projections of primary and revision hip and knee arthroplasty in the United States from 2005 to 2030. J Bone Joint Surg Am. 2007;89(4):780-785. doi: 10.2106/JBJS.F.00222.

5. Miller R, Higuera CA, Wu J, et al. Periprosthetic Joint Infection: A Review of Antibiotic Treatment. JBJS Rev. 2020;8(7):e1900224. doi: 10.2106/JBJS.RVW.19.00224.

6. Masters EA, Ricciardi BF, Bentley KLM, et al. Skeletal infections: microbial pathogenesis, immunity and clinical management. Nat Rev Microbiol. 2022;20(7):385-400. doi: 10.1038/s41579-022-00686-0.

7. Ghimire A, Song J. Anti-Periprosthetic Infection Strategies: From Implant Surface Topographical Engineering to Smart DrugReleasing Coatings. ACS Appl Mater Interfaces. 2021;13(18):20921-20937. doi: 10.1021/acsami.1c01389.

8. Jeong M, Radomski K, Lopez D, et al. Materials and applications of 3D printing technology in dentistry: an overview. Dent J (Basel). 2023;12(1):1. doi: 10.3390/dj12010001.

9. Celi S, Gasparotti E, Capellini K, et al. 3D Printing in Modern Cardiology. Curr Pharm Des. 2021;27(16):1918-1930. doi: 10.2174/1381612826666200622132440.

10. Sun X, Zhong R, Wu C, et al. 3D printed titanium scaffolds with bi-directional gradient QK-functionalized surface. Adv Mater. 2025;37(8):e2406421. doi: 10.1002/adma.202406421.

11. Phuoc HD, Hoang PN, Yang S, et al. Osseointegrability of 3D-printed porous titanium alloy implant on tibial shaft bone defect in rabbit model. PLoS One. 2023;18(9):e0282457. doi: 10.1371/journal.pone.0282457.

12. Resnik M, Benčina M, Levičnik E, et al. Strategies for improving antimicrobial properties of stainless steel. Materials. 2020;13:2944. doi: 10.3390/ma13132944.

13. Lee UL, Yun S, Lee H, et al. Osseointegration of 3D-printed titanium implants with surface and structure modifications. Dent Mater. 2022;38(10):1648-1660. doi: 10.1016/j.dental.2022.08.003.

14. Jiang P, Zhang Y, Hu R, et al. Advanced surface engineering of titanium materials for biomedical applications: from static modification to dynamic responsive regulation. Bioact Mater. 2023;27:15-57. doi: 10.1016/j.bioactmat.2023.03.006.

15. Teulé-Trull M, Altuna P, Arregui M, et al. Antibacterial coatings for dental implants: a systematic review. Dent Mater. 2025;41(3):229247. doi: 10.1016/j.dental.2024.12.001.

16. Feng P, He R, Gu Y, et al. Construction of antibacterial bone implants and their application in bone regeneration. Mater Horiz. 2024;11(3):590-625. doi: 10.1039/d3mh01298k.

17. Chen ZY, Gao S, Zhang YW, et al. Antibacterial biomaterials in bone tissue engineering. J Mater Chem B. 2021;9(11):2594-2612. doi: 10.1039/d0tb02983a.

18. Pan Z, Dai C, Li W. Material-based treatment strategies against intraosseous implant biofilm infection. Biochem Biophys Rep. 2024;39:101764. doi: 10.1016/j.bbrep.2024.101764.

19. Божкова С.А., Гордина Е.М., Марков М.А. и др. Влияние комбинации ванкомицина с препаратом серебра на длительность антимикробной активности костного цемента и формирование биопленки штаммом MRSA. Травматология и ортопедия России. 2021;27(2):54-64. doi: 10.21823/2311-2905-2021-27-2-54-64.

20. Kranjec C, Morales Angeles D, Torrissen Mårli M, et al. Staphylococcal Biofilms: Challenges and Novel Therapeutic Perspectives. Antibiotics (Basel). 2021;10(2):131. doi: 10.3390/antibiotics10020131.

21. François P, Schrenzel J, Götz F. Biology and Regulation of Staphylococcal Biofilm. Int J Mol Sci. 2023;24(6):5218. doi: 10.3390/ijms24065218.

22. Касимова А.Р., Туфанова О.С., Гордина Е.М. и др. Двенадцатилетняя динамика спектра ведущих возбудителей ортопедической инфекции: ретроспективное исследование. Травматология и ортопедия России. 2024;30(1):66-75. doi: 10.17816/23112905-16720.

23. Li M, Yu J, Guo G, Shen H. Interactions between Macrophages and Biofilm during Staphylococcus aureus-Associated Implant Infection: Difficulties and Solutions. J Innate Immun. 2023;15(1):499-515. doi: 10.1159/000530385.

24. Zhang Y, Xu J, Qin L, Jiang Q. Magnesium and osteoarthritis: from a new perspective. Ann Jt. 2016;1:29. doi: 10.21037/aoj.2016.11.04

25. Zhang JL, Tang L, Qi HN, et al. Dual function of magnesium in bone biomineralization. Adv Healthc Mater. 2019;8(21):e1901030. doi: 10.1002/adhm.201901030.

26. S A, Kavitha HP. Magnesium Oxide Nanoparticles: Effective Antilarvicidal and Antibacterial Agents. ACS Omega. 2023;8(6):52255233. doi: 10.1021/acsomega.2c01450.

27. Rodríguez-Hernández AP, Vega-Jiménez AL, Vázquez-Olmos AR, et al. Antibacterial properties in vitro of magnesium oxide nanoparticles for dental applications. Nanomaterials (Basel). 2023;13(3):502. doi: 10.3390/nano13030502.

28. Coelho CC, Padrão T, Costa L, et al. The antibacterial and angiogenic effect of magnesium oxide in a hydroxyapatite bone substitute. Sci Rep. 2020;10(1):19098. doi: 10.1038/s41598-020-76063-9.

29. Zhao Q, Yi L, Jiang L, et al. Osteogenic activity and antibacterial ability on titanium surfaces modified with magnesium-doped titanium dioxide coating. Nanomedicine (Lond). 2019;14(9):1109-1133. doi: 10.2217/nnm-2018-0413.

30. Xiang S, Zhang C, Guan Z, et al. Preparation of a novel antibacterial magnesium carbonate coating on a titanium surface and its in vitro biocompatibility. RSC advances. 2024;14(15):10516-10525. doi: 10.1039/d4ra00399c.

31. Rather MA, Gupta K, Mandal M. Microbial biofilm: formation, architecture, antibiotic resistance, and control strategies. Braz J Microbiol. 2021;52(4):1701-1718. doi: 10.1007/s42770-021-00624-x.

32. Kamyab H, Chelliapan S, Hayder G, et al. Exploring the potential of metal and metal oxide nanomaterials for sustainable water and wastewater treatment: A review of their antimicrobial properties. Chemosphere. 2023;335:139103. doi: 10.1016/j.chemosphere.2023.139103..