Последние достижения в создании антибактериальных покрытий на титановых материалах на основе метода ПЭО

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

В настоящий момент одной из существенных проблем, связанных с имплантационными материалами, в том числе с ортопедическими металлическими имплантатами, являются имплантат-ассоциированные инфекции. Данное заболевание может приводить не только к необходимости системного лечения, но также к повторным операциям и в самых негативных случаях – к летальному исходу. Одна из эффективных стратегий борьбы с такими инфекциями – создание антибактериальных поверхностных слоев. В последние годы внимание исследователей по всему миру направлено на создание таких структур. В данном обзоре представлены результаты последних достижений в области плазменного электролитического синтеза поверхностных слоев, обладающих выраженным антибактериальным действием. Описаны основные существующие подходы к решению подобных задач, их преимущества и недостатки, а также обозначены будущие направления в данной области.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

К. В. Надараиа

Институт химии ДВО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: nadaraiakv@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7835-2231

кандидат химических наук, старший научный сотрудник

Россия, Владивосток

И. М. Имшинецкий

Институт химии ДВО РАН

Email: igorimshin@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-5055-1834

кандидат химических наук, старший научный сотрудник

Россия, Владивосток

Д. В. Машталяр

Институт химии ДВО РАН

Email: madiva@inbox.ru
ORCID iD: 0000-0001-9645-4936

доктор химических наук, заведующий лабораторией

Россия, Владивосток

Е. А. Белов

Институт химии ДВО РАН

Email: belov_eal@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-4854-1220

младший научный сотрудник

Россия, Владивосток

М. А. Пяткова

Институт химии ДВО РАН; Дальневосточный федеральный университет

Email: piatkova.mariia.al@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-1208-0947

младший научный сотрудник

Россия, Владивосток; Владивосток

А. И. Плешкова

Институт химии ДВО РАН; Дальневосточный федеральный университет

Email: othariadna@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-4601-3232

младший научный сотрудник

Россия, Владивосток; Владивосток

М. С. Герасименко

Институт химии ДВО РАН; Дальневосточный федеральный университет

Email: gerasimenko.ms00@mail.ru
ORCID iD: 0009-0002-7887-6953

инженер

Россия, Владивосток; Владивосток

С. Л. Синебрюхов

Институт химии ДВО РАН

Email: sls@ich.dvo.ru
ORCID iD: 0000-0002-0963-0557

член-корреспондент РАН, доктор химических наук, доцент

Россия, Владивосток

С. В. Гнеденков

Институт химии ДВО РАН

Email: svg21@hotmail.com
ORCID iD: 0000-0003-1576-8680

член-корреспондент РАН, доктор химических наук, профессор

Россия, Владивосток

В. И. Сергиенко

Институт химии ДВО РАН

Email: sergienko@hq.febras.ru
ORCID iD: 0000-0002-0547-5545

академик РАН, доктор химических наук

Россия, Владивосток

Список литературы

  1. Marang-van de Mheen P.J. et al. Variation in Prosthetic Joint Infection and treatment strategies during 4.5 years of follow-up after primary joint arthroplasty using administrative data of 41397 patients across Australian, European and United States hospitals // BMC Musculoskelet. Disord. 2017. Vol. 18, N 1. P. 207.
  2. Darouiche R.O. Treatment of Infections Associated with Surgical Implants // N. Engl. J. Med. 2004. Vol. 350, N 14. P. 1422–1429.
  3. Kurtz S.M. et al. Economic Burden of Periprosthetic Joint Infection in the United States // J. Arthroplasty. 2012. Vol. 27, N 8. P. 61–65.e1.
  4. Beam E., Osmon D. Prosthetic Joint Infection Update // Infect. Dis. Clin. North Am. 2018. Vol. 32, N 4. P. 843–859.
  5. Miller R. et al. Periprosthetic Joint Infection // JBJS Rev. 2020. Vol. 8, N 7. P. e19.00224–e19.00224.
  6. Doymus B. et al. A functional coating to enhance antibacterial and bioactivity properties of titanium implants and its performance in vitro // J. Biomater. Appl. 2021. Vol. 35, N 6. P. 655–669.
  7. Cui M. et al. Exploration and Preparation of Patient-specific Ciprofloxacin Implants Drug Delivery System Via 3D Printing Technologies // J. Pharm. Sci. 2021. Vol. 110, N 11. P. 3678–3689.
  8. Imshinetskiy I. et al. Bioactive PEO Coatings Containing Ta2O5 Formed on Mg-Mn-Ce Alloy // 2023 IEEE Ural-Siberian Conference on Biomedical Engineering, Radioelectronics and Information Technology (USBEREIT). IEEE, 2023. P. 005–008.
  9. Zhou J., Wang X. The osteogenic, anti-oncogenic and antibacterial activities of selenium-doped titanium dioxide coatings on titanium // Surf. Coatings Technol. 2020. Vol. 403. 126408.
  10. Mashtalyar D.V. et al. Antibacterial Ca/P-coatings formed on Mg alloy using plasma electrolytic oxidation and antibiotic impregnation // Mater. Lett. 2022. Vol. 317. 132099.
  11. Du M. et al. Preparation of vancomycin-loaded alginate hydrogel coating on magnesium alloy with enhanced anticorrosion and antibacterial properties // Thin Solid Films. 2020. Vol. 693. P. 137679.
  12. Sopchenski L. et al. Bioactive and antibacterial boron doped TiO2 coating obtained by PEO // Appl. Surf. Sci. 2018. Vol. 458. P. 49–58.
  13. Nielsen F.H. Update on human health effects of boron // J. Trace Elem. Med. Biol. 2014. Vol. 28, N 4. P. 383–387.
  14. Bolan S. et al. Boron contamination and its risk management in terrestrial and aquatic environmental settings // Sci. Total Environ. 2023. Vol. 894. P. 164744.
  15. Zhang B. et al. Y-doped TiO2 coating with superior bioactivity and antibacterial property prepared via plasma electrolytic oxidation // Mater. Des. 2020. Vol. 192. P. 108758.
  16. Pavarini M. et al. Influence of frequency and duty cycle on the properties of antibacterial borate-based PEO coatings on titanium for bone-contact applications // Appl. Surf. Sci. 2021. Vol. 567. P. 150811.
  17. Wang X., Wang W.X. Cu-based nanoparticle toxicity to zebrafish cells regulated by cellular discharges // Environ. Pollut. 2022. Vol. 292. P. 118296.
  18. Zhang X. et al. Microstructure, corrosion resistance, osteogenic activity and antibacterial capability of Mn-incorporated TiO2 coating // Appl. Surf. Sci. 2020. Vol. 531. P. 147399.
  19. Pourshadloo M. et al. Synthesis of TiO2/rGO composite coatings on titanium alloys with enhanced anticorrosion performance in palmitic acid-incorporated physiological solutions // Ceram. Int. 2023. Vol. 49, N 21. P. 33598–33606.
  20. Guo Z. et al. One-step plasma electrolytic oxidation with Graphene oxide for Ultra-low porosity Corrosion-resistant TiO2 coatings // Appl. Surf. Sci. 2022. Vol. 594. P. 153477.
  21. Manojkumar P. et al. Facile preparation of immobilised visible light active W–TiO2/rGO composite photocatalyst by plasma electrolytic oxidation process // Phys. B Condens. Matter. 2022. Vol. 631. P. 413680.
  22. Hummers W.S., Offeman R.E. Preparation of Graphitic Oxide // J. Am. Chem. Soc. 1958. Vol. 80, N 6. P. 1339–1339.
  23. Mazinani A. et al. Graphene oxide (GO) decorated on multi-structured porous titania fabricated by plasma electrolytic oxidation (PEO) for enhanced antibacterial performance // Mater. Des. 2021. Vol. 200. P. 109443.
  24. San H. et al. Fighting Antibiotic-Resistant Bacterial Infections by Surface Biofunctionalization of 3D-Printed Porous Titanium Implants with Reduced Graphene Oxide and Silver Nanoparticles // Int. J. Mol. Sci. 2022. Vol. 23, N 16. P. 9204.
  25. Sun N. et al. Graphene oxide-coated porous titanium for pulp sealing: an antibacterial and dentino-inductive restorative material // J. Mater. Chem. B. 2020. Vol. 8, N 26. P. 5606–5619.
  26. Chai M.Z. et al. In vitro and in vivo antibacterial activity of graphene oxide-modified porous TiO2 coatings under 808-nm light irradiation // Rare Met. Nonferrous Metals Society of China. 2022. Vol. 41, N 2. P. 540–545.
  27. Liu S. et al. Micro-arc oxidation preparation of a ZnO-Se composite coating on titanium with anti-oxidation and anti-bacterial potentials for osteomyelitis control // Mater. Lett. 2022. Vol. 327. P. 132978.
  28. Chopra I. The increasing use of silver-based products as antimicrobial agents: A useful development or a cause for concern? // J. Antimicrob. Chemother. 2007. Vol. 59, N 4. P. 587–590.
  29. Rai M., Yadav A., Gade A. Silver nanoparticles as a new generation of antimicrobials // Biotechnol. Adv. 2009. Vol. 27, N 1. P. 76–83.
  30. Ponomarev V.A. et al. Ag(Pt) nanoparticles-decorated bioactive yet antibacterial Ca- and P-doped TiO2 coatings produced by plasma electrolytic oxidation and ion implantation // Appl. Surf. Sci. 2020. Vol. 516. P. 146068.
  31. Shin K.R. et al. Effects of concentration of Ag nanoparticles on surface structure and in vitro biological responses of oxide layer on pure titanium via plasma electrolytic oxidation // Appl. Surf. Sci. 2015. Vol. 347. P. 574–582.
  32. Muhaffel F. et al. Characteristics of multi-layer coatings synthesized on Ti6Al4V alloy by micro-arc oxidation in silver nitrate added electrolytes // Surf. Coatings Technol. 2016. Vol. 307. P. 308–315.
  33. Mijnendonckx K. et al. Antimicrobial silver: uses, toxicity and potential for resistance // BioMetals. 2013. Vol. 26, N 4. P. 609–621.
  34. Van Hengel I.A.J. et al. Self-defending additively manufactured bone implants bearing silver and copper nanoparticles // J. Mater. Chem. B. 2020. Vol. 8, N 8. P. 1589–1602.
  35. Yao X. et al. Microstructure and antibacterial properties of Cu-doped TiO2 coating on titanium by micro-arc oxidation // Appl. Surf. Sci. 2014. Vol. 292. P. 944–947.
  36. Jomova K., Valko M. Advances in metal-induced oxidative stress and human disease // Toxicology. 2011. Vol. 283, N 2/3. P. 65–87.
  37. Leśniak-Ziółkowska K. et al. Electrochemical modification of the Ti-15Mo alloy surface in solutions containing ZnO and Zn3(PO4)2 particles // Mater. Sci. Eng. C. 2020. Vol. 115. P. 111098.
  38. Roknian M. et al. Study of the effect of ZnO nanoparticles addition to PEO coatings on pure titanium substrate: Microstructural analysis, antibacterial effect and corrosion behavior of coatings in Ringer’s physiological solution // J. Alloys Compd. 2018. Vol. 740. P. 330–345.
  39. Nadimi M., Dehghanian C. Incorporation of ZnO–ZrO2 nanoparticles into TiO2 coatings obtained by PEO on Ti–6Al–4V substrate and evaluation of its corrosion behavior, microstructural and antibacterial effects exposed to SBF solution // Ceram. Int. 2021. Vol. 47, N 23. P. 33413–33425.
  40. Nikoomanzari E. et al. Effect of ZrO2 nanoparticles addition to PEO coatings on Ti–6Al–4V substrate: Microstructural analysis, corrosion behavior and antibacterial effect of coatings in Hank’s physiological solution // Ceram. Int. 2020. Vol. 46, N 9. P. 13114–13124.
  41. Molaei M. et al. Enhancing cytocompatibility, antibacterial activity and corrosion resistance of PEO coatings on titanium using incorporated ZrO2 nanoparticles // Surfaces and Interfaces. 2022. Vol. 30. P. 101967.
  42. Zhao D. et al. Antifouling properties of micro arc oxidation coatings containing Cu2O/ZnO nanoparticles on Ti6Al4V // Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2016. Vol. 54. P. 417–421.
  43. Du Q. et al. The effect of applied voltages on the structure, apatite-inducing ability and antibacterial ability of micro arc oxidation coating formed on titanium surface // Bioact. Mater. 2018. Vol. 3, N 4. P. 426–433.
  44. Huang H.-L. et al. Antibacterial and biological characteristics of tantalum oxide coated titanium pretreated by plasma electrolytic oxidation // Thin Solid Films. 2019. Vol. 688. P. 137268.
  45. Chang Y.-Y. et al. Antibacterial properties and cytocompatibility of tantalum oxide coatings // Surf. Coatings Technol. 2014. Vol. 259. P. 193–198.
  46. Zhu Y. et al. Bacterial and mammalian cells adhesion to tantalum-decorated micro-/nano-structured titanium // J. Biomed. Mater. Res. Part A. 2017. Vol. 105, N 3. P. 871–878.
  47. Meidanchi A., Jafari A. Synthesis and characterization of high purity Ta2O5 nanoparticles by laser ablation and its antibacterial properties // Opt. Laser Technol. 2019. Vol. 111. 2018. P. 89–94.
  48. Wang F. et al. Simultaneous incorporation of gallium oxide and tantalum microparticles into micro-arc oxidation coating of titanium possessing antibacterial effect and stimulating cellular response // Biomater. Adv. 2022. Vol. 135. 2021. P. 212736.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2024