Evaluation of nano-antimicrobial coated biomaterials in advanced in vitro co-culture models Ren, Xiaoxiang
DOI:
10.33612/diss.145072016
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Publication date: 2020
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Ren, X. (2020). Evaluation of nano-antimicrobial coated biomaterials in advanced in vitro co-culture models. University of Groningen. https://doi.org/10.33612/diss.145072016
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总结
总结 147 生物材料相关的感染（BAI）是植入材料失效的主要原因，并且可能在植入手 术后多年才开始发展，从而影响到植入体的功能和寿命。因此，在合适的体外模 型中开发和评估新的抗菌生物材料至关重要。 第 1 章节的内容陈述了在新型抗菌生物材料的开发中对共培养模型的需求， 并以问答的形式总结了常见的 2D 和 3D 共培养模型，它们的重要参数和相关应 用。正如 Gristina 所述，植入体表面的感染过程是细菌与组织细胞之间的“表 面争夺战”，组织细胞粘附在植入体的表面，以保护其免受感染。适当的抗菌策 略需要在杀死细菌和减少对组织细胞的伤害之间找到平衡，而滥用抗菌药物会不 可避免地破坏这种平衡。但是传统的体外细胞培养模型只能研究单独的细胞或者 细菌的粘附。因此，本论文的目的是研究新型的纳米抗菌生物材料，并利用共培 养模型对这些材料进行研究。 牙种植体周围的软组织密封带可有效的保护种植体免受细菌感染，但是尚无 准确的体外培养模型来模拟牙种植体周围的软组织。因此，在第 2 章中，我们建 立了由口腔角质细胞和牙龈成纤维细胞组成的口腔软组织的 3D 模型并且探索了 其在对抗细菌感染中的作用。细菌入侵（链球菌或葡萄球菌）影响了钛材料表面 的成纤维细胞的生长，但是角质细胞层对成纤维细胞在对抗细菌入侵时有一定的 保护作用。更重要的是，此模型中成纤维细胞的生长与植入体材料的表面特性息 息相关。比如疏水性硅橡胶表面的成纤维细胞生长被细菌的影响要大于亲水性羟 基磷灰石或钛片材料表面的影响。这种对不同材料表面的响应性，使得 3D 共培 养感染模型成为开发新型抗感染牙科植入体材料的极有价值的探索工具。 尽管成功建立了 3D 共培养模型，但第 2 章中所涉及到的基础材料并没有抗 菌特性。因此，在第 3 章中我们研究了一种可在近红外光的照射下产生光热效果 的聚多巴胺涂层并将其应用在不同的感染模型中。光热杀菌是通过高温来杀死细 菌，因此极易将热量传递到感染部位周围的组织细胞中而引起细胞的凋亡。我们 通过评估钛材料表面的聚多巴胺纳米颗粒涂层在不同共培养模型中的表现，探索 了迄今被忽视的光热对周围组织细胞的损害。在未进行近红外光照射时，材料表 面的葡萄球菌使成纤维细胞的表面覆盖率显著降低。我们研究发现，可以通过在 大于 5 分钟的近红外光照射来预防葡萄球菌的感染，但是较长的照射时间会引起 对成纤维细胞的损害。总的来说，生物材料相关感染的光热处理需要精确的控制
148 近红外光的照射时间，以减少对感染部位周围组织细胞的伤害。 光热治疗是治疗感染的有效方法，但是其对周围细胞的损伤不容忽视。为了 进一步研究有利于组织整合而不是细菌定植的表面，第 4 章重点研究了低剂量的 载银或庆大霉素的钛纳米管材料。在单一培养模型中，载银纳米管能够有效地杀 死细菌，但也同时导致了组织细胞的凋亡。而负载低剂量的庆大霉素材料可杀死 附着的细菌，同时维持组织细胞的生长。我们所研究的载药材料的释药速率要小 于临床上应用的负载庆大霉素的骨水泥材料。在共培养模型中，未负载药物的钛 纳米管无法杀死粘附的金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌，也无法有效的防治细菌 对牙龈成纤维细胞和骨肉瘤细胞感染。然而，负载了低剂量的庆大霉素钛纳米管 材料表面可有效地消灭细菌且有利于组织整合。本章的结果证实了临床上必须小 心地应用银纳米粒子，并可以重点考虑低剂量的庆大霉素负载的纳米管材料。这 种材料可以很好的用于局部抗生素输送，以消除由于手术引入的细菌感染而导致 的钛植入体的失败。 在第 5 章中，我们讨论了体外共培养模型，光热聚多巴胺涂层以及载药钛纳 米管的优缺点。本论文提出的体外共培养感染模型可以在动物实验之前更好地评 估生物材料，为减少实验动物的数量提供可能性。最后，进一步讨论了未来可能 进行的相关研究。
