Antibacterial activity and biocompatibility of titanium nickelide augments with the addition of silver nanoparticles for bone grafting: an experimental study

Cover Page


Cite item

Full Text

Abstract

BACKGROUND: The relevance of this study was supported by the increasing number of infectious complications of bone augmentation in children and adults. Currently, porous titanium nickelide alloys are among the most preferred materials used in bone plasty. Despite the observable advantages of porous nickelide titanium alloys in terms of biochemical and biomechanical compatibility with the body, research on the antibacterial activity of alloys is ongoing to counter the development of infections at the implant–biological tissue border.

AIM: To perform an experimental study of the biocompatible antibacterial surface in porous titanium nickelide alloys with the addition of silver nanoparticles.

MATERIALS AND METHODS: Titanium nickelide alloys with 62% porosity were obtained using the self-propagating high-temperature synthesis method from nickel, titanium, and nanosilver powders at concentrations of 0.2 at.% Ag, 0.5 at.% Ag, and 1.0 at.% Ag, respectively. The experiment was conducted on nine sexually mature female white laboratory rats. They were divided into three groups, with three rats each. All animals were implanted with titanium nickelide along with porous granules of silver additives. The first group was the control, the second received 0.2 at.% silver, and the third received 0.5% silver. The standard method of incubating Staphylococcus epidermidis in liquid broth in the presence of the studied images was used to determine bactericidal activity, followed by seeding on solid media and counting colonies.

RESULTS: The antibacterial effect of the samples on S. epidermidis gradually increased with increasing silver concentration. The significance of the differences between the experiment and control was confirmed by Student’s criterion p < 0.005, whereas the sample without silver nanoparticles and the control do not differ significantly. Thus, these alloys may have bioactive properties because they contain silver nanoparticles. An alloy with a silver concentration of 0.5 at.% Ag showed the best antibacterial activity to S. epidermidis. In the clinical evaluation of the results of the experimental study, purulent inflammatory complications were not observed in all animals at all times. On day 75, the animals underwent computed tomography, which showed good occupancy of the bone defect and absence of a dystrophic effect on the area where the bone and soft tissue are in contact with the material.

CONCLUSIONS: If the concentration of silver nanoparticles is increased up to 0.5 at%, the antibacterial activity and cytocompatibility of the implant also increase. Clinical experimental evaluation in all groups of animals showed that osteointegration of alloys with 0.5 at.% Ag begins immediately after implantation and is completed 2 weeks earlier than that in the remaining groups.

Full Text

АКТУАЛЬНОСТЬ

На современном этапе развития травматологии и ортопедии не решена проблема идеального импланта для замещения костной ткани. Аугменты могут быть востребованы при замещении костных дефектов во время оперативного этапа лечения злокачественных и доброкачественных новообразований костей, импрессионных переломов, а также во время эндопротезирования суставов. Одним из драматичных, хотя, и нечасто манифестирующих осложнений оперативных вмешательств являются гнойно-воспалительные процессы в перифокальной, по отношению к импланту, зоне. Периимплантная инфекция считается одним из наиболее тяжелых осложнений, требующих пристального внимания, больших экономических затрат, продолжительной госпитализации и часто приводящих к стойкой инвалидизации пациентов [1, 2]. Гнойные осложнения снижают долю положительных результатов оперативного лечения до 11 % и могут приводить к летальному исходу. Особенно данный вопрос актуален в детской онкотравматологии и ортопедии, так как дети со злокачественными новообразованиями очень восприимчивы к бактериальным, грибковым и вирусным инфекциям вследствие интенсивной химиотерапии, нарушения в работе иммунной системы, изменений в естественных барьерах организма или наличия центральных венозных катетеров [3]. По данным J. Lake и O. Gordon [4], до 10 % всех педиатрических операций на позвоночнике осложняются периимплантной инфекцией, лечение которой в ранние сроки (до 90 сут) требует удаления имплантов и пролонгированной антибактериальной терапии, что отрицательно сказывается на непосредственных результатах лечения [4].

В настоящее время одними из самых предпочтительных материалов для использования в костной пластике являются пористые сплавы на основе никелида титана (TiNi). Несмотря на то что пористые TiNi-сплавы уже много лет известны, актуальность их использования в области медицинского материаловедения сохраняется благодаря их фундаментальным свойствам, таким как механическая и биологическая совместимость, повышенная износостойкость и коррозионная стойкость в биологической среде, большая обратимая деформация [5–7]. Данные сплавы постоянно претерпевают различные модификации с точки зрения изменения состава, модификации поверхности и воздействия термомеханической обработки [8, 9].

Пористость материала может быть подобрана с целью механического соответствия с тканью и прорастания принимающей (прилегающей) биологической ткани в поры, что способствует формированию и ремоделированию кости. Защитный поверхностный слой, самопроизвольно образующийся на поверхности пористых TiNi-сплавов в процессе получения методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), повышает его биологическую совместимость и коррозионную стойкость [10, 11]. Морфология пористо-проницаемой структуры TiNi подобна структуре костных тканей, а прочный и сверхэластичный каркас сохраняют опорную функцию для врастания костной ткани и позволяет длительно выдерживать знакопеременные физиологические нагрузки в организме.

Несмотря на очевидные преимущества пористых TiNi-сплавов с точки зрения биохимической и биомеханической совместимости с организмом, существует еще одно важное направление исследований — это повышение антибактериальной активности с целью противодействия развитию инфекций на границе имплант – биологическая ткань [12–14]. Адгезия бактерий к поверхности биоматериалов является важным этапом в развитии инфекционных осложнений, ведущих к разрушению костной ткани и отторжению импланта.

Среди благородных металлов выделяют серебро (Ag), которое проявляет бактерицидную активность в отношении широкого круга микроорганизмов. Серебро рассматривается во многих различных формах, включая легирование, ионную имплантацию и формирование покрытий на основе металлического Ag [15–18]. За рубежом проводились исследования по механизму действия серебра в виде наночастиц (НЧ-Ag) [12, 19–22].

Цель — экспериментальное исследование биосовместимой антибактериальной поверхности у пористых сплавов TiNi с добавлением НЧ-Ag.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Изучение антибактериальных свойств и биосовместимости TiNi-имплантов с добавлением НЧ-Ag проводилось путем неослепленного экспериментального рандомизированного контролируемого исследования, выполняемого на протяжении 20 нед. Техническая часть исследования проведена в лаборатории сверхэластичных биоинтерфейсов Национального исследовательского Томского государственного университета. Сплавы TiNi пористостью 62 % были получены методом СВС в постоянном режиме послойного горения в атмосфере аргона из порошков никеля марки ПНК ОТ-4, титана марки ПТОМ-2 и нанопорошка серебра со средним размером частиц 8 нм с концентрацией 0,2 ат.%, 0,5 ат.% и 1,0 ат.%.

Для определения бактерицидной активности был использован стандартный метод инкубации бактерий в жидком бульоне в присутствии изучаемых образцов с последующим высевом на твердые среды и подсчетом колоний. Суточная культура Staphylococcus epidermidis была приготовлена путем переноса 10 мкл чистой культуры микроорганизмов со скошенного агара в питательный бульон (400 мл) с последующей инкубацией 24 ч при температуре 25 °C. Спустя сутки был произведен посев 50 мкл суточной культуры на твердую питательную среду для определения численности микроорганизмов в 1 мл культуры. Опытные образцы сплавов СВС TiNi инкубировали на питательном бульоне, содержащем микробную взвесь S. epidermidis в течение 72 ч при 25 °C. По 100 мкл цельной взвеси микроорганизмов, в разведении 10-6 высевали на чашки с плотной питательной средой с последующей инкубацией 72 ч при 25 °C и подсчетом колониеобразующих единиц (КОЕ). В контроле к бульону добавляли 100 мкл 0,9 % раствора натрия хлорида. Эксперимент проводили в трех технических повторностях.

Для статистической обработки использовали программу Microsoft Office Excel 2013. Принимая во внимание тот факт, что в расчет брали средние значения двух генеральных совокупностей, значимость различий между значениями в группах оценивали с помощью критерия Стьюдента (t-тест).

Для исследования цитосовместимости были использованы образцы TiNi в виде пористых пластин размерами 2 × 10 × 10 мм с концентрацией наночастиц 0,2 ат.% Ag, 0,5 ат.% Ag. Перед исследованием образцы стерилизовали при 180 °C 60 мин в сухожаровом шкафу.

При исследовании цитосовместимости применяли стандартную линию клеток 3T3 — эмбриональные фибробласты. Клетки 3Т3 культивировали в CO2-инкубаторе в течение 72 ч в стандартных условиях при температуре 37 °C, 5 % CO2 и увлажненной атмосфере. Полная питательная среда состояла из DMEM/F12 (НПП «ПанЭко», Россия) с добавлением 10 % фетальной бычьей сыворотки (НПП «ПанЭко», Россия), 40 мкг/мл гентамицина и 250 мг/л глютамина.

Для визуализации клеток использовали сканирующий электронный микроскоп TermoFishet Axia (США). Образцы промывали фосфатно-солевым буфером (PBS) и фиксировали 2,5 % раствором глутарового альдегида в течение 1 ч. Затем его трижды промывали PBS в течение 15 мин и фиксировали в 1 % растворе четырехокиси осмия (Sigma) в течение 1 ч и еще раз трижды промывали PBS в течение 15 мин. Затем обезвоживали последовательным изменением концентрации этанола (30, 50, 70, 90 и 100 %) в течение 15 мин в каждом растворе. Образцы высушивали. Оценивали плотность клеток в образце, а также количество живых, мертвых и апоптотических клеток в поле зрения (масштаб 100 мкм).

Экспериментальное исследование проведено на базе вивария Уральского государственного медицинского университета (УГМУ) в соответствии с «Правилами проведения работ с использованием экспериментальных животных» и принципами, изложенными в конвенции по защите позвоночных животных, используемых для эксперимента и других целей (Страсбург, Франция, 1986). Экспериментальные исследования, направленные на изучение инновационного сплава TiNi одобрены локальным этическим комитетом УГМУ, выписка из протокола № 6 от 17.06.2022. Все животные содержались в соответствии с санитарными требованиями № 1045-73 от 06.04.1973.

Эксперимент проводили на 9 половозрелых самках белых лабораторных крыс, весом 400–600 г. Крысы были разделены на 3 группы по 3 особи, всем животным был имплантирован TiNi с добавками серебра в виде пористых гранул. Гранулы были получены механической дезинтеграцией пористых слитков. Первая группа была контрольная, вторая — с содержанием 0,2 aт.% Ag, третья — с 0,5 aт.% Ag. На 75-е сутки после имплантации животным проводили компьютерную томографию (КТ) для анализа интегративных свойств. Оценивали плотность трабекулярной и кортикальной кости в периимплантной зоне, а также наличие деструктивных изменений в кости и мягких тканях, контактирующих с имплантом.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Антибактериальные свойства и исследование цитосовместмости

St. еpidermidis был выбран в качестве бактерии в антимикробном эксперименте. Показатели антибактериальной активности образцов с разным содержанием серебра представлены на рис. 1. Антибактериальное действие образцов в отношении бактерий St. еpidermidis постепенно увеличивались с увеличением концентрации серебра. Так, количество КОЕ в группе TiNi составило 150, при добавлении НЧ-Ag 0,2 ат.% — 125, а при увеличении концентрации (НЧ-Ag) до 0,5 ат.%, количество КОЕ уменьшилось до 108. Значимость различий эксперимента и контроля подтверждена критерием Стьюдента (р < 0,005), тогда как образец, не содержащий НЧ-Ag, и контроль значимо не различаются. Таким образом, можно говорить о том, что данные сплавы обладают биоактивными свойствами за счет содержания НЧ-Ag. Cплав с концентрацией серебра 0,5 ат.% Ag показал наилучшую антибактериальную способность в отношении St. еpidermidis.

 

Рис. 1. Антибактериальная активность в отношении St. еpidermidis: a — по вертикали значение, выраженное в КОЕ; b — примеры высевов на твердый агар

Fig. 1. Antibacterial activity against S. epidermidis: a, vertical value expressed in CFU; b, examples of inoculations on solid agar

 

Было проведено исследование цитосовместимости пористых образцов TiNi, с разным содержанием серебра с визуализацией клеток на растровом электронном микроскопе. Наблюдается разная плотность клеточных культур на поверхности исследуемых сплавов (рис. 2). Следует отметить, что добавка 0,5 ат.% Ag приводит к уменьшению количества клеток на поверхности пористого сплава TiNi, в то время как большее количество клеток обнаружено на сплаве с 0,2 ат.% Ag.

 

Рис. 2. Растровое изображение поверхности после культивирования образцов пористых сплавов для: a — TiNi; b — TiNi 0,2 aт.% Ag; c — TiNi 0,5 aт.% Ag

Fig. 2. Raster image of the surface after cultivation of samples of porous alloys: a — TiNi; b — TiNi + 0.2 at.% Ag; c —TiNi + 0.5 at.% Ag

 

Согласно данным эксперимента количество живых клеток значимо отличается в образцах и в контроле (рис. 3). Количество клеток, вошедших в апоптоз, не отличается значимо в образцах, но значимо отлично от контроля. Мертвых клеток равное количество во всех группах. Во всех трех группах живых клеток значимо больше, чем мертвых и апоптопических (р = 0,05).

 

Рис. 3. Количественный анализ жизнеспособности клеток на поверхности образцов пористых сплавов TiNi

Fig. 3. Quantitative analysis of cell viability on the surface of samples of porous TiNi alloys

 

Таким образом, все три сплава являются цитосовместимыми, содержание Ag увеличивает количество клеток в апоптозе, однако мертвых клеток во всех образцах одинаково низкое количество, что может говорить об умеренном цитотоксическом действии. Тем не менее анализ монослоя и морфологии клеток показал, что поверхность сплава покрывается плотным монослоем, пористый материал позволяет клеткам развить внеклеточный матрикс в отличие от условий на плоской поверхности, что повторяет условия роста в клеточном окружении в тканях организма. Клетки имеют неправильную форму, разветвленные подии и погружены в межклеточный матрикс, вакуолизированные структуры характерны для клеток, вступивших в апоптоз, остальные имеют нормальную морфологию. При анализе цитосовместимости все сплавы сохраняли хорошую биосовместимость и не обнаруживали клеточной токсичности в отношении клеток 3T3 — эмбриональных фибробластов.

Экспериментальное исследование на лабораторных животных

Хирургическое лечение лабораторных крыс проводили в стерильных условиях под общей анестезией. Проведение наркоза осуществляли путем внутримышечной инъекции тилетамина гидрохлорида 250 мг и золазепама гидрохлорида 250 мг из расчета 10 мг/кг массы. После подготовки операционного поля, удаления шерсти и обработки растворами антисептика, производили операционный доступ путем разреза кожи до 2 см по наружной поверхности правого бедра. Тупым и острым путем была выделена бедренная кость, и при помощи гравера со стерильным булавовидным наконечником выполнено трефинационное отверстие в проксимальной метадиафизарной области бедренной кости размерами 0,3 × 0,3 см. На данном этапе получена модель полостного образования трубчатой кости. Далее при помощи ложки Фолькмана имплантировали мелкодисперсный порошок TiNi в образованную костную полость в зависимости от группы. Материал плотно утрамбовали в кости, однако часть материала попала в мягкие ткани около кости, что является допустимым. Завершали операцию послойными швами раны и обработкой бриллиантовой зеленью области основного доступа. Послеоперационный период протекал без особенностей, для обезболивания применяли кетопрофен 2,5 % из расчета 2,5 мг/кг массы. При использовании сплавов с концентрацией 0,5 ат.% Ag процесс заживления протекал быстрее. На 75-е сутки все животные были выведены из эксперимента путем передозировки наркозного препарата с последующим забором бедренных костей для дальнейшего гистологического исследования границы кость – имплант и электронной микроскопии.

При проведении клинической оценки гнойно-воспалительных осложнений у животных на всех сроках эксперимента не отмечалось. Перед выведением животных при клиническом осмотре отсутствовали признаки воспаления в зоне имплантации материала, пальпация безболезненная, местная температура не повышена, передвижение животных в клетке не затруднено.

На 75-е сутки животным проведена КТ, на которой отмечена хорошая заполняемость костного дефекта, отсутствие дистрофического процесса в области контакта кости и мягких тканей с материалом (рис. 4, 5). Плотность периимплантной трабекулярной и кортикальной кости в единицах Хаундсфилда, не отличались в группах с добавлением НЧ-Ag и без таковых.

 

Рис. 4. Компьютерная томография, сагиттальный срез лабораторной крысы. Выделен материал, установленный в костномозговой канал бедренной кости, 75-е сутки от момента имплантации

Fig. 4. Computed tomography. Sagittal scan of a laboratory rat. Selected material installed in the medullary canal of the femur 75 days from implantation

 

Рис. 5. Компьютерная томография, 3D-изображение лабораторной крысы. Выделено место имплантации в кость и окружающие мягкие ткани. 75-е сутки после имплантации

Fig. 5. Computed tomography. Three-dimensional image of a laboratory rat. The implantation site in the bone and surrounding soft tissues is highlighted; image was taken 75 days after implantation

 

Для понимания механизмов антибактериальной активности, улучшенной цитосовместимости и приживаемости были проведены электронно-микроскопические исследования поверхности пористых сплавов с 0,5 ат.% Ag (рис. 6).

 

Рис. 6. Распределение Ag в образце TiNi + 0,5 ат.% Ag: a — просвечивающая электронная микроскопия и электронная микродифракция Ag; b–e — STEM-EDS-элементное картирование*. *STEM (Scanning transmission electron microscopy) — cканирующая трансмиссионная электронная микроскопия; EDS (Energy dispersive spectroscopy) — энергодисперсионная спектроскопия

Fig. 6. Distribution of silver in a TiNi + 0.5 at.% Ag sample: a — TEM image and electron microdiffraction pattern of Ag; b–e — STEM-EDS elemental mapping*. *STEM — Scanning transmission electron microscopy; EDS — Energy dispersive spectroscopy

 

По результатам просвечивающей электронной микроскопии образцов TiNi с 0,5 ат.% Ag в геометрии cross-section серебро обнаружено в виде наночастиц размером до 10 нм в равномерно распределенных по всему поверхностному слою Ti4Ni2O (рис. 6). Наличие НЧ-Ag и обеспечило антибактериальный эффект за счет стандартного механизма, описанного в ряде работ по выходу ионов чистого серебра с поверхности в прилежащие жидкости.

ОБСУЖДЕНИЕ

Для образования губчатой ткани в нашем исследовании было необходимо от 4 до 12 нед., что соответствует данным литературы [7]. При этом наличие послеоперационных инфекционных осложнений не позволяет новообразованной костной ткани своевременно заполнять образовавшиеся пространства и увеличивает срок реабилитации [3]. В нашем исследовании КТ-контроль всех групп животных показал, что остеоинтеграция сплавов с 0,5 ат.% Ag, как сплавом с наиболее выраженным бактерицидным эффектом, начинается сразу после имплантации и завершается раньше на 2 нед. по сравнению с контрольной группой.

В экспериментальных работах [23–25] композитные поверхностные пленки TiNi, легированные серебром (3–10 ат.%), повышают механическую прочность, биосовместимость и коррозионную стойкость имплантов. Однако при концентрации серебра более 5 ат.% антибактериальные свойства сплава ухудшаются. Поэтому особый интерес представляет легирование более низкой концентрацией серебра. Антибактериальную активность покрытия на подложке TiNi исследовали в диапазоне 0,2–0,4 вес.% Ag [26]. Покрытие содержащее ≥0,3 вес.% Ag показало отличную антибактериальную активность. При концентрации 0,2 вес.% Ag антибактериальный эффект проявлялся слабо. Помимо концентрации важен также и размер частиц серебра.

Оптимальные характеристики антибактериальной активности, биосовместимости и коррозионной стойкости достигнуты для размера частиц серебра 20–30 нм [27]. НЧ-Ag индуцируют сильную бактерицидную активность против проблемных патогенов в остеокластах человека. Важно учитывать, чтобы НЧ-Ag в антибактериальных концентрациях не допустили цитотоксического эффекта на клетки [28]. Было продемонстрировано, что НЧ-Ag обеспечивают высокую противомикробную эффективность при низкой цитотоксичности и вызывают клеточный стресс при более высоких концентрациях [29]. По этой причине должен быть баланс между антибактериальными свойствами и возможными рисками для клетки.

Наноструктурное серебро и равномерное распределение обеспечивают однородный антибактериальный эффект, с одной стороны, за счет низкой растворимости серебра в TiNi, а с другой — поверхностный слой Ti4Ni2O на пористых сплавах TiNi, полученных методом СВС является очень активным, он как геттер адсорбирует на себе легкие примеси. Поэтому, как отмечено в ряде работ, механизм действия серебра на микробную клетку достигается поглощением клеточной оболочкой микроба ионов серебра, в результате чего его клетка остается жизнеспособной, но при этом нарушается деление и достигается бактериостатический эффект [11, 12, 22–24]. Полученные данные хорошо согласуются с результатами цитотоксичности и данными других авторов. В современной литературе сообщается об антибактериальных и противовирусных эффектах наночастиц и различных соединений серебра. Токсикологические исследования данного материала в мировой литературе показали безопасность малых концентраций НЧ-Ag для человека и окружающей среды [15–20].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, биосовместимость и антибактериальный эффект поверхности у пористых сплавов TiNi с НЧ-Ag подтверждена экспериментально в условиях in vitro и in vivo. Установлено, что с увеличением концентрации НЧ-Ag до 0,5 ат.% увеличивается антибактериальная активность. Пористый TiNi-сплав с 0,5 ат.% Ag оказался наиболее антибактериально эффективным и цитосовместимым. Клиническая экспериментальная оценка на лабораторных крысах всех групп показала, что остеоинтеграция сплавов с 0,5 ат.% Ag начинается сразу после имплантации и завершается раньше на 2 нед. по сравнению с остальными группами. Обнаруженный положительный эффект связан с равномерной кристаллизацией частицы серебра в нанокристаллическом состоянии в поверхностном слое Ti4Ni2O. Полученные данные указывают на перспективность дальнейших исследований этого вида аугментов по применению в различных областях травматологии и ортопедии.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с проведенным исследованием и публикацией настоящей статьи. Личный вклад каждого автора: И.И. Гордиенко — разработка дизайна исследования, проведение оперативных вмешательств на лабораторных животных; С.А. Борисов — проведение оперативных вмешательств на лабораторных животных, оценка морфологических результатов, обзор литературы, сбор и анализ литературных источников, анализ КТ-сканов, написание текста и редактирование статьи; Г.А. Байгонакова — обзор литературы, сбор и анализ литературных источников, статистическая обработка данных, подготовка и написание текста статьи; Е.С. Марченко — разработка дизайна исследования, изготовление TiNi-имплантов, сбор и анализ литературных источников, подготовка и написание текста статьи; В.А. Лариков — изготовление TiNi-имплантов, нанесение антибактериального покрытия, сбор и анализ литературных источников, статистическая обработка данных; Н.А. Цап — научный консультант исследования, редактирование текста статьи.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования и подготовке публикации.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

ADDITIONAL INFORMATION

Authors’ contribution. All authors made a substantial contribution to the conception of the study, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the article, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the study. Personal contribution of each author: I.I. Gordienko — study design development, laboratory animal surgery; S.A. Borisov — carrying out surgical interventions on laboratory animals, assessment of morphological results, literature review, literature collection and analysis, CT scan analysis, text writing and article editing; G.A. Baigonakova — literature review, collection and analysis of literary sources, statistical data processing, preparation and writing of the text of the article; E.S. Marchenko — development of the study design, manufacture of nickel-titanium implants, collection and analysis of literary sources, preparation and writing of the text of the article; V.A. Larikov — manufacture of nickel-titanium implants, application of an antibacterial coating, collection and analysis of literary sources, statistical data processing; N.A. Tsap — scientific consultant to the study, editing the text of the article.

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

×

About the authors

Semyon A. Borisov

Ural State Medical University

Email: drborissovsa@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-1783-3776
SPIN-code: 5782-1443
Russian Federation, Yekaterinburg

Ivan I. Gordienko

Ural State Medical University

Author for correspondence.
Email: ivan-gordienko@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3157-4579
SPIN-code: 5368-0964

MD, Cand. Sci. (Medicine)

Russian Federation, Yekaterinburg

Natalya A. Tsap

Ural State Medical University

Email: tsapna-ekat@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0001-9050-3629
SPIN-code: 7466-8731

MD, Dr. Sci. (Medicine), Professor

Russian Federation, Yekaterinburg

Gulsharat A. Baigonakova

National Research Tomsk State University

Email: gat27@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9853-2766
SPIN-code: 1192-6016

MD, Cand. Sci. (Medicine)

Russian Federation, Tomsk

Ekaterina S. Marchenko

National Research Tomsk State University

Email: 89138641814@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-4615-5270
SPIN-code: 7116-2901

Dr. Sci. (Physics and Mathematics)

Russian Federation, Tomsk

Victor A. Larikov

National Research Tomsk State University

Email: calibra1995@gmail.com
ORCID iD: 0009-0002-3365-5997
Russian Federation, Tomsk

References

  1. Bozic KJ, Ries MD. The impact of infection after total hip arthroplasty on hospital and surgeon resource utilization. J Bone Joint Surg Am. 2005;87(8):1746–1751. doi: 10.2106/JBJS.D.02937
  2. Khon VE, Zagorodniy NV, Komlev VS, et al. Nfluence of the degree of calcium substitution by argentum in tricalcium phosphate on its biological properties in vitro. N.N. Priorov journal of traumatology and orthopedics. 2013;20(4):23–28. EDN: RTKACB
  3. Czyzewski K, Galazka P, Zalas-Wiecek P, et al. Infectious complications in children with malignant bone tumors: a multicenter nationwide study. Infect Drug Resist. 2019;30(12):1471–1480. doi: 10.2147/IDR.S199657
  4. Lake J, Gordon O. Implant-associated spinal infections in children: how can we improvediagnosis and management? Infect Dis Clin North Am. 2022;36(1):101–123. doi: 10.1016/j.idc.2021.11.005
  5. Yasenchuk YuF, Gyunter SV, Marchenko ES, Iuzhakov MM. Biocompatibility of porous SHS-TiNi. Mater Sci Forum. 2019;970(12):320–327. doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/MSF.970.320' target='_blank'>www.scientific.net/MSF.970.320
  6. Topolnitskiy E, Chekalkin T, Marchenko E, et al. Evaluation of clinical performance of TiNi-based implants used in chest wall repair after resection for malignant tumors. J Funct Biomater. 2021;12(4):60–71. doi: 10.3390/jfb12040060
  7. Sevilla P, Aparicio C, Planell JA, Gil FJ. Comparison of the mechanical properties between tantalum and nickel-titanium foams implant materials for bone ingrowth applications. J Alloys Compd. 2007;439(1-2):67–73. doi: 10.1016/j.jallcom.2006.08.069
  8. Hornbogen E. Microstructure and thermo-mechanical properties of NiTi shape memory alloys. Mater Sci Forum. 2004;455(2):335–341. doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/MSF.455-456.335' target='_blank'>www.scientific.net/MSF.455-456.335
  9. Marchenko ES, Luchsheva V, Baigonakova GA, et al. Functionalization of the surface of porous nickel-titanium alloy with macrocyclic compounds. Materials. 2022;16(1):66–78. doi: 10.3390/ma16010066
  10. Marchenko ES, Baigonakova GA, Yasenchuk YF, et al. Structure, biocompatibility and corrosion resistance of the ceramic-metal surface of porous nitinol. Ceram Int. 2022;48(22):33514–33523. doi: 10.1016/j.ceramint.2022.07.296
  11. Oh K-T, Joo U-H, Park G-H, et al. Effect of silver addition on the properties of nickel-titanium alloys for dental application. J Biomed Mater. 2006;76B(12):306–314. doi: 10.1002/jbm.b.30369
  12. Zhao L, Chu PK, Zhang Y, Wu Z. Antibacterial coatings on titanium implants. J Biomed Mater Res. 2009;91(1):470–480. doi: 10.1002/jbm.b.31463
  13. Chouirfa H, Bouloussa H, Migonney V, Falentin-Daudré C. Review of titanium surface modification techniques and coatings for antibacterial applications. Acta biomaterialia. 2019;83(1):37–54. doi: 10.1016/j.actbio.2018.10.036
  14. Ferraris S, Spriano S. Antibacterial titanium surfaces for medical implants. Mater Sci Eng. 2016;61(2):965–978. doi: 10.1016/j.msec.2015.12.062
  15. Schmidt-Braekling T, Streitbuerger A, Gosheger G, et al. Silver-coated megaprostheses: review of the literature. Eur J Orthop Surg Traumatol. 2017;27(4):483–489. doi: 10.1007/s00590-017-1933-9
  16. Liu X, Gan K, Liu H, et al. Antibacterial properties of nano-silver coated PEEK prepared through magnetron sputtering. Dent Mater. 2017;33(9):348–360. doi: 10.1016/j.dental.2017.06.014
  17. Kim JS, Kuk E, Yu KN, et al. Antimicrobial effects of silver nanoparticles. Nanomedicine, nanotechnology, biology, and medicine. 2007;3(1):95–101. doi: 10.1016/j.nano.2006.12.001
  18. Aurore V, Caldana F, Blanchard M, et al. Silver-nanoparticles increase bactericidal activity and radical oxygen responses against bacterial pathogens in human osteoclasts. Nanomedicine. 2018;14(2):601–607. doi: 10.1016/j.nano.2017.11.006
  19. Praba VL, Kathirvel M, Vallayyachari K, et al Bactericidal effect of silver nanoparticles against mycobacterium tuberculosis. J Bionanosci. 2013;7(3):282–287. doi: 10.1166/jbns.2013.1138
  20. Van Dong P, Ha CH, Binh LT, et al. Chemical synthesis and antibacterial activity of novel-shaped silver nanoparticles. Int Nano Lett. 2012;2(2):9–18. doi: 10.1186/2228-5326-2-9
  21. Thangavel E, Dhandapani VS, Dharmalingam K, et al. RF magnetron sputtering mediated NiTi/Ag coating on Ti-alloy substrate with enhanced biocompatibility and durability. Mater Sci Eng. 2019;99(4):304–314. doi: 10.1016/j.msec.2019.01.099
  22. Martinez-Gutierrez F, Olive PL, Banuelos A, et al. Synthesis, characterization, and evaluation of antimicrobial and cytotoxic effect of silver and titanium nanoparticles. Nanomedicine: nanotechnology, biology, and medicine. 2010;6(5):681–688. doi: 10.1016/j.nano.2010.02.001
  23. Albers CE, Hofstetter W, Siebenrock KA, et al. In vitro cytotoxicity of silver nanoparticles on osteoblasts and osteoclasts at antibacterial concentrations. Nanotoxicology. 2013;7(1):30–36. doi: 10.3109/17435390.2011.626538
  24. Marchenko ES, Baigonakova GA, Kokorev OV, et al. Phase equilibrium, structure, mechanical and biocompatible properties of TiNi-based alloy with silver. Mater. Res. Express. 2019;6(6):1–11. doi: 10.1088/2053-1591/ab0edd
  25. Pauksch L, Rohnke M, Schnettler R, Lips KS. Silver nanoparticles do not alter human osteoclastogenesis but induce cellular uptake. Toxicol Rep. 2014;1(1):900–908. doi: 10.1016/j.toxrep.2014.10.012
  26. Goodman SB, Yao Z, Keeney M, Yang F. The future of biologic coatings for orthopaedic implants. Biomaterials. 2013;34(13):3174–3183. doi: 10.1016/j.biomaterials.2013.01.074
  27. Marchenko E, Baigonakova G, Larikov V, et al. Structure and mechanical properties of porous TiNi alloys with Ag nanoparticles. Coatings. 2023;13(1):24–37. doi: 10.3390/coatings13010024
  28. Boudreau MD, Imam MS, Paredes AM, et al. Differential effects of silver nanoparticles and silver ions on tissue accumulation, distribution, and toxicity in the sprague dawley rat following daily oral gavage administration for 13 weeks. Toxicol Sci. 2016;150(1):131–160. doi: 10.1093/toxsci/kfv318
  29. Guo H, Zhang J, Boudreau M, et al. Intravenous administration of silver nanoparticles causes organ toxicity through intracellular ROS-related loss of inter-endothelial junction. Part Fibre Toxicol. 2016;13(3):21–33. doi: 10.1186/s12989-016-0133-99

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Antibacterial activity against S. epidermidis: a, vertical value expressed in CFU; b, examples of inoculations on solid agar

Download (94KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Raster image of the surface after cultivation of samples of porous alloys: a — TiNi; b — TiNi + 0.2 at.% Ag; c —TiNi + 0.5 at.% Ag

Download (245KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Quantitative analysis of cell viability on the surface of samples of porous TiNi alloys

Download (74KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Computed tomography. Sagittal scan of a laboratory rat. Selected material installed in the medullary canal of the femur 75 days from implantation

Download (80KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Computed tomography. Three-dimensional image of a laboratory rat. The implantation site in the bone and surrounding soft tissues is highlighted; image was taken 75 days after implantation

Download (177KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Distribution of silver in a TiNi + 0.5 at.% Ag sample: a — TEM image and electron microdiffraction pattern of Ag; b–e — STEM-EDS elemental mapping*. *STEM — Scanning transmission electron microscopy; EDS — Energy dispersive spectroscopy

Download (258KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Eco-Vector

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
СМИ зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).
Регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации СМИ: ПИ № ФС 77 - 81892 от 24.09.2021 г.


This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies