Potenziale antimicrobico e crescita cellulare osteoblastica su superfici di titanio modificate elettrochimicamente con nanotubi e incorporazione di selenio o argento

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 8298 (2022) Citare questo articolo

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Le superfici dei nanotubi di titanio contenenti argento, zinco e rame hanno mostrato effetti antimicrobici senza diminuire la crescita delle cellule osteoblastiche. In questo studio in vitro presentiamo i primi risultati sulla valutazione biologica delle modifiche superficiali incorporando composti di selenio e argento in nanotubi di biossido di titanio (TiO2) mediante deposizione elettrochimica. Nanotubi di TiO2 (TNT) e TNT drogato con fosfato (pTNT) sono stati cresciuti sulla superficie dei dischi di Ti6Al4V mediante anodizzazione. I composti di idrossiapatite (HA), selenio (Se) e argento (Ag) sono stati incorporati mediante deposizione elettrochimica. Le unità formanti colonie di Staphylococcus epidermidis (DSM 3269) erano significativamente diminuite in SepTNT (0,97 ± 0,18 × 106 CFU/mL), SepTNT-HA (1,2 ± 0,39 × 106 CFU/mL), AgpTNT (1,36 ± 0,42 × 106 CFU/mL ) e Ag2SepTNT (0,999 ± 0,12 × 106 CFU/mL) rispetto al controllo non modificato (2,2 ± 0,21 × 106 CFU/mL). L'adesione batterica è stata calcolata misurando l'area coperta dopo la colorazione a fluorescenza. L'adesione era inferiore in SepTNT (37,93 ± 12%; P = 0,004), pTNT (47,3 ± 6,3%, P = 0,04), AgpTNT (24,9 ± 1,8%; P < 0,001) e Ag2SepTNT (14,9 ± 4,9%; P < 0,001 ) rispetto al controllo non modificato (73,7 ± 11%). La formazione di biofilm e la crescita delle cellule osteoblastiche (MG-63) sono state osservate utilizzando la colorazione Crystal Violet. La formazione di biofilm è stata ridotta nei dischi SepTNT (22 ± 3%, P = 0,02) e Ag2SepTNT (23 ± 11%, P = 0,02) rispetto al controllo non modificato (54 ± 8%). In confronto al controllo non modificato, le superfici modificate SepTNT-HA e pTNT hanno mostrato un'area coperta significativamente più alta con cellule osteoblastiche MG-63. Le immagini al microscopio elettronico a scansione (SEM) hanno confermato i risultati relativi alla crescita delle cellule batteriche e osteoblastiche. Questi risultati mostrano un potenziale effetto sinergico combinando selenio e argento con nanotubi di titanio.

L'infezione dell'articolazione periprotesica (PJI) rimane ancora una delle complicanze più impegnative dopo l'artroplastica totale dell'articolazione (TJA) con un impatto drammatico sulla morbilità e mortalità dei pazienti, nonché un onere socioeconomico per il sistema sanitario pubblico1,2,3 ,4,5,6.

A causa del continuo aumento della resistenza agli antibiotici, sono stati compiuti molti sforzi per sviluppare nuovi approcci terapeutici antimicrobici7. La formazione di nanotubi di biossido di titanio (TiO2) (TNT) ha già attirato l'attenzione grazie al loro potenziale antibatterico e osteointegrativo sulle superfici di interesse ortopedico8,9,10. È stato proposto che il TNT riduca i batteri sulle superfici del titanio inibendo l'adesione batterica. Ciò è possibile grazie ad una maggiore idrofilicità e ad una ridotta agglomerazione delle cellule batteriche dovuta alla struttura tubolare del TNT11. Un'altra opzione è applicare un rivestimento con proprietà battericide sulla superficie dell'impianto. È stato studiato l'uso di ioni che uccidono i batteri come argento12,13,14,15,16, zinco17 o selenio18,19,20,21,22 e gli impianti rivestiti in argento sono già disponibili in commercio. Inoltre, a differenza del meccanismo antibatterico del TNT, questi metalli uccidono le cellule batteriche mediante rilascio di ioni10. Questo effetto può essere aumentato utilizzando nanoparticelle di questi metalli10. Inoltre, l'uso del TNT ha dimostrato di aumentare il potenziale osteogenico23 che potrebbe essere riportato anche per il selenio21,24. Tuttavia, vi sono prove che i composti dell’argento potrebbero essere in grado di influenzare negativamente l’osteogenesi a causa di effetti citotossici25. Pertanto, anche se alcuni studi retrospettivi potrebbero mostrare una diminuzione del PJI nei pazienti ad alto rischio, al momento non ci sono prove sufficienti per supportare l'uso globale degli ioni d'argento sui pazienti sottoposti regolarmente ad artroprotesi26. Uno studio di Holinka et al.27 ha rivelato una diminuzione della crescita cellulare batterica e della formazione di biofilm di Staphylococcus aureus e Staphylococcus epidermidis (S. epidermidis) quando viene utilizzato il selenio. Tuttavia, l’uso di meccanismi di drogaggio/ammollo per incorporare il selenio sulla superficie nanostrutturata rende la deposizione di selenio meno controllabile. L'idrossiapatite (HA) è uno degli additivi più comunemente utilizzati sugli impianti non cementati. Il minerale inorganico costituito da un composto di idrossido di fosfato di calcio rappresenta il gold standard per gli agenti osteoinduttivi.