スマートリリース機能を有するゲンタマイシン-シルクプロテインコーティングのチタン、ポリエチレン、AlO材料への抗菌応用

Antibacterial application of gentamicin-silk protein coating with smart release function on titanium, polyethylene, and AlO materials.

• Shang Sang
• Geyong Guo
• Jinlong Yu
• Xianlong Zhang

抄録

人工股関節や人工膝関節置換術後のインプラント周囲感染は、一般的かつ深刻な合併症である。人工関節材料として使用されているチタン（Ti），ポリエチレン（PE），および酸化アルミニウム（AlO）材料は，生体適合性と機械的強度に優れているが，抗菌効果はない。本研究は、抗菌効果のある人工関節材料を設計・製造するための理論的根拠を提供することを目的としています。本研究では，これらの材料の表面にゲンタマイシン-シルクプロテイン（GS-Silk）のコーティングを施した。GS-SilkをコーティングしたTi, PE, AlO材料（実験群）の特徴を明らかにし，抗菌性を調べるためにin vivoおよびin vitroの実験を行った。走査型電子顕微鏡により，GS-Silkのコーティングが成功したことを確認し，赤外分光法により，3つの材料へのゲンタマイシンの担持が成功したことを確認した。ナノスクラッチテストでは，GS-Silkコーティングがこれら3つの材料の表面上で比較的信頼できることが証明された。コーティングの抗菌効果は，in vitroの静菌リング試験，細菌付着試験，内皮下インプラント感染試験により検証された。GS-Silkコーティングは，Ti，PE，AlO材料にゲンタマイシンを効果的に担持し，溶液のpHを変化させることでゲンタマイシンの放出速度を変化させ，インテリジェントな放出を実現できることを実証した。GS-Silkコーティングは、これら3つの材料の表面で比較的信頼性が高い。GS-SilkでコーティングされたTi, PE, AlO材料は，in vivo, in vitroともに良好な抗菌力を有する。

Peri-implant infection after hip and knee arthroplasty is a common and serious complication. Titanium (Ti), polyethylene (PE), and AlO materials used as joint prosthesis materials have good biocompatibility and mechanical strength but no antibacterial effect. This study aimed to provide a theoretical basis for the design and manufacture of joint prosthesis materials with antibacterial effect. We applied a coating of gentamicin-silk protein (GS-Silk) on the surface of these materials. We characterized the Ti, PE, and AlO materials coated with GS-Silk (experimental group) and performed in vivo and in vitro experiments to test antibacterial activity. Scanning electron microscopy confirmed successful GS-Silk coating, and infrared spectroscopy confirmed successful loading of gentamicin onto the three materials. Nanoscratch test proved that the GS-Silk coating is relatively reliable on the surface of these three materials. The antibacterial effect of the coating in vitro and in vivo was verified by performing bacteriostatic ring test in vitro, bacterial adhesion test, and subendothelial implant infection test. We demonstrated that GS-Silk coating can effectively load gentamicin onto Ti, PE, and AlO materials and change the gentamicin release rate with a change in the solution pH to achieve intelligent release. The GS-Silk coating is relatively reliable on the surface of these three materials. Ti, PE, and AlO materials coated with GS-Silk have good antibacterial ability, both in vivo and in vitro.

Copyright © 2021 Elsevier B.V. All rights reserved.