Адгезия Staphylococcus aureus на медицинских имплантатах из титана и полипропилена: сравнительное исследование

Обложка


Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Обоснование. Инфекционные осложнения, связанные с использованием медицинских имплантатов, представляют собой серьезную проблему, особенно в случае использования материалов, склонных к колонизации бактериями и образованию биопленок. Staphylococcus aureus является одним из наиболее значимых патогенов, вызывающих имплантат-ассоциированные инфекции. Физико-химические свойства поверхности имплантатов, такие как шероховатость, гидрофобность и химический состав, влияют на адгезию микроорганизмов. В настоящее время недостаточно сравнительных данных об адгезии Staphylococcus aureus на различных материалах, используемых в гинекологической практике, включая полипропилен и титан. Изучение этого процесса необходимо для снижения риска инфекционных осложнений и оптимизации свойств имплантатов.

Цель исследования — провести сравнительный анализ адгезии Staphylococcus aureus на титановых и полипропиленовых имплантатах с оценкой влияния их физико-химических характеристик на процесс бактериального прикрепления.

Методы. В экспериментальном сравнительном исследовании in vitro использовали два типа медицинских сетчатых имплантатов: полипропиленовый (Gynemesh PS, Johnson & Johnson, США) и титановый («Титановый шелк», ООО «Эластичные титановые имплантаты», Россия). Для оценки адгезивных свойств суточную культуру Staphylococcus aureus VT209 инкубировали с образцами имплантатов при температуре 37℃ в течение 1 ч. После промывания имплантатов проводили количественный анализ адгезированных бактерий методом посева на питательную среду. Для изучения микроструктуры и химического состава поверхности применяли сканирующую электронную микроскопию и рентгеноспектральный микроанализ.

Результаты. Количественные показатели адгезии Staphylococcus aureus на титановых и полипропиленовых сетках были сходными (p >0,05), однако по распределению бактерий на поверхности материалы отличались. На полипропиленовых имплантатах бактерии адгезировались равномерно, тогда как на титане наблюдали локальную концентрацию микроорганизмов на краевых участках. Сканирующая электронная микроскопия выявила наличие шероховатостей и микродефектов на краях титановых имплантатов, что, по-видимому, способствует повышенной бактериальной адгезии. Рентгеноспектральный микроанализ показал различия по химическому составу центральной и краевой зон титановых имплантатов: в краевых областях присутствовали дополнительные элементы (углерод, кислород, фтор, железо), вероятно, связанные с механической обработкой и окислительными процессами.

Заключение. Несмотря на сопоставимое количество адгезированных бактерий на титановых и полипропиленовых имплантатах, выявленные различия в распределении микроорганизмов указывают на повышенный риск инфекционных осложнений в зонах механической обработки титана. Необходимо дальнейшее изучение способов модификации поверхности титановых имплантатов для минимизации адгезии бактерий, включая улучшение методов их обработки и применение антимикробных покрытий. Полученные результаты можно использовать для разработки более безопасных медицинских имплантатов и снижения частоты имплантат-ассоциированных инфекций.

Об авторах

Олег Александрович Иванов

Первый Санкт-Петербургский медицинский университет им. акад. И.П. Павлова; Городская Мариинская больница

Автор, ответственный за переписку.
Email: ivanoffmd@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-6596-4105
SPIN-код: 8620-9749

MD

Россия, Санкт-Петербург; Санкт-Петербург

Виталий Федорович Беженарь

Первый Санкт-Петербургский медицинский университет им. акад. И.П. Павлова

Email: bez-vitaly@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-7807-4929
SPIN-код: 8626-7555

д-р мед. наук, профессор

Россия, Санкт-Петербург

Виктор Вениаминович Тец

Первый Санкт-Петербургский медицинский университет им. акад. И.П. Павлова

Email: vtetzv@yahoo.com
ORCID iD: 0000-0001-9047-6763
SPIN-код: 4014-5771

д-р мед. наук, профессор

Россия, Санкт-Петербург

Петр Михайлович Паластин

Первый Санкт-Петербургский медицинский университет им. акад. И.П. Павлова; Городская Мариинская больница

Email: palastin.petr@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3502-2499
SPIN-код: 8008-8723

канд. мед. наук

Россия, Санкт-Петербург; Санкт-Петербург

Кристина Малдесовна Кардава

Первый Санкт-Петербургский медицинский университет им. акад. И.П. Павлова

Email: j_espere@yahoo.com
ORCID iD: 0000-0002-3325-9436
SPIN-код: 2471-3143
Россия, Санкт-Петербург

Данил Лятифович Панкратов

Первый Санкт-Петербургский медицинский университет им. акад. И.П. Павлова

Email: danil.pankratov@yahoo.com
ORCID iD: 0009-0009-9391-8200
SPIN-код: 6488-6900
Россия, Санкт-Петербург

Анастасия Павловна Никитина

Первый Санкт-Петербургский медицинский университет им. акад. И.П. Павлова

Email: nikitina.anastasiia@yahoo.com
ORCID iD: 0009-0004-0929-5826
SPIN-код: 8487-1890
Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

  1. Bezhenar VF, Bogatyreva EV, Pavlova NG; Ailamazyan EK, editor. Pelvic organ prolapse in women: etiology, pathogenesis, diagnostic principles. Saint Petersburg: N–L; 2010. 47 p. (In Russ.) EDN: QLSJPP
  2. Popov AA, Krasnopolskaya IV, Tyurina SS, et al. Sacrospinous fixation in pelvic organ prolapse treatment during the mesh technology era. Russian Bulletin of Obstetrician-Gynecologist. 2013;13(2):36–41. (In Russ.) EDN: OVZHQI
  3. Maurer MM, Rohrnbauer B, Feola A, et al. Mechanical biocompatibility of prosthetic meshes: a comprehensive protocol for mechanical characterization. J Mech Behav Biomed Mater. 2014;40:42–58. EDN: UXATMF doi: 10.1016/j.jmbbm.2014.08.014
  4. Feiner B, Jelovsek JE, Maher C. Efficacy and safety of transvaginal mesh kits in the treatment of prolapse of the vaginal apex: a systematic review. BJOG. 2009;116(1):15–24. doi: 10.1111/j.1471-0528.2008.02023.x
  5. Haylen BT, Freeman RM, Swift SE, et al. An International Urogynecological Association (IUGA)/International Continence Society (ICS) joint terminology and classification of the complications related directly to the insertion of prostheses (meshes, implants, tapes) and grafts in female pelvic floor surgery. Neurourol Urodyn. 2011;30(1):2–12. doi: 10.1002/nau.21036
  6. Chien H, Kumakura E, Koyama M. Iliosacral bacterial arthritis and rectoperitoneal abscess after tension-free vaginal mesh reconstruction. Int Urogynecol J. 2009;21(6):753–755. doi: 10.1007/s00192-009-0855-4
  7. Krasnopolskii VI, Popov AA, Abramyan KN, et al. Complications of extraperitoneal colpopexy using mesh prostheses: results of a multicenter study. Russian Bulletin of Obstetrician-Gynecologist. 2010;10(6):53–57. EDN: OJNSYO
  8. Li K, Yang X, Leng J, et al. Calcium peroxide nanoparticles-embedded coatings on anti-inflammatory TiO2 nanotubes for bacteria elimination and inflammatory environment amelioration. Small. 2021;17(47):2102907. EDN: OCZJLC doi: 10.1002/smll.202102907
  9. Vincenzo F, Del Gaudio A, Petito V, et al. Gut microbiota, intestinal permeability, and systemic inflammation: a narrative review. Emerg Med. 2024;19(2):275–293. EDN: SRRILJ doi: 10.1007/s11739-023-03374-w
  10. Schoultz I, Keita ÅV. The intestinal barrier and current techniques for the assessment of gut permeability. Cells. 2020;9(8):1909. EDN: ISCPDC doi: 10.3390/cells9081909
  11. Calabrese G, Franco D, Petralia S, et al. Dual-functional nano-functionalized titanium scaffolds to inhibit bacterial growth and enhance osteointegration. Nanomaterials. 2021;11(10):2634. EDN: LRHEOT doi: 10.3390/nano11102634
  12. Verhorstert K, Guler Z, Boer L, et al. In vitro bacterial adhesion and biofilm formation on fully absorbable poly-4-hydroxybutyrate and nonabsorbable polypropylene pelvic floor implants. ACS Appl Mater Interfaces. 2020;12(48):53646–53653. EDN: YSSMLK doi: 10.1021/acsami.0c14668
  13. Vadakkumpurath S, Venugopal A, Ullattil S. Influence of micro-textures on antibacterial behaviour of titanium-based implant surfaces: in vitro studies. Biosurface and Biotribology. 2019;5(1):20–23. doi: 10.1049/bsbt.2018.0023
  14. Hu Y, Zhou W, Zhu C, et al. The synergistic effect of nicotine and Staphylococcus aureus on peri-implant infections. Front Bioeng Biotechnol. 2021;9:658380. EDN: DHNPHB doi: 10.3389/fbioe.2021.658380
  15. Chen J, Zhu Y, Xiong M, et al. Antimicrobial titanium surface via click-immobilization of peptide and its in vitro/vivo activity. ACS Biomater Sci Eng. 2018;5(2):1034–1044. doi: 10.1021/acsbiomaterials.8b01046
  16. Arciola CR, Campoccia D, Speziale P, et al. Biofilm formation in Staphylococcus implant infections. A review of molecular mechanisms and implications for biofilm-resistant materials. Biomaterials. 2012;33(26):5967–5982. EDN: PHCDQV doi: 10.1016/j.biomaterials.2012.05.031
  17. Tetz GV, Artemenko NK, Tetz VV. Effect of DNase and antibiotics on biofilm characteristics. Antimicrob Agents Chemother. 2009;53(3):1204–1209. EDN: LLRUFZ doi: 10.1128/AAC.00471-08
  18. Sysolyatina E, Petryakov A, Abdulkadieva M, et al. Use of non-thermal plasma for decontamination of titanium implants. Journal of Physics: Conference Series. 2022;2270:012045. EDN: QXAJKH doi: 10.1088/1742-6596/2270/1/012045
  19. Whitehead K, Li H, Kelly P. The antimicrobial properties of titanium nitride/silver nanocomposite coatings. Journal of Adhesion Science and Technology. 2011;25(17):2299–2315. doi: 10.1163/016942411X574970
  20. Filipović U, Dahmane RG, Ghannouchi S, et al. Bacterial adhesion on orthopedic implants. Adv Colloid Interface Sci. 2020;283:102228. EDN: PFRTRX doi: 10.1016/j.cis.2020.102228
  21. Li P, Tong Z, Huo L, et al. Antibacterial and biological properties of biofunctionalized nanocomposites on titanium for implant application. J Biomater Appl. 2016;31(2):205–214. doi: 10.1177/0885328216645951
  22. Yeo IS, Kim HY, Lim KS, et al. Implant surface factors and bacterial adhesion: a review of the literature. Int J Artif Organs. 2012;35(10):762–772. doi: 10.5301/ijao.5000154
  23. Nakhaei K, Ishijima M, Ikeda T, et al. Ultraviolet light treatment of titanium enhances attachment, adhesion, and retention of human oral epithelial cells via decarbonization. Materials. 2020;14(1):151. EDN: RDAWAZ doi: 10.3390/ma14010151
  24. Mayorga-Martinez C, Zelenka J, Klíma K, et al. Multimodal-driven magnetic microrobots with enhanced bactericidal activity for biofilm eradication and removal from titanium mesh. Adv Mater. 2023;35(23):2300191. EDN: JYSVAJ doi: 10.1002/adma.202300191
  25. Tambone E, Bonomi E, Ghensi P, et al. Rhamnolipid coating reduces microbial biofilm formation on titanium implants: an in vitro study. BMC Oral Health. 2021;21(1):49. EDN: EROFOI doi: 10.1186/s12903-021-01412-7
  26. Schmitz M, Riool M, Boer L, et al. Development of an antimicrobial peptide saap-148-functionalized supramolecular coating on titanium to prevent biomaterial-associated infections. Adv Mater Tech. 2023;8(13):2201846. EDN: ZJWHWS doi: 10.1002/admt.202201846
  27. Reśliński A, Dąbrowiecki S, Głowacka K. Biofilm formation on biomaterials used in hernia surgery. Med Biol Sci. 2014;28(3):35–44. doi: 10.12775/mbs.2014.023
  28. Sarfraz S, Mäntynen P, Laurila M, et al. Effect of surface tooling techniques of medical titanium implants on bacterial biofilm formation in vitro. Materials. 2022;15(9):3228. EDN: ONEJMC doi: 10.3390/ma15093228
  29. Döll K, Fadeeva E, Stumpp N, et al. Reduced bacterial adhesion on titanium surfaces micro-structured by ultra-short pulsed laser ablation. Bionanomaterials. 2016;17(1–2):53–57. doi: 10.1515/bnm-2015-0024
  30. Tapalskii DV, Nikolaev NS, Ovsyankin AV, et al. Coatings based on two-dimensionally ordered linear chain-like carbon for protecting titanium implants from microbial colonization. Traumatology and Orthopedics of Russia. 2019;25(2):111–120. EDN: WSDMXP doi: 10.21823/2311-2905-2019-25-2-111-120
  31. Gvetadze RSh, Dmitrieva NA, Voronin AN. Features of microorganism adhesion to dental materials used for gingival contour formation in implant-supported prosthetics. Stomatology. 2019;98(5):118–123. EDN: SPABNC doi: 10.17116/stomat201998051118
  32. Brusnitsyna EV, Ginkel DA, Prikhodkin AS, et al. Efficacy of topical fluoride application: a systematic review. Pediatric Dentistry and Prevention. 2023;23(1):70–82. EDN: LKSFUM doi: 10.33925/1683-3031-2023-598

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
2. Рис. 1. Сравнительное распределение колоний Staphylococcus aureus на титановой (a) и полипропиленовой (b) сетках после инкубации.

Скачать (117KB)
3. Рис. 2. Сканирующая электронная микроскопия титанового имплантата: центральной части (a–c) и краевой части (d–f).

Скачать (332KB)
4. Рис. 3. Рентгеноспектральный микроанализ центральной части титанового имплантата: электронный микроскопический снимок (a) и спектры элементов (b), демонстрирующие присутствие титана, углерода и кислорода.

Скачать (109KB)
5. Рис. 4. Рентгеноспектральный микроанализ краевой части титанового имплантата: электронный микроскопический снимок (a) и спектры элементов (b), демонстрирующие присутствие титана, углерода, кислорода, алюминия, хрома, ванадия, железа и фтора.

Скачать (159KB)

© Эко-Вектор, 2025

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».