High-strength biodegradable zinc alloy implants with antibacterial and osteogenic properties for the treatment of MRSA-induced rat osteomyelitis

合金 材料科学 金黄色葡萄球菌 体内 极限抗拉强度 髓内棒 生物医学工程 植入 骨科手术 冶金 医学 外科 细菌 生物 遗传学 生物技术
作者
Bo Jia,Zechuan Zhang,Yifu Zhuang,Hongtao Yang,Yu Han,Qiang Wu,Xiufeng Jia,Yanhui Yin,Xinhua Qu,Yufeng Zheng,Kerong Dai
出处
期刊:Biomaterials [Elsevier BV]
卷期号:287: 121663-121663 被引量:91
标识
DOI:10.1016/j.biomaterials.2022.121663
摘要

Implant-related infections caused by drug-resistant bacteria remain a major challenge faced by orthopedic surgeons. Furthermore, ideal prevention and treatment methods are lacking in clinical practice. Here, based on the antibacterial and osteogenic properties of Zn alloys, Ag and Li were selected as alloying elements to prepare biodegradable Zn-Li-Ag ternary alloys. Li and Ag addition improved the mechanical properties of Zn-Li-Ag alloys. The Zn-0.8Li-0.5Ag alloy exhibited the highest ultimate tensile strength (>530 MPa). Zn-Li-Ag alloys showed strong bactericidal effects on methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) in vitro. RNA sequencing revealed two MRSA-killing mechanisms exhibited by the Zn-0.8Li-0.5Ag alloy: cellular metabolism disturbance and induction of reactive oxygen species production. To verify that the therapeutic potential of the Zn-0.8Li-0.5Ag alloy is greater than that of Ti intramedullary nails, X-ray, micro-computed tomography, microbiological, and histological analyses were conducted in a rat femoral model of MRSA-induced osteomyelitis. Treatment with Zn-0.8Li-0.5Ag alloy implants resulted in remarkable infection control and favorable bone retention. The in vivo safety of this ternary alloy was confirmed by evaluating vital organ functions and pathological morphologies. We suggest that, with its good antibacterial and osteogenic properties, Zn-0.8Li-0.5Ag alloy can serve as an orthopedic implant material to prevent and treat orthopedic implant-related infections.
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