Composited silk fibroins ensured adhesion stability and magnetic controllability of Fe3O4-nanoparticle coating on implant for biofilm treatment

丝绸 可控性 粘附 材料科学 涂层 纳米颗粒 生物膜 植入 化学工程 复合材料 纳米技术 数学 工程类 外科 医学 生物 细菌 遗传学 应用数学
作者
Kecheng Quan,Zhinan Mao,Yupu Lu,Yu Qin,Shuren Wang,Chunhao Yu,Xuewei Bi,Hao Tang,Xiaoxiang Ren,Dafu Chen,Yan Cheng,Yong Wang,Yufeng Zheng,Dandan Xia
出处
期刊:Materials horizons [Royal Society of Chemistry]
卷期号:11 (13): 3157-3165 被引量:8
标识
DOI:10.1039/d4mh00097h
摘要

Magnetic propulsion of nano-/micro-robots is an effective way to treat implant-associated infections by physically destroying biofilm structures to enhance antibiotic killing. However, it is hard to precisely control the propulsion in vivo. Magnetic-nanoparticle coating that can be magnetically pulled off does not need precise control, but the requirement of adhesion stability on an implant surface restricts its magnetic responsiveness. Moreover, whether the coating has been fully pulled-off or not is hard to ensure in real-time in vivo. Herein, composited silk fibroins (SFMA) are optimized to stabilize Fe3O4 nanoparticles on a titanium surface in a dry environment; while in an aqueous environment, the binding force of SFMA on titanium is significantly reduced due to hydrophilic interaction, making the coating magnetically controllable by an externally-used magnet but still stable in the absence of a magnet. The maximum working distance of the magnet can be calculated using magnetomechanical simulation in which the yielding magnetic traction force is strong enough to pull Fe3O4 nanoparticles off the surface. The pulling-off removes the biofilms that formed on the coating and enhances antibiotic killing both in vitro and in a rat sub-cutaneous implant model by up to 100 fold. This work contributes to the practical knowledge of magnetic propulsion for biofilm treatment.
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