Novel dual-functional implants via oxygen non-thermal plasma and quaternary ammonium to promote osteogenesis and combat infections

材料科学 植入 生物膜 热稳定性 表面改性 有机硅 共价键 铵 抗菌活性 粘附 接触角 生物医学工程 化学工程 复合材料 高分子化学 有机化学 化学 细菌 外科 医学 工程类 生物 遗传学
作者
Wen Zhou,Xianlong Wang,Zhen Li,Hongyan Zhao,Michael D. Weir,Lei Cheng,Hockin H.K. Xu,Xiaojing Huang
出处
期刊:Dental Materials [Elsevier BV]
卷期号:38 (1): 169-182 被引量:12
标识
DOI:10.1016/j.dental.2021.12.001
摘要

Implant-related infections are a primary reason for implant failures that affect millions of patients. It is of paramount importance to develop novel implants that possess the dual functions of osteogenesis-promotion and antibacterial activity. The objectives of this study were to: (1) develop novel dual-functional titanium (Ti) implants by combining oxygen non-thermal plasma and covalent bonding of antibacterial organosilicon quaternary ammonium monomers; (2) investigate the physicochemical properties, bioactivity and antibacterial effects of the modified implants for the first time.Surface characteristics of the modified Ti surfaces were tested. Adherence and viability of rat bone marrow-derived stem cells (rBMSCs) on the surface were evaluated. Metabolic activity of biofilm on the surfaces were measured. The stability of the dual-function after 5000 thermal cycles was also evaluated.The presence of chemical bonding between Ti and organosilicon monomers demonstrated covalent immobilization of the antibacterial agents. The water contact angle of the treated Ti surfaces decreased from 70.98 ± 3.68° to 59.86 ± 4.91°. The adhesion and proliferation of rBMSCs on the modified Ti were increased by 40%, compared to control group (P < 0.05). The metabolic level of biofilms on modified Ti were reduced by more than half, compared to control (P < 0.05). The modified Ti implants exhibited cell-promotion and antibacterial stability after thermal cycles.The new dual-functional Ti implant is promising to promote osteogenesis while simultaneously preventing infections. Furthermore, the novel surface modification and processing methods have applicability to enhancing a wide range of other implants to improve bioactivity and combat infections.
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