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2016年10月期刊俱乐部:生物材料表面粗糙度的演化
以种植体相关感染为例,本文从生物材料表面粗糙度影响细菌粘附的力学角度进行讨论:
1.植入物相关感染是许多生物医学设备失败的主要原因,是由细菌附着在生物材料表面引起的。种植体相关感染难以治疗,例如关节置换感染可能发生在人工种植体周围深部。
2.微生物粘附和随后生物膜的形成是由范德华引力、静电斥力和表面疏水性介导的。这些力的优势取决于微生物与表面之间的距离,通常在距离大于50纳米时,范德华力是主要因素,而在更近的距离(10 - 20纳米),范德华力和静电相互作用的组合控制细胞粘附。
3.种植体表面粗糙度是与细菌粘附过程相关的重要特性,表面的不规则性通常促进细菌粘附和定殖。
4.对于医用植入物中使用的金属,所需的表面粗糙度通常低于10纳米。在纳米尺度上,粗糙的表面促进摩擦,从而降低细菌的流动性;这种无梗环境加速了生物膜的生长。
5.为了降低医用植入物表面的粗糙度,纳米表面形貌是控制细菌粘附程度的重要手段。
6.植体周围有软硬组织,还有腐蚀性的体液。初始纳米级光滑表面的粗糙度是否会增长或衰减对于植入设备至关重要。
7.对于应力金属植入体,在浅化学蚀刻下,空间频率低于某一临界值的粗糙度增大,频率较高的粗糙度衰减。
8.粗糙的表面对电子逃离峰的约束较低,导致化学势较低。
引用:
谭宏(2016)应力金属植入体的体内表面粗糙度演化.固体力学与物理学报,95,430 - 440。
Truong, v.k., Pham, v.t.h., Medvedev, A., Lapovok, R., Estrin, Y., Lowe, t.c., Baulin, V., Boshkovikj, V., Fluke, c.j., Crawford, r.j., Ivanova, E.P. (2015)钛表面的自组织纳米结构影响金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌的附着.达成。Microbiol。生物技术,99,6831-6840。
Ryu, j.j., Shrotriya, P. (2015)机械载荷辅助生物医用钴铬和钛金属合金的溶解响应:平面内应力和化学环境的影响.穿332-333,662-668。
Desrousseaux, C., Cueff, R., Aumeran, C., Garrait, G., mailhotjensen, B., Traoré, O., Sautou, V. (2015)基于阳极氧化铝模板的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯纳米结构的制备、表征及表皮葡萄球菌生物膜显影试验.10,文章编号e0135632。
尤达,我,小关,H.,富田,M.,石田,T.,堀内,H.,佐田,H.,大崎,M. (2014)生物材料表面粗糙度对表皮葡萄球菌粘附的影响.BMC微生物学14,234-240。
王健,姚健,高宏(2012)粘性:柔软的弹性体在波浪形表面上的附着力.理论与应用力学通讯,第014002条。
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评论
表面粗糙能赶走细菌
来自materialtoday的新闻:
米兰理工大学、麻省理工学院、东北大学、剑桥大学和阿卜杜勒阿齐兹国王大学的研究人员表示,一个简单的过程,即使金属生物医学植入物的表面变得粗糙,改变颗粒大小,可以阻止导致手术后感染和并发症的细菌。
Sara Bagherifard, Daniel J. Hickey, Alba C. de Luca, Vera N. Malheiro, Athina E. Markaki, Mario Guagliano, Thomas J. Webster(2015)纳米结构特征对严重喷孔316L不锈钢上细菌粘附和骨细胞功能的影响。生物材料学报73,185-197。
表面粗糙能赶走细菌
谢谢你给我们的论文划重点。这是一种纯粹的机械处理,在不影响处理材料的生物相容性的情况下诱导分层表面粗糙度。这种表面粗糙度特别减少了革兰氏阳性细菌对表面的粘附。
处理本身也增强了处理过的金属材料的机械性能,因此我想说它在改善材料功能的不同方面是有效的。
革兰氏阴性细菌
谢谢你,萨拉,这是一个非常有趣的实验工作。你能解释一下为什么革兰氏阴性菌的表面粗糙度对粘附性的影响不是那么大吗?也许这里的机万博体育平台械师可以做一些模型?
问候,亨利。
不同的膜特性
的确是个有趣的话题。我们假设革兰氏阴性菌的不同反应可能是由于其肽聚糖层周围有额外的外膜,这可能在与底物材料的纳米特性相互作用时产生缓冲作用。这将是一个很好的互动模型,如果你对这个主题感兴趣,我们很乐意为你提供任何你可能需要的额外数据。
最好的,莎拉
缓冲效果
是的,我们对细菌的纳米特性和植入材料之间相互作用的缓冲作用很感兴趣。了解革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌的粘附机制对不同类型种植体相关感染的治疗具有重要意义。
亨利,
亨利,
谢谢分享这个有趣的话题。关于粗糙度的描述,空间频率和振幅是否足以表征相互作用?我认为各向同性和各向异性的粗糙度模式将发挥不同的作用。
箱子
常规粗糙度参数
我完全同意,传统的表面粗糙度参数似乎不足以描述表面的形态了。这实际上是一个导致文献中大量关于细胞/细菌与粗糙底物相互作用的矛盾数据的问题。我相信必须开发新的方法来表征纳米和微特征的空间分布。
粗糙度演化:各向同性->各向异性
彬,你提出了一个很有挑战性的话题。之前我们从理论和实验上证明,当浸没在腐蚀性液体中并受到非等双轴平面内应力加载时,具有初始各向同性粗糙度的金属表面会自动发展成各向异性。
K.-S。Kim, J. A. Hurtado和H. Tan (1999)纳米尺度化学蚀刻中应力引起的表面粗糙度谱的演化、phy。Rev. Lett. 83,3872 - 3875。
许多材料的表面性能,如表面流动性和润湿性,取决于糙度张量.我们必须在实验和理论上澄清这种依赖关系,以便修正Sara提到的文献中大量相互矛盾的数据。
各向异性细胞行为
这篇论文对各向异性细胞行为很感兴趣:
克劳奇,米勒D,吕ebke KJ,胡伟(2009)各向异性细胞行为与地形纵横比的相关性.生物材料30,1560-7