Smart Implant with Bacteria Monitoring and Killing Ability for Orthopedic Applications

材料科学 生物相容性 电极 生物传感器 生物医学工程 粘附 植入 涂层 聚吡咯 介电谱 大肠杆菌 纳米技术 电化学 复合材料 聚合 化学 生物化学 外科 医学 冶金 聚合物 物理化学 基因
作者
Shengjie Liang,Meng‐Yuan Hu,Baoe Li,Dan Xia,Chunyong Liang,Feng Peng,Donghui Wang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (25): 29889-29901 被引量:8
标识
DOI:10.1021/acsami.3c03599
摘要

Bacterial infections around implants constitute a significant cause of implant failures. Early recognition of bacterial adhesion is an essential factor in preventing implant infections. Therefore, an implant capable of detecting and disinfecting initial bacterial adhesion is required. This study reports on the development of an intelligent solution for this issue. We developed an implant integrated with a biosensor electrode based on alternating current (AC) impedance technology to monitor the early growth process of Escherichia coli (E. coli) and its elimination. The biosensor electrode was fabricated by coating polypyrrole (PPy) doped with sodium p-toluenesulfonate (TSONa) on titanium (Ti) surfaces. Monitoring the change in resistance using electrochemical impedance spectroscopy (EIS), combined with an equivalent circuit model (ECM), enables the monitoring of the early adhesion of E. coli. The correlation with the classical optical density (OD) monitoring value reached 0.989. Subsequently, the eradication of bacteria on the electrode surface was achieved by applying different voltages to E. coli cultured on the electrode surface, which caused damage to E. coli. Furthermore, in vitro cellular experiments showed that the PPy coating has good biocompatibility and can promote bone differentiation.
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