Functional Nanomaterials and 3D-Printable Nanocomposite Hydrogels for Enhanced Cell Proliferation and for the Reduction of Bacterial Biofilm Formation

生物膜 自愈水凝胶 生物材料 粪肠球菌 材料科学 粘附 纳米技术 微生物学 金黄色葡萄球菌 细菌 纳米材料 生物 高分子化学 复合材料 遗传学
作者
Andisheh Motealleh,Didem Kart,Michael Czieborowski,S. Kehr
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:13 (36): 43755-43768 被引量:15
标识
DOI:10.1021/acsami.1c13392
摘要

Biomaterial-associated infections are a major cause of biomaterial implant failure. To prevent the initial attachment of bacteria to the implant surface, researchers have investigated various surface modification methods. However, most of these approaches also prevent the attachment, spread, and growth of mammalian cells, resulting in tissue integration failure. Therefore, the success of biomaterial implants requires an optimal balance between tissue integration (cell adhesion to biomaterial implants) and inhibition of bacterial colonization. In this regard, we synthesize bifunctional nanomaterials by functionalizing the pores and outer surfaces of periodic mesoporous organosilica (PMO) with antibacterial tetracycline (Tet) and antibacterial and cell-adhesive bipolymer poly-d-lysine (PDL), respectively. Then, the fabricated TetPMO-PDL nanomaterials are incorporated into alginate-based hydrogels to create injectable and 3D-printable nanocomposite (NC) hydrogels (AlgL-TetPMO-PDL). These bifunctional nanomaterial and 3D-printable NC hydrogel show pH-dependent release of Tet over 7 days. They also enhance the proliferation of eukaryotic cells (fibroblasts). TetPMO-PDL is inactive in reducing Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus, and Enterococcus faecalis biofilms. However, AlgL-TetPMO-PDL shows significant antibiofilm activity against P. aeruginosa. These results suggest that the incorporation of TetPMO-PDL into AlgL may have a synergistic effect on the inhibition of the Gram-negative bacterial (P. aeruginosa) biofilm, while this has no effect on the reduction of the Gram-positive bacterial (S. aureus and E. faecalis) biofilm.
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