Engineered Titanium Surfaces with Electrophoretically Deposited Graphene Oxide-Mesoporous Bioglass Nanocoatings for Enhanced Bone Regeneration and Antibacterial Activity.

چکیده اصلی

Multifunctional surface engineering of titanium implants that integrates osteogenic activity with localized antibacterial function is highly desirable yet remains challenging. Here, we report a nanostructured graphene oxide/mesoporous bioactive glass nanoparticle (GO/MBGN) nanocoating fabricated via electrophoretic deposition (EDP) using a chitosan-assisted strategy. An amine-functionalized mesoporous bioactive glass nanoparticle (MBGN-NH2) enables co-deposition with negatively charged GO, resulting in uniform and stable coatings with tunable nanotopography and composition. Structural and microscopic analyses confirm homogeneous incorporation of MBGN within the GO matrix while preserving the amorphous mesoporous structure, essential for ion release and drug loading. The GO/MBGN nanocoatings significantly enhance cellular responses in a composition-dependent manner. Notably, GO-10MBGN promotes improved cell spreading, focal adhesion, and proliferation of rat bone marrow-derived mesenchymal stem cells. Osteogenic differentiation is markedly upregulated, as evidenced by increased expression of alkaline phosphatase (ALP), collagen type I (COL I), and osteocalcin (OCN), attributed to combined effects of nanoscale surface features and sustained release of Ca2+ and SiO44- ions. Furthermore, gentamicin sulfate (GENT)-loaded MBGN endow controlled drug release, exhibiting an initial burst followed by sustained delivery over 6 weeks. This results in effective antibacterial activity against Staphylococcus aureus, with enhanced inhibition observed for higher MBGN content. Collectively, this work establishes that GO/MBGN nanocoatings possess both osteoinductive and antibacterial functionalities, offering a promising strategy for advanced titanium implants.

ترجمه فارسی چکیده

مهندسی سطح تیتانیوم ایمپلنت‌ها که هم‌زمان فعالیت استخوان‌سازی و عملکرد آنتی‌باکتریال محلی را ترکیب می‌کند، بسیار مطلوب اما چالش‌برانگیز است. در اینجا، ما یک پوشش نانویی اکسید گرافن/ذرات بیوگلس منفذ‌دار (GO/MBGN) را که از طریق رسوب الکتروفورتیک (EDP) با استفاده از استراتژی کمکی چیتوسان ساخته شده، گزارش می‌کنیم. ذرات بیوگلس منفذ‌دار با آمین‌تابع‌دار (MBGN-NH2) امکان هم‌رسوبی با GO منفی‌بار را فراهم می‌کند که منجر به پوشش‌های یکنواخت و پایدار با نانوتوپوگرافی و ترکیب قابل تنظیم می‌شود. تحلیل‌های ساختاری و میکروسکوپی، ادغام همگن MBGN در ماتریس GO را در حالی که ساختار منفذ‌دار آمورف را حفظ می‌کند، تأیید می‌کنند که برای آزادسازی یون و بارگذاری دارو ضروری است. پوشش‌های نانویی GO/MBGN پاسخ‌های سلولی را به طور قابل توجهی در یک روش وابسته به ترکیب بهبود می‌دهند. به طور خاص، GO-10MBGN گسترش، اتصال تکیه‌گاهی و تکثیر سلول‌های بنیادی مهندسی‌شده استخوانی موش را بهبود می‌بخشد. تفاوت‌ساز استخوان‌سازی به طور چشمگیری افزایش می‌یابد که با افزایش بیان فسفاز قلیایی (ALP)، کلاژن نوع ۱ (COL I) و اُستئوکالسین (OCN) نشان داده می‌شود که به اثرات ترکیبی ویژگی‌های سطح نانویی و آزادسازی مداوم یون‌های Ca2+ و SiO44- نسبت داده می‌شود. علاوه بر این، MBGN بارگذاری‌شده با سولفات گنتامایسین (GENT) قابلیت آزادسازی کنترل‌شده دارو را فراهم می‌کند که شامل یک انفجار اولیه و سپس تحویل پایدار در طول ۶ هفته است. این امر منجر به فعالیت آنتی‌باکتریال مؤثر در برابر استافیلوکوکوس آورئوس می‌شود و برای محتوای بالاتر MBGN، مهار افزایش‌یافته‌ای مشاهده می‌گردد. در مجموع، این کار نشان می‌دهد که پوشش‌های نانویی GO/MBGN دارای هر دو عملکرد استخوان‌ساز و آنتی‌باکتریال هستند و استراتژی امیدوارکننده‌ای برای ایمپلنت‌های پیشرفته تیتانیوم ارائه می‌دهند.

متن کامل اصلی