Effetto dell'ossidazione elettrochimica e del caricamento di farmaci sulle proprietà antibatteriche e sulla biocompatibilità cellulare dei substrati di titanio

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 8595 (2022) Citare questo articolo

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Una combinazione di \({\text{ TiO}}_{2}\) array di nanotubi (TON) e sistema di rilascio controllato del farmaco viene utilizzata per fornire proprietà superficiali migliorate degli impianti in titanio. Il processo di anodizzazione elettrochimica viene utilizzato per generare TON per introdurre la vancomicina, un farmaco antibatterico efficace contro lo Staphylococcus aureus. La vancomicina caricata con TON viene quindi rivestita con una serie di strati di gelatina al 10% utilizzando la tecnica di rivestimento a rotazione. Il film di gelatina è rinforzato con nanoparticelle di ossido di grafene (GO) per migliorare la bioattività superficiale. La superficie dei campioni è caratterizzata mediante microscopia elettronica a emissione di campo (FESEM), spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (EDS) e misurazione dell'angolo di contatto. I risultati mostrano che il TON è stato costruito e che le molecole di vancomicina sono state caricate con successo. Lo studio sul rilascio del farmaco mostra che la quantità di vancomicina rilasciata è controllata dallo spessore degli strati di gelatina. Con un aumento degli strati di pellicola di gelatina da 3 a 7, il rilascio di vancomicina nella fase di rilascio burst è diminuito dal 58 al 31% e il rilascio prolungato si è esteso da 10 a 17 giorni. L'aggiunta di nanoparticelle GO sembra ridurre il rilascio del farmaco dal 31 al 22% (fase di rilascio burst) e il rilascio prolungato del farmaco (da 17 a 19 giorni). Il test MTT indica che i campioni non mostrano citotossicità e la combinazione di nanoparticelle GO con rivestimento di gelatina potrebbe promuovere fortemente la proliferazione delle cellule MG63. L'immersione dei campioni nella soluzione SBF dopo 3 e 7 giorni dimostra che i cristalli di idrossiapatite si sono depositati sulla superficie di TON con rivestimento di gelatina GO più che sulla superficie di TON con gelatina. Inoltre, sulla base dei risultati del test di diffusione del disco, entrambi i campioni (caricati con vancomicina e rivestiti con gelatina e gelatina-GO) con zone di inibizione pari a 20 mm mostrano proprietà antibatteriche efficaci contro S. aureus. Le prove dimostrano che il nanotubo di titanio caricato con vancomicina e rivestito con gelatina-GO ha un grande potenziale di applicabilità generale al campo degli impianti ortopedici.

Il titanio e le sue leghe sono tra i materiali metallici più utilizzati nel campo degli impianti ortopedici e dentali1,2,3. Le proprietà desiderabili, tra cui resistenza alla trazione e modulo elastico, elevata biocompatibilità e basso rischio di allergie, li rendono candidati idonei per queste applicazioni4,5,6. Tuttavia, gli impianti a base di Ti presentano alcune carenze tra cui scarsa osteointegrazione, bassa osteogenesi e infezione batterica nel sito dell'impianto che possono portare al fallimento dell'impianto, soprattutto in caso di uso prolungato7,8,9. Generalmente, la scarsa osteointegrazione degli impianti a base di Ti si verifica a causa della superficie bioinerte, della produzione eccessiva di specie reattive dell'ossigeno (ROS) all'interfaccia e dell'infezione batterica dopo l'intervento chirurgico10. Di conseguenza, vengono comunemente considerate due strategie per moderare questi problemi, tra cui l'aumento della proliferazione delle cellule degli osteoblasti e l'inibizione dell'infezione batterica11,12.

Gli antibiotici per via endovenosa o orale a lungo termine rappresentano i principali approcci tradizionali per il trattamento delle infezioni batteriche dopo l'intervento chirurgico di impianto13, che presentano gravi inconvenienti tra cui effetti collaterali dannosi, tossicità, biodistribuzione non uniforme e minore biodisponibilità14,15. Lo Staphylococcus aureus è considerato il principale batterio che causa l'infezione dell'impianto dopo l'intervento chirurgico16,17,18. La secrezione di questi batteri sulle superfici degli impianti forma biofilm che li proteggono dal sistema immunitario e dagli agenti antibatterici. Di conseguenza, il trattamento con antibiotici è diventato una questione vitale19. Poiché i batteri e le cellule degli osteoblasti sono in competizione per l’attaccamento, gli impianti con caratteristiche superficiali antibatteriche possono ridurre l’attaccamento batterico e la formazione di colonie in modo da poter essere utilizzati per il trattamento dei difetti ossei20,21. Biomateriali avanzati dotati di rilascio prolungato e localizzato di agenti antibatterici potrebbero promuovere il processo di guarigione/rigenerazione dei tessuti più suscettibili alle infezioni batteriche (ad esempio ossa, pelle, tessuto cardiaco)22,23,24,25.