Filme subțiri de acoperire a implanturilor, cu eliberare prelungită de medicament | [Thin films with prolonged drug release for coating implants]

Abstract

Introduction: Local drug delivery is an effective and promising procedure to prevent microbial adhesion to the surface of an implant and the formation of microbial biofilms. In this way, a high concentration of the drug can be achieved at the right site, which ultimately reduces the total duration of antibiotic treatment. The main objective of the study: To produce and evaluate the behavior of new thin films for implant coatings, containing drugs embedded in a bioglass and biocompatible polymer matrix. Results and discussions: New bioactive glass-polymer-antibiotic composites were produced by matrix-assisted pulsed laser evaporation, and deposited in uniform thin films on 316L stainless steel substrates, of the type used in implants. The synthesized structures were analyzed from a structural, compositional, bioactivity, and antimicrobial effect point of view, using advanced and complementary methods. The obtained films have average thicknesses of ~ 500 nm and consist of a fairly smooth, dense, and homogeneous matrix, on which isolated and merged spheroidal particles with an irregular distribution were grown. Energy dispersive X-ray spectroscopy identifies the formation of biological apatite after 42 days of immersion of the samples in simulated human fluid, proof of the bioactivity of the films. The antibiotic incorporated in the obtained nanostructures undergoes a gradual dissolution in simulated human fluid, thus ensuring high efficiency of the local treatment. The biocompatibility test used the mammalian cell line MG63 and showed that the obtained nanostructured composite films are non-cytotoxic. The antimicrobial effect of the coatings was tested against strains of Staphylococcus aureus and Escherichia coli, usually present in implant-associated infections. The studied films showed a strong anti-biofilm activity against these strains. Conclusions: Thin films of bioglass-PMMA-doxycycline composite deposited on stainless steel substrates have many advantages: they are bioactive, prevent implant degradation, and release harmful metal ions (Cr, Ni, Cu) into the body. At the same time, their dissolution in human body fluids is accompanied by a prolonged release of active drug molecules, an ideal circumstance for the prevention of local infections.

Rezumat

Introducere: Eliberarea locală a medicamentelor reprezintă o procedură eficientă și promițătoare de prevenire a aderenței microbilor la suprafața unui implant și formarea de biofilme microbiene. În acest mod se poate obține o concentrație mare de medicament la locul potrivit, care reduce în cele din urmă durata totală a tratamentului cu antibiotice. Obiectivul principal al studiului: Realizarea și evaluarea comportamentului pentru noi filme subțiri de acoperire a implanturilor, ce conțin medicament înglobat într-o matrice de biosticlă și polimer biocompatibil. Rezultate și discuții: Au fost realizate noi compozite bioactive din sticlă-polimer-antibiotic prin evaporare cu laser pulsat, asistată de o matrice, depuse în filme subțiri uniforme pe substraturi din oțel inoxidabil 316L, de tipul celor utilizate în implanturi. Structurile sintetizate au fost analizate din punct de vedere structural, compozițional, al bioactivității și al efectului antimicrobian, prin metode avansate și complementare. Filmele obținute au grosimi medii de ~ 500 nm și constau dintr-o matrice destul de netedă, densă și omogenă, pe care au fost crescute particule sferoidale izolate și îmbinate cu o distribuție neregulată. Spectroscopia cu raze X cu dispersie de energie identifică formarea de apatită biologică după 42 de zile de imersie a probelor în fluid uman simulat, o dovadă a bioactivității filmelor. Antibioticul încorporat în nanostructurile obținute suferă o dizolvare treptată în fluid uman simulat, asigurând astfel o eficiență mare a tratamentului local. Testul de biocompatibilitate a utilizat linia celulară de mamifer MG63 și a arătat că filmele compozite nanostructurate obținute sunt necitotoxice. Efectul antimicrobian al acoperirilor a fost testat împotriva tulpinilor de Staphylococcus aureus și Escherichia coli, prezente de obicei în infecțiile asociate implantului. Filmele studiate au prezentat o activitate anti-biofilm puternică împotriva acestor tulpini. Concluzii: Filmele subțiri de compozit biosticlă – PMMA- doxiciclină depuse pe substraturi din oțel inoxidabil au o mulțime de avantaje: sunt bioactive, împiedică degradarea implantului și eliberarea ionilor metalici nocivi (Cr, Ni, Cu) în organism. Totodată, dizolvarea lor în fluidele corpului uman este însoțită de o eliberare prelungită de molecule active de medicament, o circumstanță ideală pentru prevenirea infecțiilor locale.