Optimization of the deposition process of antibacterial nanoparticles on titanium-based materials with complex porosity

W obecnych czasach narażeni jesteśmy na różnego rodzaju schorzenia i dolegliwości związane z układem kostnym, wśród których najczęstszym jest osteoporoza, czyli choroba powodująca utratę gęstości kości i generująca większą ilość złamań. Skutkiem tego, rośnie ilość przeprowadzanych operacji, polegających na wszczepianiu implantów. Co więcej, powoduje to zwiększone zapotrzebowanie na nowe biomateriały.Powszechne stosowanie tego typu rozwiązań może pomóc wielu pacjentom, jednak z drugiej strony, są oni narażeni na wystąpienie zakażeń drobnoustrojami wokół wszczepionego implantu. Takie infekcje, zarówno śród-, jak i okołooperacyjne, mogą prowadzić do konieczności stosowania antybiotyków, przedłużonego pobytu w szpitalu, znacznych kosztów leczenia, a w skrajnych przypadkach nawet śmierci pacjenta. Równocześnie podawanie większych dawek leków niejednokrotnie powoduje uszkodzenia narządów, czy też podrażnienia żołądka. Dodatkowo, tradycyjnie stosowane antybiotyki mogą stać się nieskuteczne ze względu na rozwój lekooporności wśród wielu szczepów bakterii. Podobnie doustne czy dożylne podawanie antybiotyków często okazuje się mniej skuteczne i obarczone skutkami ubocznymi. Stąd też efektywnym środkiem do zwalczania okołoimplantacyjnych zakażeń bakteryjnych może być wzbogacenie implantu czynnikami antybakteryjnymi powodującymi hamowanie początkowej adhezji bakterii i późniejszego tworzenia biofilmu. Korzystną alternatywą dla antybiotykoterapii jest zastosowanie warstwy tlenku tytanu(IV) powstałej na powierzchni implantu jako nośnika leków lub nanocząstek o właściwościach antybakteryjnych. Daje to możliwość szybkiego oraz, co szczególnie istotne, bezpośredniego dostarczenia preparatów przeciwbakteryjnych tylko do miejsca zakażenia.Przedstawione w pracy wyniki dotyczą optymalizacji procesu osadzania nanocząstek antybakteryjnych, takich jak nanocząstki Ag oraz ZnO, na biomateriałach na bazie tytanu pokrytego nanostrukturalnym tlenkiem tytanu(IV) uzyskanym w wyniku procesu anodyzacji. Testowano zarówno chemiczne, jak i elektrochemiczne metody osadzania nanocząstek. Tak modyfikowane materiały badano pod kątem działania antybakteryjnego na szczepie bakterii Staphylococcus aureus. Uzyskane biomateriały mogą stanowić ciekawą alternatywę dla obecnie stosowanych implantów tytanowych.

Nowadays, we are exposed to various diseases and ailments associated with the skeletal system, among which the most common is osteoporosis, a disease that causes loss of bone density and generates a greater number of fractures. As a result, the number of operations carried out involving the implantation increases. Moreover, it causes an increased demand for new biomaterials.The widespread use of this type of solution can help many patients, but on the other hand, they are exposed to the occurrence of microbial infections around the implant. Such infections, both intra- and perioperative, may lead to the need of antibiotics, prolonged hospital stay, significant medical costs, and in extreme cases, even death of the patient. The administration of higher doses of drugs often causes damage to organs or stomach irritation. In addition, traditionally used antibiotics may become ineffective due to the development of drug resistance among many strains of bacteria. Similarly, oral or intravenous administration of antibiotics often turns out to be less effective and burdened with side effects. Therefore, one of the effective solutions to combat bacterial infections may be to enrich the implant with antibacterial agents that inhibit the initial adhesion of bacteria and subsequent biofilm formation. What is more, an advantageous alternative to antibiotic therapy is the use of titanium dioxide layer formed on the surface of the implant as a drug carrier or reservoir for antibacterial nanoparticles. This gives the possibility of rapid and, most importantly, direct delivery of antibacterial substances only to the site of infection.The results presented in the bachelor's thesis were focused on the optimization of the deposition process of antibacterial nanoparticles, such as Ag and ZnO nanoparticles, on titanium-based biomaterials coated with nanostructured titanium(IV) oxide obtained as a result of the anodization process. Both chemical and electrochemical methods of deposition of nanoparticles were tested. Such modified materials were examined for antibacterial activity on the Staphylococcus aureus bacterial strain. The obtained biomaterials can be an interesting alternative for currently used titanium implants.