89-91 - Polskie Stowarzyszenie Biomateriałów

244
adhezja komórek
staphylococcus epidermidis
na powierzchni stopu ti6al4v
modifikowanych warstwami
bioceramicznymi
BeLcarz a. 1 *, BieniAś J. 2 , surowskA B. 2 , ginAlskA g. 1
1 katedra i zakład BioCHeMii,
uniwersytet medyczny w lublinie,
ul. CHodźki 1, 20-093, luBlin,
2 katedra inżynierii MateriałoWej,
Wydział MeCHaniCzny, PoliteCHnika luBelska,
ul. nAdbystrzyckA 36, 20-618 lublin,
mAilto: AnnA.belcArz@umlub.pl
[Inżynieria Biomateriałów, 89-91, (2009), 244-246]
wstęp
Tytan i jego stopy, jako materiał do produkcji implantów,
jest odporny na korozję, niealergizujący i stosunkowo
nietoksyczny, natomiast dość podatny na zużycie ścierne.
Pokrywanie ich powierzchni warstwą azotku tytanu powoduje
zwiększenie jego oporności na ścieranie i nie wywołuje
efektów alergicznych [1]. Jednakże na powierzchni zarówno
tytanu jak i powierzchni modyfikowanych azotkiem tytanu
obserwuje się znaczącą adhezję komórek bakteryjnych [2]
co może spowodować powstanie biofilmu bakteryjnego.
Postępowanie w przypadku opanowanego przez biofilm
implantu wiąże się z jego usunięciem, z agresywną kuracją
ogólnosystemową przy użyciu silnych antybiotyków,
a czasem nawet z koniecznością amputacji kończyny. W
celu zapobieżenia infekcjom bakteryjnym, podejmowane
są próby modyfikacji powierzchni implantów tytanowych
substancjami o aktywności antybakteryjnej takimi jak antybiotyki
[3] lub warstwami zmniejszającymi ryzyko adhezji
bakteryjnej [4,5].
W prezentowanej pracy przetestowano implanty ze stopu
tytanu Ti6Al4V modyfikowane warstwami TiN, SiO 2-TiO 2
oraz hydroksyapatytu (HAp). HAp zwiększa bioaktywność
układu, a warstwa tlenków stabilizuje ich przyczepność do
implantu. Celem pracy było określenie, czy tak wprowadzone
modyfikacje stopów tytanowych sprzyjają czy też
zapobiegają adhezji bakteryjnej i tworzeniu biofilmu przez
szczep S. epidemidis.
materiały i metody
Przedmiot badań stanowiły warstwy TiN, SiO 2-TiO 2 i HAp
na stopie tytanu Ti6Al4V (ASTM-grade 5) wytwarzane metodą
hybrydową. Warstwę TiN nałożono techniką azotowania
jarzeniowego (temp. 800 o C, ciśnienie 4hPa, czas procesu
3h). Następnie próbki dwukrotnie pokryto warstwą SiO 2-TiO 2
techniką zol-żel (obróbka cieplna warstwy w temp. 500 o C).
Warstwę zewnętrzną stanowił hydroksyapatyt (Chema-
Elektromet Co, Rzeszów) naniesiony metodą elektroforezy
i wygrzewany w 750 o C.
Oceny adhezji komórek bakteryjnych i tworzenia biofilmu
dokonano na odtłuszczonych płytkach (12x7mm) wysterylizowanych
tlenkiem etylenu. Płytki inkubowano przez
72h (37 o C) w warunkach stacjonarnych z 15 ml sterylnego
podłoża Mueller-Hinton z dodatkiem 100μl inokulatu S. epidermidis
ATCC 12228 (10 8 cfu/ml). Następnie płytki przemyto10-krotnie
PBS, a komórki pozostałe na powierzchni płytek
adhesion of
staphylococcus epidermidis
cells on ti6al4v titanium
alloy surfaces modified by
bioceramic layers
BeLcarz a. 1 *, BieniAś J. 2 , surowskA B. 2 , ginAlskA g. 1
1 cHAir And depArtment of biocHemistry,
medicAl university of lublin,
1 CHodźki str., 20-093, luBlin, Poland
2 depArtment of mAteriAls enGineerinG,
lublin university of tecHnoloGy,
36 nAdbystrzyckA str., 20-618 lublin, polAnd
mAilto: AnnA.belcArz@umlub.pl
[Engineering of Biomaterials, 89-91, (2009), 244-246]
introduction
Titan and its alloys, as materials for production of
implants, are corrosion-resistant, non-allergenic and relatively
non-toxic; however, it is quite susceptible to abrasion.
Modification of its surfaces by titanium nitride increases its
abrasion resistance and allows to avoid allergenic effects [1].
However, on both titanium alloy and titanium nitride-modified
surfaces, a massive bacterial adhesion tends to appear [2]
which may result in bacterial biofilm formation. A removal of
infected implant is combined with its replacement, systemic
aggressive antibiotic therapy and sometimes results even
with limb amputation. To avoid such a risk, titanium implant
surfaces can be modified with substances of antibacterial
activity (as antibiotics) [3] or by layers decreasing the risk
of bacterial adhesion [4,5].
In presented work, Ti6Al4V titanium alloy implants modified
by layers of TiN, SiO 2-TiO 2 and hydroxyapatite (HAp)
were tested. HAp increases bioactivity of substrate and
oxides stabilize hydroxyapatite attachment to the implant
surface. The aim of the work was to test whether the titanium
implants modifications favour or prevent S. epidermidis
adhesion and biofilm formation.
materials and methods
TiN, SiO 2-TiO 2 and HAp layers on Ti6Al4V titanium
alloy (ASTM-grade 5) produced by hybrid method were
investigated. TiN layer on Ti6Al4V was manufactured by
glow-discharge, assisted by nitriding in pure nitrogen atmosphere
(at a temperature 800 o C and 4hPa pressure for
3h). Next, the specimens were twice precovered with the
SiO 2-TiO 2 sol-gel layer (heat treated of the layer at 500 o C).
Finally, hydroxyapatite (Chema-Elektromet Co, Rzeszów)
produced by electrophoresis method was deposited and
annealed at 750 ş C.
Estimation of bacterial adhesion and biofilm formation
was prepared on clean plates (12x7 mm) sterilized by ethylene
oxide. Plates were incubated for 72h (37 o C) under stationary
conditions with 15 ml sterile Mueller-Hinton medium
containing 100μl S. epidermidis ATCC 12228 (10 8 cfu/ml)
inoculate. Then, the plates were washed 10x with PBS, and
remaining bacterial cells were incubated for 15 minutes in
darkness with 50μl 0.9% NaCl containing 3μl/ml fluorescent
dye (Live/Dead® BacLightTM Kit). Stained bacterial cells
were observed in fluorescence microscope (Olympus BX41