A novel antibacterial sol-gel coating for prosthetic devices

Abstract

This Doctoral Thesis deals with the design and development of novel coatings manufactured by sol-gel technology to prevent and treat bacterial infections associated to joint prostheses. The risk of bacterial infections during the implantation of prostheses causes devastating repercussions for the patients. These bacterial infections are commonly treated systemically with the administration of antimicrobials that are somehow inefficient to locally counteract the focus of infection. Instead, local therapies are being studied because they can reach the biomaterial-tissue interface. This research project is addressed to locally overcome the risk of contracting infections by using a biodegrdable sol-gel coating as carrier of an antimicrobial. The multifunctional coating consists of two organopolysiloxanes, as the precursors of the sol-gel network, with the ability to degrade in 24 hours in contact with a physiological solution. The degradation of the coating will allow the release of the pre-loaded antimicrobial. The coating has been bio-functionalized first with an organophosphite in order to enhance the proliferation of cells during the process of implantation. Then, the selected coating has been loaded with an antibiotic of broad spectrum activity against the pathogens that causes these infections. The degradation kinetics of the coatings has been evaluated by means of electrochemical techniques using the averaging Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) and the spatially highly resolved Scanning Electrochemical Microscopy (SECM). The study revealed that the concentration of antibiotic exerted a strong influence in the degrading process, being the coating with the highest amount of antibiotic the coating that has a faster degrading process. The non-cytotoxicity and the enhancement of the cellular proliferation have been verified with MC3T3-E1 cells. The inhibition of bacterial adhesion (prevention) and mature biofilm growth (treatment) of the main species that causes infection (S. aureus, S. epidermidis and E. coli) have also been confirmed. The release of the antibiotic has been tracked by absorbance spectroscopy and it revealed that the degradation of the coating is non-proportional to the release of antibiotic. Despite the low release of antibiotic to the medium, the quantity has been demonstrated to be enough to inhibit the growth of mature biofilm. Indeed, this research study showed that the degradation kinetics of sol-gel coatings loaded with an antibiotic (moxifloxacin) can be monitored with different electrochemical techniques. Besides, thanks to the in vitro microbiological study and the monitorization of the release of the antibiotic, it has been verified that the quantity of antibiotic in the medium is enough to accomplish the bacterial features of the medical device. Moreover, this study confirmed the potential of the sol-gel technology to fit the release of an antimicrobial to the requirements of the prosthetic devices by modifying the parameters of the sol-gel synthesis.

Esta Tesis Doctoral se centra en el diseño y desarrollo de nuevos recubrimientos obtenidos por tecnología sol-gel para prevenir y tratar infecciones bacterianas asociadas a prótesis articulares. La contracción de infecciones bacterianas durante la implantación de prótesis provoca repercusiones devastadoras a los pacientes y son generalmente tratadas mediante la administración sistémica de antimicrobianos. Este tipo de terapia es mejorable ya que no llega a alcanzar su función en el foco de la infección. Por ello, las terapias locales están adquiriendo mayor relevancia ya que alcanzan fácilmente la interfaz biomaterial-tejido. Este proyecto de investigación está orientado a combatir localmente el riesgo de infección mediante el uso de un recubrimiento de tipo sol-gel biodegradable como portador y liberador de un agente antimicrobiano. El recubrimiento tiene carácter multifuncional y está diseñado a partir de dos organopolisiloxanos como precursores de la red sol-gel, la cual tiene la capacidad de degradarse durante las primeras 24 horas en contacto con una solución fisiológica. El recubrimiento se ha biofuncionalizado con un organofosfito para mejorar la proliferación celular durante el proceso de implantación protésica. La siguiente etapa en el diseño de la formulación fue la introducción del antibiótico durante la síntesis. El antibiótico moxifloxacino fue elegido por su amplio espectro de actividad contra los patógenos que causan las infecciones en estudio. La degradación del recubrimiento permite la liberación del antibiótico previamente incorporado a la red. La degradación cinética de los recubrimientos se ha evaluado por medio de técnicas electroquímicas usando Espectroscopia de Impedancia Electroquímica (EIS, Electrochemical Impedance Spectroscopy) y Microscopía Electroquímica de Barrido (SECM, Scanning Electrochemical Microscopy). El estudio reveló que la concentración de antibiótico influye en el proceso de degradación siendo el recubrimiento con mayor cantidad de éste el que presenta un proceso de degradación más rápido. La no citotoxicidad y la proliferación celular fueron verificadas con células MC3T3-E1. La inhibición de la adhesión bacteriana (prevención) y el crecimiento de la biopelícula madura (tratamiento) de las principales especies que causan estas infecciones (S. aureus, S. epidermidis y E. coli) también fueron confirmadas. La liberación del antibiótico se ha estudiado con espectroscopia de absorbancia UV-Vis., observándose que, a pesar de la poca cantidad de antibiótico liberada al medio, la cantidad del mismo es suficiente para inhibir el crecimiento de la biopelícula madura. Con el presente trabajo de investigación se puede concluir que la degradación de los recubrimientos diseñados de tipo sol-gel cargados con moxifloxacino puede monitorizarse con técnicas electroquímicas. Además, gracias al estudio in vitro microbiológico y estudios de absorbancia, se ha comprobado que la liberación del antimicrobiano es adecuada ya que cumple su función bactericida. Este estudio confirma la Idoneidad de la tecnología sol-gel para ajustar la liberación de un antimicrobiano a las necesidades temporales requerido por un sistema dispositivo protésico/medio agresivo, mediante la modulación de la síntesis del recubrimiento.