Electrophoretically deposited composite hydroxyapatite, chitosan and graphene coatings on titanium with and without gentamicin

[M. Lj. Stevanović]

VII, 106 str.

Tehnološko inženjerstvo - Inženjerstvo materijala / Technology engineering - Materials engineering

Cilj ove doktorske disertacije bilo je dobijanje i karakterizacija novih antibakterijskih prevlaka na bazi hidroksiapatita, hitozana i grafena na titanu sa i bez dodatka gentamicina. Prevlake su dobijene postupkom elektroforetskog taloženja u jednom koraku iz stabilnih vodenih suspenzija za primenu u oblasti koštanih implantata. Detaljna karakterizacija dobijenih prevlaka je rađena u cilju ispitivanja njihove strukture, morfologije i fizičko-hemijskih svojstava, kao i adhezije prevlaka za supstrat. U okviru ovih istraživanja ispitan je i uticaj dodatka grafena na fizičko-hemijska i biološka svojstva dobijenih prevlaka kao i mogućnost inkorporacije gentamicina kao antibakterijskog agensa. In vitro ispitivanja su obuhvatila ispitivanja kinetike otpuštanja gentamicina u fiziološki relevantnim uslovima (37 °C) tokom 21 dana, kao i evaluaciju bioloških svojstava prevlaka, uključujući antibakterijsku aktivnost i biokompatibilnost istaloženih prevlaka. Rezultati ove disertacije su pokazali da su postupkom elektroforetskog taloženja uspešno istaložene antibakterijske, biokompatibilne kompozitne prevlake na titanu. Inkorporacija grafena doprinela je poboljšanju fizičko-hemijskih svojstava prevlaka, pri čemu je njegova velika specifična površina omogućila efikasnije vezivanje i ugrađivanje veće količine antibiotika. Količina inkorporiranog antibiotika bila je dovoljna za postizanje izraženog antibakterijskog efekta izazivajući potpunu redukciju ukupnog broja ćelija soja S. aureus, pri čemu nije ispoljena citotoksičnost prema humanim ćelijskim linijama (MRC-5) u in vitro uslovima. Biomineralizacija prevlaka potvrđena je formiranjem novog sloja apatita na njihovoj površini, već nakon sedam dana izlaganja simuliranoj telesnoj tečnosti. Na osnovu dobijenih rezultata, može se zaključiti da ovi materijali poseduju visok potencijal za dalja istraživanja i primenu u ortopediji i regenerativnoj medicini.

The aim of this doctoral dissertation was the development and characterization of novel antibacterial coatings based on hydroxyapatite, chitosan, and graphene on titanium, with and without the addition of gentamicin. The coatings were produced by a one-step electrophoretic deposition process from stable aqueous suspensions, intended for application in the field of bone implants. Detailed characterization of the obtained coatings was conducted to investigate their structure, morphology, physicochemical properties, and adhesion to the substrate. The influence of graphene addition on the physicochemical and biological properties of the coatings was also examined, as well as the potential for incorporating gentamicin as an antibacterial agent. In vitro studies included the investigation of gentamicin release kinetics under physiologically relevant conditions (37 °C) over a period of 21 days, as well as the evaluation of the biological properties of the coatings, including antibacterial activity and biocompatibility of the coatings. The results of this dissertation demonstrated that antibacterial and biocompatible composite coatings were successfully deposited on titanium using the electrophoretic deposition technique. The incorporation of graphene contributed to improved physicochemical properties of the coatings, with its high specific surface area enabling more efficient binding and retention of larger amounts of the antibiotic. The amount of incorporated antibiotic was sufficient to achieve a pronounced antibacterial effect, resulting in complete reduction of the total number of S. aureus cells, without exhibiting cytotoxicity toward human cell lines (MRC-5) under in vitro conditions. The bioactivity of the coatings was confirmed by the formation of a new apatite layer on their surface after only seven days of exposure to simulated body fluid. Based on the obtained results, it can be concluded that these materials possess high potential for further research and application in orthopedics and regenerative medicine.

elektroforetsko taloženje; kompozitne prevlake; hidroksiapatit; hitozan; gentamicin; grafen; antibakterijska aktivnost; biomineralizacija; biokompatibilnost

electrophoretic deposition; composite coatings; hydroxyapatite; chitosan; gentamicin; graphene; antibacterial activity; biomineralization; biocompatibility

66.017:544.623.032.52(043.3)

Tekst