Ion doped mesoporous silica-based bioactive glasses for antibiotic-free antibacterial applications

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2022-10-12
Issue Year
2022
Authors
Schmitz, Seray
Editor
Abstract

The goal of this doctoral project was the development of bioactive glasses that can provide antibacterial activity without the addition of any antibiotic drugs in order to be effective against antibiotic-resistance bacteria. In this perspective, non-ordered and ordered silicate mesoporous bioactive glasses (MBGs) were synthesised via conventional sol-gel and surfactant-assisted sol-gel methods, respectively. Antibacterial therapeutic elements (Ag, Cu, Zn, and Ce) in 1, 3 and 5 wt% amounts were incorporated into the MBGs with the base composition of 76SiO2-13CaO-11P2O5 (wt%) in order to provide antibacterial activity. The MBGs obtained by the two different sol-gel methods were also examined for their mesoporous structures, dissolution behaviour, bioactivity and antibacterial properties. Ordered MBGs showed larger surface area, larger pore size and higher pore volume compared to non-ordered MBGs. Among non-ordered and ordered MBGs, Ag-MBGs exhibited the highest dopant release into PBS, which was measured by ICP-OES. The MBG that showed the highest evidence of bioactivity compared to other MBGs was ordered undoped MBG after 72 h immersion in SBF. The most promising MBGs in terms of antibacterial behaviour against E. coli and S. aureus bacterial strains were the non-ordered and ordered Ag-MBGs. Some of the non-ordered MBGs (undoped and 1, 3, and 5 wt% Ag-, Cu- and Zn-MBGs) were also examined for their indirect cytocompatibility behaviour, which was tested with murine fibroblast cell line (L929). The tested extracts were all cytocompatible with L929 cells. Among the other doped MBGs, due to its overall good antibacterial and cytocompatibility behaviour, non-ordered 5 wt% Ag-MBG (NO5 Ag-MBG) was chosen to be combined with a synthetic polymer (poly(ether urethane)) and a natural polymer (chitosan) to make antibacterial polymer/MBG films with potential to be used in wound healing applications. The developed poly(ether urethane)/NO5 Ag-MBG films were antibacterial against E. coli, P. aeruginosa, S. aureus, S. epidermidis and also against antibiotic-resistant bacterial strains (MRSA and CR P. aeruginosa), tested via disk diffusion method. On the other hand, pure poly(ether urethane) films did not form any inhibition zones when tested with bacteria. The cytocompatibility of poly(ether urethane) and poly(ether urethane)/NO5 Ag-MBG films was below 50% when tested with L929 cells. Both of these films showed good cytocompatibilty with human keratinocyte cell line (HaCaT). Besides the antibacterial efficiency and good cytocompatibility of the poly(ether urethane)/NO5 Ag-MBG films, they were also easy to produce (solvent casting method), which could make them suitable candidates for wound dressing applications.

The developed chitosan films with NO5 Ag-MBG exhibited good antibacterial behaviour against S. aureus, S. epidermidis, E. coli and P. aeruginosa strains. It was shown that the films absorbed roughly 50% of their original weight after 7 days in PBS. This result suggests that they can absorb the excessive wound exudates and with this property they support the wound healing process. Chitosan/NO5 Ag-MBG films exhibited 40% cytocompatibility with L929 cells, showing that they were toxic to L929. However, these films showed good cytocompatibility (>80%) with primary normal human epidermal keratinocyte (NHEK) cells. In addition to the promising antibacterial and cytocompatibilty behaviour of chitosan/NO5 Ag-MBG films, they showed water absorbing capabilities, being thus candidates for wound healing applications.

In this doctoral project therefore, the antibacterial properties of various doped MBGs were confirmed. The ordered mesoporous structure and higher pore properties (surface area, pore size and pore volume) of the surfactant-assisted sol-gel derived MBGs were shown by HRTEM images and BET & BJH results. In general, MBGs exhibited bioactivity, even if it could not be proven in all compositions. Both non-ordered and ordered Ag-MBGs showed the highest antibacterial activity, where especially the NO5 Ag-MBG showed also good L929 cytocompatiblility. All MBG extracts tested were cytocompatible with L929 cells. For wound healing application purposes developed polymer/MBG composite films showed good antibacterial properties without any antibiotic drug addition and they were also cytocompatible with human keratinocyte cells. Conclusively it can be said that antibiotic-free antibacterial ion doped MBGs were successfully developed for stand-alone use and in wound healing films.

Abstract

Das Thema der vorliegenden Doktorarbeit war die Entwicklung von bioaktiven Gläsern, welche antibakterielle Eigenschaften aufweisen, ohne dabei auf antibiotische Wirkstoffe zurückgreifen zu müssen um damit das Problem der Antibiotikaresistenzen zu behandeln. Zu diesem Zweck wurden ungeordnete und geordnete mesoporös strukturierte Silikat-Bioaktive-Gläser (MBGs engl. mesoporous bioactive glasses), mit Hilfe der Sol-Gel- und Tensid-unterstützten-Sol-Gel-Methode (Sol-Gel-Methode mit Vernetzungszusatz), synthetisiert. Um eine antibakterielle Wirkung zu erzielen, wurden therapeutische antibakterielle Elemente (Ag, Cu, Zn, und Ce mit 1, 3 und 5 wt%) in die MBGs mit der Grundzusammensetzung 76SiO2-13CaO-11P2O5 (wt%) eingebaut. Die mit diesen zwei Sol-Gel-Methoden hergestellten MBGs wurden auf ihre mesoporöse Struktur, lösungs-, bioaktivitäts- und antibakteriellen Eigenschaften untersucht. Geordnete MBGs zeigten eine größere Oberfläche, größere Porengröße und höhere Porenvolumen als ungeordnete MBGs. Unter den ungeordneten und geordneten MBGs, hatten Ag-MBGs die höchste Dotierstoffionenkonzentration in PBS, die mit ICP-OES gemessen wurden. Das MBG, das die höchste Bioaktivität gezeigt hatte, war das geordnete undotierte MBG nach 72 Stunden Immersion in SBF. Die vielversprechendsten MBGs, mit Blick auf die antibakterielle Wirkung gegen E. coli und S. aureus Bakterienstämme, waren die geordneten und ungeordneten Ag-MBGs. Ausgewählte ungeordnete MBGs (undotiert, Ag-, Cu-, und Zn- MBGs jeweils mit 1, 3 und 5 wt%) wurden bezüglich ihrer indirekten Zytokompatibilität mit Murinen-Fibroblast-Zell-Linien (L929) getestet. Alle getesteten Extrakte waren zytokompatibel mit den L929 Zellen. Auf Grund der guten antibakteriellen und zytokompatiblen Eigenschaften, wurde ungeordnetes 5 wt% Ag-MBG (NO5 Ag-MBG) ausgewählt, um dies mit synthetischem Polymer (Poly(ether urethan)) und einem natürlichen Polymer (Chitosan) zu kombinieren, mit dem Ziel antibakterielle Polymer/MBG Filme für die Anwendung in der Wundheilung herzustellen. Die entwickelten Poly(ether urethan)/NO5 Ag-MBG Filme waren gegen E .coli, P. aeruginosa, S. aureus, S. epidermidis antibakteriell und wurden ebenfalls gegen antibiotikaresistente Bakterienstämme (MRSA und CR P. aeruginosa) mittels der Scheiben-Diffusions-Methode getestet. Andererseits, haben die reine Poly(ether urethan) Filme keine Hemmzonen geformt, als sie mit Bakterien getestet wurden. Die Zytokompatibilität der Poly(ether urethan) und Poly(ether urethan)/NO5 Ag-MBG Filme war weniger als 50%, als sie mit L929 Zellen getestet wurden. Diese beiden Filme haben sich als zytokompatibel mit menschlichen Keratinozyten-Zell-Linien (HaCaT) erwiesen. Neben der antibakteriellen Wirkung und guten Zytokompatibilität, waren die Poly(ether urethan)/NO5 Ag-MBG Filme leicht zu produzieren (Lösungsmittelguss Methode), was sie zu passende Kandidaten für Wundverbände Anwendungen machen kann.

Die entwickelten Chitosan Filme mit NO5 Ag-MBG hatten ein gutes antibakterielles Verhalten gegen S. aureus, S. epidermidis, E. coli und P. aeruginosa Stämme. Es wurde gezeigt, dass die Filme nach 7 Tagen in PBS 50% ihres Eigengewichtes absorbiert haben. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass sie das übermäßige Wundsekret aufnehmen und dadurch bei dem Wundheilungsprozess unterstützen können. Chitosan/NO5 Ag-MBG Filme haben eine 40%ige Zytokompatibilität mit L929 Zellen, was sie als toxisch gegen L929 gezeigt hat. Im Gegensatz dazu haben diese Filme eine gute Zytokompatibilität (>80%) mit normalen menschlichen epidermischen Keratinozyten (NHEK) Zellen gezeigt. Zusätzlich zu vielversprechenden antibakteriellen und zytokompatibilitäts Eigenschaften der Chitosan/NO5 Ag-MBG Filmen, haben sie eine wasserabsorbierende Eigenschaft aufgewiesen, folglich werden sie potentialen Kandidaten für Wundheilungsanwendungen.

In dieser Doktorarbeit werden die antibakteriellen Eigenschaften von dotierten MBGs bestätigt. Die geordnete mesoporöse Struktur und höhere Poreneigenschaften (Oberfläche, Porengröße und Porenvolumen) der mit der Tensid-unterstützten-Sol-Gel-Methode synthetisierten MBGs werden mit HRTEM Bilder und BET & BJH Ergebnissen gezeigt. Im allgemein waren die MBGs bioaktiv, auch wenn die Bioaktivitätseigenschaften nicht für alle Komposition gefunden wurde. Ungeordnete und geordnete Ag-MBGs haben beide die höchsten antibakteriellen Aktivitäten gezeigt, wobei die NO5 Ag-MBG auch eine gute L929 Zytokompatibilität gezeigt hat. Alle getesteten MBGs waren zytokompatibel mit L929 Zellen. Die für Wundheilungsanwendungen entwickelten Polymer/MBG Verbund-Filme haben, ohne den Zusatz von Antibiotika, gute antibakterielle Eigenschaften gezeigt und waren auch mit menschlichen Keratinozyten Zellen zytokompatibel. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Entwicklung der antibiotikafreien antibakteriellen Ionen-dotierten MBGs und deren Verwendungen in Wundheilungsfilmen erfolgreich waren.

DOI
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