ХІМІЯ, ФІЗИКА ТА ТЕХНОЛОГІЯ ПОВЕРХНІ

ISSN 2518-1238 (Online), ISSN 2079-1704 (Print)

Штучні імплантати є сприятливим середовищем для адгезії бактерій і подальшого формування біоплівки, тим самим прискорюючи розвиток інфекції в області інкорпорування імплантату. Незважаючи на значний прогрес у розробці різноманітних ендопротезів за останні десятиліття, бактеріальна перипротезна інфекція є одним з основних факторів, що призводять до ускладнень при їх застосуванні, подовження терміну лікування, значних економічних втрат. Дана робота присвячена створенню гібридних гідрогелевих нанокомпозитів з комплексною антимікробною дією для ендопротезування в щелепно-лицевій ділянці та для заповнення післяопераційних порожнин (насамперед, після видалення пухлин). Вказані нанокомпозити було створено на основі попередньо синтезованого губчатого полівінілформалю з інкопорованими наночастинками золота, поровий простір якого був частково заповнений рН-чутливими гідрогелями на основі акрилової кислоти (чи співполімерів на основі акриламіду та акрилової кислоти) з сорбованим антимікробним препаратом Альбуцидом. Структура синтезованих гібридних гідрогелевих матеріалів була підтверджена з використанням методу ІЧ-спектроскопії. Проведені дослідження кінетики набухання гідрогелів у буферних розчинах з різною величиною рН засвідчили, що оптимальні властивості щодо збереження геометричних розмірів матеріалу для ендопротезування має зразок, наповнений співполімером акриламіду та акрилової кислоти при їхньому співвідношенні 95:5, тоді як у випадку інкорпорування 100 % акрилової кислоти ступінь набухання матеріалу (і відповідно його розміри) може змінюватися у рази при зміні величини рН. Антимікробну дію розроблених гібридних гідрогелевих матеріалів було досліджено із використанням бактеріальних культур Escherichia coli ATCC 25922, Enterococcus faecalis ATCC 29213, Staphylococcus aureus ATCC 25923 та Pseudomonas aeruginosa ATCC 27853. Продемонстровано антимікробну дію гідрогелевих нанокомпозитів на основі полівінілформалю з інкопорованими наночастинками золота, просочених Альбуцидом, стосовно усіх тестових мікроорганізмів (зони затримки росту становили від 15 до 35 мм), що забезпечуватиме запобігання мікробної контамінації розробленого гібридного гідрогелевого матеріалу при його використанні у ендопротезуванні.

1. Pu Y., Lin X., Zhi Q., Qiao S., Yu C. Microporous Implants Modified by Bifunctional Hydrogel with Antibacterial and Osteogenic Properties Promote Bone Integration in Infected Bone Defects. J. Funct. Biomater. 2023. 14(4): 226. https://doi.org/10.3390/jfb14040226

2. Inzana J., Schwarz E., Kates S., Awad H. Biomaterials approaches to treating implant-associated osteomyelitis. Biomaterials. 2016. 81: 58. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2015.12.012

3. Antoci V., Chen A., Parvizi J. Orthopedic implant use and infection. Comprehensive Biomaterials. 2017. 7(9): 133. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-803581-8.10184-5

4. Flemming H., Wingender J. The biofilm matrix. Nat. Rev. Microbiol. 2010. 8(9): 623. https://doi.org/10.1038/nrmicro2415

5. Drago L., Boot W., Dimas K., Malizos K., Hänsch G.M., Stuyck J., Gawlitta D., Romanò C.L.Does implant coating with antibacterial-loaded hydrogel reduce bacterial colonization and biofilm formation in vitro. Clinical Orthopaedics and Related Research. 2014. 472(11): 3311. https://doi.org/10.1007/s11999-014-3558-1

6. Fu M., Liang Y., Lv X., Li Ch., Yan Y., Yuan P., Ding X. Recent advances in hydrogel-based anti-infective coatings. J. Mater. Sci. Technol. 2021. 85: 169. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2020.12.070

7. Liu Y., Dong T., Chen Y., Sun N., Liu Q., Huang Zh., Yang Y., Cheng H. Biodegradable and Cytocompatible Hydrogel Coating with Antibacterial Activity for the Prevention of Implant-Associated Infection. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2023. 15(9): 11507. https://doi.org/10.1021/acsami.2c20401

8. Zhang C., Parada G., Zhao X., Chen Z. Probing surface hydration and molecular structure of zwitterionic and polyacrylamide hydrogels. Langmuir. 2019. 35(41): 13292. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.9b02544

9. Wei T., Yu Q., Chen H. Responsive and Synergistic Antibacterial Coatings: Fighting against Bacteria in a Smart and Effective Way. Adv. Healthcare Mater. 2019. 8(3): 24. https://doi.org/10.1002/adhm.201801381

10. Antibiotic. https://en.wikipedia.org/wiki/Antibiotic. [electronic resource].

11. Sulfonamide (medicine). https://en.wikipedia.org/wiki/Sulfonamide_(medicine). [electronic resource].

12. Goncharuk O., Samchenko Yu., Sternik D., Kernosenko L., Poltoratska T., Pasmurtseva N., Abramov M., Pakhlov E., Derylo-Marczewska A. Thermosensitive hydrogel nanocomposites with magnetic laponite. Appl. Nanosci. 2020. 10(12): 4559. https://doi.org/10.1007/s13204-020-01388-w

13. Kosenko O., Lukash L., Samchenko Yu., Ruban T., Ulberg Z., Lukash S. Copolymeric Hydrogel Membranes For Immobilization And Cultivation Of Human Stem Cells. Biopolymers and Cell. 2006. 22(2): 143. https://doi.org/10.7124/bc.000729

14. Kernosenko L., Samchenko K., Goncharuk O., Pasmurtseva N., Poltoratska T., Siryk O., Dziuba O., Mironov O., Szewczuk-Karpisz K. Polyacrylamide Hydrogel Enriched with Amber for in vitro Plant Rooting. Plants. 2023. 12(5): 1196. https://doi.org/10.3390/plants12051196

15. Yang K., Han Q., Chen B., Zheng Y., Zhang K., Li Q., Wang J. Antimicrobial hydrogels: promising materials for medical application. Int. J. Nanomedicine. 2018. 13: 2217. https://doi.org/10.2147/IJN.S154748

16. Zhao Y., Jiang X. Multiple strategies to activate gold nanoparticles as antibiotics. Nanoscale. 2013. 5(18): 8340. https://doi.org/10.1039/c3nr01990j

17. Brown A., Smith K., Samuels T., Lu J., Obare S., Scott M. Nanoparticles functionalized with ampicillin destroy multiple-antibiotic-resistant isolates of Pseudomonas aeruginosa and Enterobacter aerogenes and methicillin-resistant Staphylococcus aureus. Appl. Environ Microbiol. 2012. 78(8): 2768. https://doi.org/10.1128/AEM.06513-11

18. Zeyang P., Li Q., Yuexiao J., Yan W., Qi J., Guo Yu., Hu F., Zhou D., Jiang X. Controlling the pyridinium-zwitterionic ligand ratio on atomically precise gold nanoclusters allowing for eradicating Gram-positive drug-resistant bacteria and retaining biocompatibility. Chem. Sci. 2021. 12(44): 14871. https://doi.org/10.1039/D1SC03056F

19. Samchenko Yu., Dybkova S., Maletsky A., Kernosenko L., Gruzina T.G., Pasmurtseva N.O., Reznichenko L.S., Lyutko O.B., Vitrak K.V., Bigun N.M., Vorotytskyi P.V., Mamyshev I.E. Antimicrobial effect of hybrid hydrogel orbital implants with gold nanoparticles and albucid intended for reconstructive operations in the orbit and oculo-orbital area. Ophthalmological Journal. 2023. 5(514): 27. [in Ukrainian]. https://doi.org/10.31288/oftalmolzh202352733

20. Goncharuk O., Korotych O., Samchenko Yu., Kernosenko L., Kravchenko A., Shtanova L., Tsymbalyuk O., Poltoratska T., Pasmurtseva N., Mamyshev I., Pakhlov E., Siryk O. Hemostatic dressings based on poly(vinyl formal) sponges. Mater. Sci. Eng. C. 2021. 129: 112363. https://doi.org/10.1016/j.msec.2021.112363

21. Han D., Guo Zh., Chen Sh., Xiao M., Peng X., Wang Sh., Meng Y. Enhanced Properties of Biodegradable Poly(Propylene Carbonate)/Polyvinyl Formal Blends by Melting Compounding. Polymers. 2018. 10(7): 771. https://doi.org/10.3390/polym10070771

22. Paril A., Alb A., Giz A., Zatalgil-Giz H. Effect of medium pH on the reactivity ratios in acrylamide acrylic acid copolymerization. J. Appl. Polym. Sci. 2006. 103(2): 968. https://doi.org/10.1002/app.25271

23. [Cabinet of Ministers Decision No.755 of 2 October 2013 On Approval of the Technical Regulation on Implantable Active Medical Devices, as approved on 30 November, 2022. Paragraph 5]. [in Ukrainian].