Sintesi di nanotopografie cristalline drogate con ioni rame a duale azione antibatterica

Abstract

La resistenza antimicrobica (AMR) è una delle principali minacce per la salute pubblica mondiale, soprattutto in campo ortopedico. Infatti, l’insorgere di una infezione batterica può causare il fallimento di un impianto prostetico, ed è previsto che l’AMR porterà ad un aumento dei tassi di infezione e reinfezione a causa di ceppi batterici sempre più difficili da eliminare. Per questo motivo, lo sviluppo di superfici nanostrutturate ad azione antibatterica (ANS) è una strategia altamente promettente grazie alla loro azione battericida di tipo biofisico. L’idrossiapatite (HA) è un materiale particolarmente idoneo per l’applicazione prostetica, per la sua elevata biocompatibilità con il tessuto osseo. L’obiettivo di questo lavoro è stato l’ottenimento di ANS a base di HA e l’implementazione di ioni rame in modo da conferire una azione antibatterica duale, chimica e biofisica. Come primo step è stato sintetizzato il substrato necessario per la crescita della nanostruttura a base di fosfato di calcio amorfo contenente ioni citrato (cit-ACP), e caratterizzato mediante analisi PXRD e FT-IR. Successivamente, si è ottenuta la nanostruttura tramite crescita cristallina orientata su substrato ed è stata caratterizzata mediante PXRD e microscopia FE-SEM. Infine, è stato testato l’incorporamento di ioni rame all’interno della struttura sia mediante scambio ionico sulla nanostruttura ultimata, in condizioni statiche o dinamiche, sia mediante crescita diretta con ioni rame. I risultati ottenuti hanno evidenziato che il metodo di drogaggio più efficacie sia lo scambio ionico statico su nanotopografia con soluzione di rame 4 mmol/L, in quanto l’unico metodo in grado di preservare la morfologia della nanotopografia senza avere la formazione di nuove fasi secondarie.

Antimicrobial resistance (AMR) is one of the main threats to global public health, especially in the orthopedic field. Bacterial infection of a prosthetic implant can indeed cause its failure, and AMR is poised to increase infection and reinfection rates by bacterial strains that are more difficult to eliminate. For this reason, the development of nanostructured surfaces with antibacterial properties (ANS) is a promising strategy thanks to their biophysical bactericidal action. For the prosthetic application hydroxyapatite (HA) is a particularly ideal material for its excellent bone biocompatibility. The objective of this work was to obtain the nanotopography of HA and to implement it with copper ions in order to confer a dual antibacterial action, both biophysical and chemical. First, a substrate necessary for the growth of the nanostructure based on amorphous calcium phosphate containing citrate ions (cit-ACP) was synthesized and characterized through PXRD and FT-IR analysis. Subsequently, the nanostructure was obtained by ordered crystal growth onto the substrate and characterized through PXRD and FE-SEM microscopy. Finally, the possibility of introducing copper ions into the structure was tested via ion exchange on the completed nanostructure, in static or dynamic conditions, as well as through direct growth with copper ions. The results obtained highlighted that the most effective doping method is static ion exchange on the completed nanotopography with a copper 4 mmol/L solution, as it is the only method capable of preserving nanotopography’s morphology without the formation of new secondary phases.