Preparation and characterization of polymer based composite nanospheres for bone infection prevention

Abstract

Currently, bone tissue engineering applications comprise the development of smart materials that can induce tissue regeneration meanwhile supporting the defect site of the body. Despite of the advancements, inflammation is still a serious problem that threatens human health at the post-implantation period. To overcome potential inflammations, antibiotic therapy is commonly employed in clinical trials. However, antibiotic therapy causes some side effects such as ototoxicity and nephrotoxicity, especially when applied in high doses. Therefore, local drug delivery systems play a vital role in bone disorders due to the elimination of disadvantages introduced by conventional methods. In the presented study, it was aimed to develop chitosan-based composite nanospheres as a controlled drug delivery system against bone infections. Accordingly, chitosan and montmorillonite nanoclay was homogenized with microfluidizer and electrosprayed to obtain spherical nanoparticles. The optimum electrospraying conditions were investigated using response surface methodology. Vancomycin and Gentamicin antibiotics were incorporated in the polymeric matrix to provide controlled release at the defect region to overcome inflammations after implantation. The prepared nanospheres were characterized in terms of morphology, hydrodynamic size distribution, surface charge, drug encapsulation efficiency and release profiles. The dominant drug release mechanism was determined by empirical mathematic models. Drug loaded nanospheres have been successfully produced with a size range of 180-350 nm. High encapsulation efficiency was achieved (80-95%) with a controlled drug release up to 30 days. Fickian diffusion was found as the main mechanism in drug delivery from spherical CS/MMT nanocomposites. The in vitro release medium of nanospheres showed strong antimicrobial activity against gram-positive S. aureus and gram-negative E. coli bacteria. Furthermore, it was found that the nanospheres did not show any cytotoxic effect to 3T3 and SaOS-2 cell lines. These results demonstrated that the prepared nanospheres can be a promising option for bone infection prevention.

Günümüzde, kemik doku mühendisliği uygulamaları iyileşme sürecinde destek olabilen aynı zamanda da doku rejenerasyonunu tetikleyen akıllı malzemelerin geliştirilmesini içermektedir. Ancak bu gelişmelerin yanısıra, transplantasyon sonrası dönemde yaşanan inflamasyon sorunu, insan sağlığını tehdit eden ciddi bir problemdir. Genellikle klinik çalışmalarda olası inflamasyon probleminin üstesinden gelebilmek için hastalara antibiyotik tedavisi uygulanmaktadır. Fakat antibiyotik tedavisi özellikle yüksek dozda uygulandığında ototoksisite ve nefrotoksisite gibi bazı yan etkilere yol açmaktadır. Bu nedenle, lokal ilaç salım sistemleri geleneksel yöntemlerin dezavantajlarını kaldırarak kemik defektlerinde hayati bir rol oynamaktadır. Bu çalışmada, kemik enfeksiyonlarına karşı kontrollü ilaç salım sistemi olarak kitosan bazlı kompozit nanokürelerin geliştirilmesi amaçlanmıştır. Bu nedenle, kitosan ve montmorrilonit nanokil katkısı mikroakışkanlaştırıcı ile homojenize edilip elektrospreylenmiştir. Vankomisin ve Gentamisin antibiyotikleri defekt bölgede inflamasyonu engelleme amacıyla kontrollü salınım sağlanması için polimerik matrikse dahil edilmiştir. Hazırlanan nanoküreler, morfoloji, hidrodinamik boyut dağılımı, yüzey yükü, enkapsülasyon verimi ve ilaç salınım profilleri açısından karakterize edilmiştir. Baskın ilaç salım mekanizması empirik matematik modelleri ile belirlenmiştir. İlaç yüklü nanoküreler, 180-350 nm boyut aralığında başarıyla üretilmiştir. Hazırlanan nonükerelere yüksek miktarda ilaç yüklemesi (80-95%) sağlanarak 30 gün boyunca kontrollü ilaç salımı gerçekleştirilmiştir. Nanokompozit CS/MMT kürelerin ilaç salım davranışı difüzyon ile kontrol edilmiştir. Kürelerin salım sıvıları gram pozitif S. aureus ve gram negatif E. coli bakterilerine karşı antimikrobiyal aktivite göstermiştir. Ayrıca, nanoküreler 3T3 ve SaOS-2 hücre hatlarında herhangi bir sitotoksik etki göstermemiştir. Elde edilen sonuçlar, hazırlanan nanokürelerin kemik enfeksiyonuna karşı umut verici bir seçenek olabileceğini göstermektedir.