Investigation of Antimicrobial Effect of Chitosan-Coated Biodegradable Implant Materials Manufactured from a Magnesium Alloy


Akça C. , Uğurlu D.

International Eurasian Conference on Science, Engineering and Technology (EurasianSciEnTech 2018), Ankara, Turkey, 22 - 23 November 2018, pp.184

  • Publication Type: Conference Paper / Summary Text
  • City: Ankara
  • Country: Turkey
  • Page Numbers: pp.184

Abstract

Due to their crystal structure and strong metallic bonds, the use of metal and metal alloys as implant materials is high. However, permanent metallic biomaterials that have been used for many years have some disadvantages such as toxic effects and mechanical properties which are very different from bone.

The aim of this study is to eliminate the majority of the disadvantages of permanent implants by developing antimicrobial implants from biopolymer (chitosan) coated biodegradable magnesium-alumintum-zinc (Mg-Al-Zn) alloys.

The biocompatible and biodegradable metallic skeleton (Mg-Al-Zn alloy) will eliminate the possible negative effects of the implant materials used today and will not have to be removed by a secondary surgical operation due to its biodegradable structure. In addition, Zn, one of the components of the alloy, has antibacterial properties and the main component Mg is used in many metabolic activities in the human body. Chitosan, a biopolymer approved by the Food and Drug Administration (FDA) to be used in the design, reduces the rate of degradation of the magnesium alloy, but will also prevent possible infections due to its spontaneous antibacterial and antifungal properties.

In this study, considering the above conditions, Al and Zn alloy AZ91 magnesium alloy and low molecular weight chitosan polymer were used to delay the degradation rate of the implant and provide the main antimicrobial effect. In this alloy Al is expected to provide corrosion resistance and hardness, while Zn is expected to support the antibacterial effect. The magnesium alloy was immersed in a simulated body fluid (SBF) with and without coating, with a specially prepared pH of 7.4. Magnesium alloy samples were sized 3x3x1 cm and then sanded in order to obtain optimum surface smoothness on 400-600-1200 grit papers. Subsequently, the prepared samples were coated with 3 different concentrations of chitosan using 1 - 3% - 5% immersion coating method. Subsequently, 4 magnesium samples, one uncoated and three coated, were immersed in SBF prepared according to the formula of Taş and measurements were taken at 1, 2, 3, 7, 14, 21, 28 days. Corrosion rate, weight loss and ICP-OES test methods and antimicrobial effect were determined by Broth Microdilation method.

Kristal yapıları ve sahip oldukları güçlü metalik bağlar sayesinde metal ve metal alaşımlarının implant malzemesi olarak kullanım oranı yüksektir. Ancak uzun senelerdir kullanılan kalıcı metalik biyomalzemeler, toksik etkiler ve kemik ile çok farklı olan mekanik özellikleri gibi birtakım dezavantajlara sahiptirler.
Bu çalışmanın amacı, biyopolimer (kitosan) kaplamalı biybozunur magnezyum
-alümintum-çinko (Mg-Al-Zn) alaşımlarından, antimikrobiyal implant geliştirilmesi yoluyla kalıcı implantların dezavantajların büyük bir çoğunluğunun ortadan kaldırılmasıdır.

Biyouyumlu ve biyobozunur metalik iskelet (Mg-Al-Zn alaşımı), günümüzde kullanılan implant malzemelerin olası negatif etkilerinin ortadan kalkmasını sağlayacak ve biyobozunur yapısı sayesinde ikincil bir cerrahi operasyon ile çıkarılması gerekmeyecektir. Ayrıca alaşımın bileşenlerinden Zn, antibakteriyel özellik göstermekte ve ana bileşen Mg ise insan vücudunda birçok metabolik faaliyette kullanılmaktadır. Tasarımda kullanılacak olan FDA (Food and Drug Administration) tarafından onaylanmış biyopolimer olan kitosan magnezyum alaşımının bozunma hızını azaltmakla beraber, aynı zamanda kendiliğinden antibakteriyel ve antifungal özellikte olması sebebiyle, olası enfeksiyonların da önüne geçecektir.

Bu çalışmada, yukarıdaki durumlar göz önünde bulundurularak Al ve Zn alaşımlı AZ91 magnezyum alaşımı, implantın bozunma hızını geciktirmek ve esas antimikrobiyel etki sağlayabilmek amacıyla ise düşük molekül ağırlıklı kitosan polimeri kullanılmıştır. Bu alaşımda Al korozyon dayanımı ve sertlik sağlarken, Zn’nun ise antibakteriyel etkiye destek vermesi beklenmektedir. Magnezyum alaşımı kaplamalı ve kaplamasız olarak özel hazırlanmış pH 7.4 olarak ayarlanan bir yapay vücut sıvısı (simulated body fluid, SBF) içerisine daldırılmıştır. Magnezyum alaşımlı numuneler 3x3x1 cm olarak boyutlandırılıp ardından 400-600-1200 gritlik kağıtlarda optimum yüzey pürüzsüzlüğünü elde etmek amacıyla zımparalanmıştır. Ardından hazırlanan numuneler %1-%3- %5 olmak üzere daldırma kaplama yöntemi kullanılarak 3 farklı konsantrasyondaki kitosan ile kaplanmıştır. Sonrasında bir kaplamasız ve üç kaplamalı olmak üzere 4 magnezyum numunesi Taş’ın formülüne göre hazırlanmış olan SBF içerisinde daldırılmıştır ve 1, 2, 3, 7, 14, 21, 28 günlük periyotlarda ölçümler alınmıştır. Bahsedilen günlerde alınan ölçümlerle korozyon hızı, ağırlık kaybı ve ICP-OES test yöntemleriyle, antimikrobiyal etkisi ise Broth Mikrodilasyon yöntemiyle belirlenmiştir.