Surface characterization and bacterial contamination of different biomaterials for artificial joints : correlation between surface properties and bacterial response

The World Health Organization (WHO) has recently recognized antimicrobial resistance as one of the most important problems facing human health. Infections related to biomaterials implantation now constitute a significant clinical problem, and are the most common cause of implant failure, bringing with them high rates of morbidity and mortality. Profound knowledge about the effects of the different surface features on microbial inhibition response of biomaterials is required both for better understanding of in-vivo behavior of implants and surface engineering of biomaterials. The purpose of this experimental work is to clarify whether surface characteristic could influence bacteria adhesion and biofilm development in order to study the resistance of the biomaterials to bacterial proliferation and to identify the material with the best antibacterial performances. A selection of biomaterials currently used in orthopedic applications, has been considered in the present work in order to verify intrinsic antibacterial adhesion properties towards the two biofilm formers strains Staphylococcus aureus and Staphylococcus epidermidis. The aim was to determine the effect of the surface characteristics, peculiar for each material, on the bacterial response. To correlate the data of surface topography characterization to the microbiological behaviour, a simulation of bacterial infection on the surfaces has been performed.

L’Organizzazione mondiale della sanità (WHO) ha riconosciuto la resistenza antibatterica dei biomateriali come uno dei principali obiettivi della ricerca biomedica nel campo dei dispositivi medici impiantabili. Le infezioni relative ai biomateriali costituiscono al giorno d’oggi un problema clinico rilevante, e costituiscono una causa comune del fallimento dell’impianto, provocando un alto tasso di morbilità e mortalità. A questo proposito è sempre più necessario approfondire le conoscenze riguardo all’influenza delle proprietà superficiali sull’adesione e sulla colonizzazione batterica dei biomateriali sia per meglio comprendere il comportamento di un impianto in-vivo, sia per sviluppare tecniche di ingegneria delle superfici sempre più innovative ed efficaci contro la contaminazione batterica. Lo scopo di questo lavoro sperimentale è proprio quello di chiarire in che modo le caratteristiche superficiali possano influenzare l’adesione batterica e lo sviluppo del biofilm, lo strato creato dai batteri al di sotto del quale proliferano proteggendosi dall’azione degli antibiotici. L’obiettivo del lavoro è quello di studiare la resistenza dei biomateriali alla proliferazione batterica e identificare il substrato che presenta intrinsecamente le migliori prestazioni antibatteriche. Sono stati considerati differenti biomateriali attualmente in uso per le applicazioni ortopediche per studiare le proprietà antibatteriche a seguito della contaminazione con Staphylococcus aureus e Staphylococcus epidermidis. Per correlare i dati di caratterizzazione superficiale al comportamento microbiologico, è stata eseguita una simulazione di infezione batterica sulle superfici.