Development and characterization of mesoporous gallium doped zirconia coatings obtained by sol-gel technique

Infections related to biomaterial implantation are a major clinical problem, mainly owing to the formation of biofilm which is recalcitrant to antimicrobial agents. Biofilm-associated bacteria show a decreased susceptibility to antibiotics, disinfectants and clearance by host defence. The World Health Organisation (WHO) has recently recognized antimicrobial resistance as one of the three most important problems affecting human health. It is thus necessary to prevent bacterial colonization. For this purpose, considering the problem of the increasing incidence of Multi-Drug Resistant pathogens implant infections, the research is developing alternative approach to the use of antibiotics, which are based on the modification of the implant surface with the aim to inhibit bacterial adhesion and limit bacterial proliferation. One of the most promising strategies is the creation of antibacterial coatings, incorporating metallic antibacterial agents. Inorganic antibacterial agents, such as Gallium, were found very attractive for the doping of biomaterials as they possess many advantages like antibacterial ability, excellent biocompatibility and satisfactory stability. In this study, mesoporous gallium doped zirconia coatings were developed with the aims of providing antibacterial activity and performing as doping agent. The coatings have been synthesized via sol-gel dip/spin-coating technique. Sol-gel dip/spin coating method represents an alternative approach for the coating preparation with such potential advantages as higher purity and homogeneity, lower processing temperature (which allow to entrap organic molecules and to modify coating properties, e.g. mechanical properties), reduced film thickness, ability to form an uniform coating over complex geometric shapes, low cost and relative ease of production. Three kind of coatings were produced in this study, that differ for gallium concentration (i.e. specifically 5%-10%-20%). Pluronic F127 was used as templating agent to create the mesoporous structure. Several analysis were performed in order to characterize the structure of the coatings. Particular attention was focused in the analysis of Gallium release. In fact, several release tests were performed because an important specification of this study was to obtain a stable structure of coating that release gallium in the long-term. Moreover, in vitro tests were performed to evaluate the cytocompatibility and antibacterial activity of the coatings.

Le infezioni causate dall'impianto di un biomateriale rappresentano un importante problema clinico, principalmente a causa della formazione di biofilm da parte di agenti antimicrobici. I batteri associati al biofilm mostrano una minore sensibilità agli antibiotici, ai disinfettanti e alla clearance dalla difesa ospite. L'Organizzazione mondiale della sanità (OMS) ha recentemente riconosciuto la resistenza antimicrobica come uno dei tre problemi più importanti che riguardano la salute umana. È quindi necessario prevenire la colonizzazione batterica. A tale scopo, considerando il problema della crescente incidenza di infezioni di agenti patogeni Multi-Drug Resistant, la ricerca sta sviluppando un approccio alternativo all'uso di antibiotici, che si basa sulla modifica della superficie dell'impianto con l'obiettivo di inibire l'adesione batterica e limitare la proliferazione batterica. Una delle strategie più promettenti è la creazione di rivestimenti antibatterici, che incorporano agenti antibatterici metallici. Agenti antibatterici inorganici, come il gallio, sono stati trovati molto attraenti per il drogaggio di biomateriali in quanto possiedono molti vantaggi come capacità antibatterica, eccellente biocompatibilità e stabilità soddisfacente. In questo studio, sono stati sviluppati rivestimenti mesoporosi di zirconia drogato con gallio allo scopo di fornire attività antibatterica e svolgere un'azione di dopante per la zirconia. I rivestimenti sono stati sintetizzati tramite tecnica sol-gel dip / spin-coating. Il metodo sol-gel dip / spin coating rappresenta un approccio alternativo per la preparazione del rivestimento con vantaggi potenziali come purezza e omogeneità più elevate, temperatura di processo inferiore (che consente di intrappolare le molecole organiche e modificare le proprietà del rivestimento, ad esempio proprietà meccaniche), spessore del film ridotto , capacità di formare un rivestimento uniforme su forme geometriche complesse, basso costo e relativa facilità di produzione. In questo studio sono stati prodotti tre tipi di rivestimenti, che differiscono per la concentrazione di gallio (cioè in particolare 5% -10% -20%). Pluronic F127 è stato utilizzato come agente templante per creare la struttura mesoporosa. Sono state eseguite diverse analisi per caratterizzare la struttura dei rivestimenti. Particolare attenzione è stata focalizzata nell'analisi del rilascio di Gallio. Sono stati eseguiti numerosi test di rilascio perché una specifica importante di questo studio era di ottenere una struttura stabile di rivestimento che rilasciasse il gallio a lungo termine. Inoltre, sono stati eseguiti test in vitro per valutare la citocompatibilità e l'attività antibatterica dei rivestimenti.