Nanotube generation on Titanium Kirschner wire and electrophoretic deposition of gentamicin and chitosan

The failure percentage in hip and knee arthroplasties caused by infection is around 1-2%, but the number of procedures is so high that their success is of great importance. The main problem of the treatment is that only a small amount of drug reaches the infection; localized drug delivery systems represent a solution. With the application of a voltage, Titanium can form a nanotubular oxide layer that can be used as a pocket for an antibacterial drug. The focus of this work is the use of electrophoretic deposition (EPD) to load gentamicin into the nanotubes and apply a chitosan coating to obtain a prolonged release in time. A two-step anodization process was considered to create the nanostructure on a Titanium wire resulting in a nanotube morphology was characterized by a diameter of 100 nm and a length of 7 μm. Different times and voltages were exploited for EPD, and Air-dry method was used to confirm the efficacy of the technique. Electrophoretic deposition resulted in a higher amount of drug loaded with all the parameter combinations tested, with respect to ADM. The application of chitosan was then integrated into the process with a two-step EPD: a first deposition step of a solution of chitosan and gentamicin and a second step of chitosan only. Crosslinking of chitosan with Sodium Tripolyphosphate (TPP) allowed logarithmic release kinetics for up to 3 days, with a high increase of gentamicin in the first 7h and a subsequent stabilization of the antibiotic until day 3. The in vitro tests with bacteria showed the efficacy of the implant against Staphylococcus aureus. An elliptical inhibition zone (3.5 cm as minor axis and 4.5 cm as major axis) was observed around the loaded wire. In contrast, none was observed around a non-loaded wire or a wire loaded with only chitosan. In conclusion,the efficacy of electrophoretic deposition as loading method for trapping gentamicin into nanotubes was proved, and the application of chitosan was successful in offering a prolonged release in time. In vitro tests confirmed the efficacy against Staphylococcus aureus.

La percentuale di fallimento di artroplastica a causa di infezioni è attorno all’ 1-2 %, ma il così elevato numero di procedure ne rende il successo un punto focale. Il problema maggiormente riscontrato nelle terapie è la scarsa quantità di antibiotico che realmente raggiunge il sito di infezione; l’applicazione di sistemi di rilascio di farmaco localizzati rappresenta una valida alternativa. Grazie all’applicazione di una differenza di potenziale, il Titanio è in grado di formare uno strato di ossido in forma tubulare che può essere utilizzato per immagazzinare antibiotici. Questo lavoro è focalizzato sull’utilizzo della deposizione elettroforetica per caricare la gentamicina nei nanotubi e sull’applicazione di uno strato di chitosano per ottenere un rilascio prolungato nel tempo. Un processo di anodizzazione a due step è stato considerato per creare la nanostruttura su fili di Titanio ottenendo un diametro di 100 nm e una lunghezza di 7 μm. Differenti combinazioni di parametri per la deposizione elettroforetica sono state testate, al fine di calibrare la procedura in base a tempo e voltaggio applicati. Tale procedura è risultata essere più efficacie dell’Air Dry Method in tutte le combinazioni di parametri analizzate. L’applicazione del chitosano è stata inserita nel processo considerando due step di deposizione elettroforetica: uno caratterizzato da una soluzione composta da gentamicina e chitosano ed uno con solo chitosano. In aggiunta, il crosslinking con Tripolifostato ha consentito un rilascio logaritmico nel tempo fino a 3 giorni. Gli esperimenti in vitro con i batteri hanno mostrato l’efficacia dell’impianto contro lo Stafilococco aureo, creando una zona di inibizione ellittica attorno al filo di titanio di 4 cm