Mikrosfery nanokompozytowe – przełom w leczeniu defektów kostnych

Jakie cele i metody badania zostały zastosowane?

Badanie eksperymentalne przeprowadzone przez zespół naukowców koncentruje się na opracowaniu zaawansowanych mikrosfer nanokompozytowych składających się z bioaktywnego szkła (bioglass), alginianu sodu (SA) i poliwinylopirolidonu (PVP), z dodatkiem amoksycyliny z kwasem klawulanowym. Celem pracy było stworzenie biomateriału o właściwościach bioaktywnych i przeciwbakteryjnych dla zastosowań w inżynierii tkanki kostnej.

Metodyka badania opierała się na syntezie bioaktywnego szkła metodą zol-żel o składzie CaO (32%), SiO₂ (57%) i P₂O₅ (11%), a następnie utworzeniu mikrosfer z matrycą polimerową SA-PVP w stosunku wagowym 7:2:1 (SA:PVP:bioglass). Do tego układu dodano amoksycylinę z kwasem klawulanowym w różnych stężeniach (0%, 5%, 10% i 15%). Mikrosfery formowano poprzez wkraplanie mieszaniny do roztworu CaCl₂, co prowadziło do sieciowania i utworzenia hydrożelowych mikrosfer.

Czy techniki analityczne odsłaniają strukturę mikrosfer?

Badacze przeprowadzili szczegółową charakterystykę otrzymanych mikrosfer przy użyciu dyfraktometrii rentgenowskiej (XRD), spektroskopii w podczerwieni (FTIR), mikroskopii elektronowej (SEM) z analizą pierwiastkową (EDX) oraz pomiarów dielektrycznych. Dodatkowo wykonano testy bioaktywności in vitro poprzez zanurzenie próbek w symulowanym płynie ustrojowym (SBF) oraz oceniono właściwości przeciwdrobnoustrojowe wobec bakterii Gram-dodatnich i Gram-ujemnych.

Wyniki XRD wykazały, że otrzymane mikrosfery przed zanurzeniem w SBF miały strukturę amorficzną, natomiast po 28 dniach inkubacji w SBF zaobserwowano tworzenie się fazy hydroksyapatytu, szczególnie intensywne w próbce z najwyższą zawartością antybiotyku (15%). W próbce SP-15 zaobserwowano wyraźne pasma przy 2θ = 31,7° i 45,5°, charakterystyczne dla struktury apatytu, co potwierdza zwiększoną bioaktywność materiału przy wyższych stężeniach leku. Badacze sugerują, że cząsteczki leku mogą działać jako miejsca nukleacji i ułatwiać tworzenie hydroksyapatytu w środowisku SBF.

Obrazowanie SEM potwierdziło sferyczną morfologię cząstek o wymiarach od 350 do 2000 nm, a analiza EDX wykazała obecność kluczowych pierwiastków: krzemu, wapnia, fosforu i tlenu, charakterystycznych dla składu bioaktywnego szkła. Mikrosfery wykazywały dobrze uformowaną strukturę i wysoką stabilność, co jest istotne dla potencjalnych zastosowań w inżynierii tkanki kostnej.

Badania spektroskopowe FTIR wykazały przesunięcia charakterystycznych pasm absorpcyjnych, wskazujące na interakcje między składnikami kompozytu. Zaobserwowano przesunięcia pasm charakterystycznych dla grup karboksylowych alginianu sodu (z 1595 i 1404 cm⁻¹ do 1602 i 1420 cm⁻¹), co świadczy o procesie sieciowania z jonami wapnia. Podobnie, pasma charakterystyczne dla PVP przy 1648 i 1423 cm⁻¹ przesunęły się do 1660 i 1461 cm⁻¹. Intensywność pasm przy 1033 i 801 cm⁻¹, przypisywanych drganiom Si-O-Si, wzrastała wraz ze zwiększaniem zawartości leku, co sugeruje wzmocnienie interakcji między bioglassem a matrycą polimerową.

Po zanurzeniu w SBF zaobserwowano nowe pasma fosforanowe przy 565 i 605 cm⁻¹, potwierdzające tworzenie się hydroksyapatytu na powierzchni mikrosfer, co jest kluczowym wskaźnikiem bioaktywności materiału. Dodatkowo, pojawienie się pasma przy 885 cm⁻¹, przypisywanego drganiom rozciągającym P-O, potwierdza formowanie się warstwy fosforanów wapnia.

Jak wpływają właściwości elektryczne na funkcjonalność biomateriału?

Właściwości dielektryczne mikrosfer wykazały zależność od częstotliwości przyłożonego pola elektrycznego oraz zawartości leku. W zakresie niskich częstotliwości (poniżej 10 kHz) stała dielektryczna wzrastała wraz ze spadkiem częstotliwości, co jest charakterystyczne dla relaksacji dielektrycznej. Zjawisko to wynika z różnych mechanizmów polaryzacji, w tym polaryzacji elektrodowej, międzyfazowej (efekt Maxwella-Wagnera) oraz orientacyjnej. Przy wyższych częstotliwościach (powyżej 10 kHz) stała dielektryczna wykazywała niewielkie zmiany, co sugeruje brak wpływu wspomnianych mechanizmów polaryzacji.

Stała dielektryczna i straty dielektryczne zwiększały się wraz ze wzrostem zawartości amoksycyliny z kwasem klawulanowym, co koreluje z lepszą aktywnością przeciwbakteryjną materiału. Badacze sugerują, że zwiększona polarność kompozytów, wynikająca z wyższej stałej dielektrycznej, może wpływać na ich właściwości przeciwdrobnoustrojowe poprzez zwiększoną polaryzację ładunku i przewodnictwo jonowe, co z kolei może wpływać na uwalnianie leku i interakcje z bakteriami.

Przewodnictwo elektryczne również wzrastało wraz z wyższym stężeniem leku, co wskazuje na lepszą mobilność jonową w materiale. W badaniu wyróżniono dwa zakresy częstotliwości: niski (poniżej 100 kHz), gdzie dominuje przewodnictwo stałoprądowe (DC), oraz wysoki (powyżej 100 kHz), gdzie przewodnictwo wzrasta wraz z częstotliwością. W niższym zakresie nośniki ładunku przemieszczają się przez materiał poprzez skoki dalekiego zasięgu, podczas gdy w wyższym zakresie przewodnictwo wynika z lokalnego ruchu nośników ładunku.

Czy mikrosfery nanokompozytowe otwierają nowe możliwości kliniczne?

Testy przeciwdrobnoustrojowe wykazały, że mikrosfery z dodatkiem antybiotyku skutecznie hamowały wzrost bakterii Staphylococcus aureus, Staphylococcus haemolyticus, Enterococcus faecalis, Klebsiella pneumoniae i Escherichia coli. Strefy zahamowania wzrostu zwiększały się proporcjonalnie do zawartości amoksycyliny z kwasem klawulanowym, osiągając maksymalne wartości dla próbki SP-15 (15% leku). Dla S. aureus strefy inhibicji wynosiły odpowiednio 11, 23, 26 i 28 mm dla próbek SP-0, SP-5, SP-10 i SP-15. Podobne trendy zaobserwowano dla pozostałych bakterii, co potwierdza skuteczność opracowanego systemu dostarczania leku.

Co interesujące, nawet próbka kontrolna bez antybiotyku (SP-0) wykazywała pewne działanie przeciwbakteryjne, prawdopodobnie dzięki uwalnianiu jonów Ca²⁺ i Na⁺ z bioaktywnego szkła, które mogą zaburzać stabilność błony komórkowej bakterii. Jednakże, mikrosfery nie wykazywały aktywności przeciwgrzybiczej wobec Candida albicans i Candida auris, co może wynikać z niewystarczającego stężenia leku lub specyficznego mechanizmu oporności tych grzybów na zastosowany antybiotyk.

Właściwości dielektryczne materiału odgrywają istotną rolę w interakcjach komórkowych, transporcie jonów i sygnalizacji bioelektrycznej, które są kluczowe dla osteogenezy i regeneracji kości. Materiały o wysokiej stałej dielektrycznej mogą zwiększać magazynowanie ładunku i polaryzację, co może ułatwiać adhezję, proliferację i różnicowanie komórek poprzez naśladowanie naturalnego środowiska bioelektrycznego tkanki kostnej. Dodatkowo, zaobserwowana zależność właściwości dielektrycznych od częstotliwości sugeruje obecność polaryzacji międzyfazowej, która może wpływać na adsorpcję białek i interakcje komórkowe, wspierając bioaktywność materiału.

Badanie wykazało, że połączenie bioaktywnego szkła z matrycą SA-PVP oraz amoksycyliną z kwasem klawulanowym tworzy zaawansowany biomateriał o podwójnej funkcjonalności: bioaktywności sprzyjającej regeneracji kości oraz aktywności przeciwbakteryjnej chroniącej przed infekcjami. W przeciwieństwie do konwencjonalnych systemów dostarczania leków opartych na bioglassie, opracowane mikrosfery nanokompozytowe integrują bioaktywność i skuteczność przeciwdrobnoustrojową, a zastosowanie matrycy alginianu sodu-PVP optymalizuje enkapsulację leku i jego stopniowe uwalnianie.

Opracowane mikrosfery nanokompozytowe stanowią obiecującą platformę do kontrolowanego uwalniania antybiotyków w miejscu implantacji, jednocześnie wspierając procesy regeneracji kostnej poprzez tworzenie bioaktywnej warstwy hydroksyapatytu. Taki system dostarczania leku może znaleźć zastosowanie w leczeniu defektów kostnych, szczególnie w przypadkach wysokiego ryzyka infekcji, oferując zintegrowane podejście do regeneracji tkanki i zapobiegania zakażeniom.

Podsumowanie

Badanie koncentruje się na opracowaniu mikrosfer nanokompozytowych składających się z bioaktywnego szkła, alginianu sodu i poliwinylopirolidonu z dodatkiem amoksycyliny i kwasu klawulanowego. Analiza strukturalna wykazała, że mikrosfery mają budowę sferyczną o wymiarach 350-2000 nm i wykazują strukturę amorficzną, która po inkubacji w symulowanym płynie ustrojowym przekształca się w hydroksyapatyt. Badania spektroskopowe potwierdziły skuteczne interakcje między składnikami kompozytu, a właściwości dielektryczne wykazały zależność od częstotliwości pola elektrycznego i zawartości leku. Testy mikrobiologiczne udowodniły skuteczność mikrosfer w hamowaniu wzrostu różnych szczepów bakterii, przy czym efektywność wzrastała wraz ze zwiększeniem stężenia antybiotyku. Opracowany biomateriał łączy bioaktywność sprzyjającą regeneracji kości z aktywnością przeciwbakteryjną, co czyni go obiecującym rozwiązaniem w leczeniu defektów kostnych z ryzykiem infekcji.