Antibacterial Surfaces for Biomedical Applications
Doctoral thesis, 2020

Medical devices such as orthopedic implants are intended to serve for improved quality of life. However, clinical success cannot be taken for granted and the most common reason for failure is due to biomaterials associated infection (BAI). An implantation surgical site is a susceptible environment for bacterial colonization, which in combination with compromised immune system, results in that bacteria can develop biofilms on the implant surface or in adjacent tissue. Once such a biofilm has established, it may lead to an infection that cannot be eradicated by means of traditional antibiotics, often resulting in revision surgery. Wounds after post implantation surgery is another risk for bacterial colonization into underlying tissue and increases further the susceptibility to infection. These and other bacteria related complications are today becoming more serious due to the rapid increase of antibiotic resistance worldwide. This has resulted in that many available antibiotics are losing their potency against bacteria and consequently, treating an infection with antibiotics is not working as effectively as in the past.

The objective of this thesis was to find new solutions to address the complications associated with bacterial colonization through applying preventive measures by designing antibacterial surfaces for inhibition of early biomaterials associated and wound infection. For this purpose, two types of antibacterial surfaces were designed and evaluated. In the first type, a local drug-delivery system based on mesoporous Titania thin films were developed. These films were to serve as implant coatings where antibiotics are released locally at the implantation site to prevent biofilm formation and subsequent tissue colonization. In the second approach, antibacterial surfaces were developed through covalent immobilization of a cationic antimicrobial peptide (AMP), thus creating surfaces that kill bacteria upon contact.

The overall results in this thesis, which are presented as four papers, suggest that the developed antibacterial surfaces are promising to use in future biomedical applications.

Elastin-like polypeptides

antimicrobial peptides

antibiotic delivery

Antibacterial surfaces

mesoporous titania

contact killing surfaces

Infection

PJ-salen, Fysikgården 2B.
Opponent: Professor Henk Busscher , University of Groningen

Author

Saba Atefyekta

Chalmers, Chemistry and Chemical Engineering, Applied Chemistry, Martin Andersson Group

Antimicrobial performance of mesoporous titania thin films: role of pore size, hydrophobicity, and antibiotic release

International journal of nanomedicine,; Vol. 11(2016)p. 977-990

Journal article

Development of a photon induced drug-delivery implant coating

Materials Science and Engineering C,; Vol. 98(2019)p. 619-627

Journal article

Antibiofilm elastin-like polypeptide coatings: functionality, stability, and selectivity

Acta Biomaterialia,; Vol. 83(2019)p. 245-256

Journal article

Atefyekta, S, Blomstrand, E, Rajasekharan, A, Svensson, S, Trobos, M, Hong, J, Webster, T. J, Thomsen, P, and Andersson, M. Antimicrobial peptide functionalized mesoporous hydrogels

Medicintekniska produkter, som exempelvis ortopediska och dentala implantat, har hjälpt miljontals människor till ett förbättrat aktivt liv. I de flesta fall är insättning av implantat en lyckad behandlingsform, men ibland kan det leda till svårhanterliga komplikationer. Det vanligaste problemet med implantat är förekomsten av bakteriella infektioner, där närvaron av ett artificiellt material ökar risken för att få en infektion samt försvårar för kroppens immunförsvar att häva den. En infektion som fås i samband med att man opererar in implantat kallas för biomaterialassocierad infektion (BAI) och orsakas till stor del av en bakteriekolonisering på ytan av implantatet där det växer till en klibbig samling av bakterier som kallas för biofilm. Dessa biofilmer har en hög motståndskraft mot både kroppens immunförsvar och antibiotikabehandling och kan orsaka allvarliga infektioner som ofta leder till att implantatet mister sin funktion och måste plockas bort.

En annan infektionsrisk, bl.a. i samband med implantat-operationer är såren som också är mottagliga för bakteriekolonisering. Då immunsystemet är förvagat av det kirurgiska ingreppet är behandlingen av sådana infektioner mestadels bestående av en långvarig systemisk antibiotikabehandling. Problemet är dock att dagens antibiotika har börjat att förlora sin effekt och inte längre biter på infektioner som de gjorde förr. Detta är en följd av det växande problemet med antibiotikaresistens, där vårt felaktiga överanvändade av antibiotika har resulterat i att bakteriella infektioner inte längre kan behandlas. Dessutom kan långvariga antibiotikabehandlingar orsaka negativa biverkningar för patienterna. – En lösning på detta problem är att använda antibakteriella ytbeläggningar på medicinska produkter för att förhindra BAI och sårinfektion.

I denna avhandling har två olika typer av antibakteriella ytbeläggningar utvecklats och testats. Tanken med tillvägagångssätten är att de skall fungera förebyggande, för att minska användningen av antibiotika och/eller införa nya alternativ för att ersätta dem. I det ena tillvägagångssättet utformades ett lokalt läkemedelsleveranssystem där antibiotika administreras direkt från ytan av ett implantat med effektivare verkan som följd. I det andra tillvägagångssättet utvecklades en kontaktdödande yta genom att kemiskt förankra bakteriedödande små proteiner till ytan. Sådana små proteiner, s.k. antimikrobiella peptider (AMP) är naturligt förekommande som en del av vårt immunförsvar och kan mycket effektivt döda bakterier samtidigt som de är ofarliga för våra egna celler. Ytor med AMPar har  utformas för att användas som antibakteriella implantatbeläggningar och sårförband.

Förhoppningen är att resultaten i denna avhandlingen bidrar till att forma framtidens medicintekniska produkter och genom minskning av antibiotikaanvändandet kan vara en del i att bekämpa antibiotikaresistens.

Subject Categories

Infectious Medicine

Bioengineering Equipment

Medical Materials

Driving Forces

Innovation and entrepreneurship

Areas of Advance

Materials Science

ISBN

978-91-7905-228-7

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4695

Publisher

Chalmers University of Technology

PJ-salen, Fysikgården 2B.

Opponent: Professor Henk Busscher , University of Groningen

More information

Latest update

1/22/2020