Bimetallic systems of silver and platinum nanoparticles: biological effects on human tissue cells and antimicrobial activity
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Date
2019
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Abstract
Implant-associated infections still represent major clinical challenges, and the development of novel antimicrobial strategies for preventing implant colonization by microorganisms, such as biomaterials containing silver (Ag), is of great importance. Since ionic Ag (Ag+) is the biologically active form of Ag, the amount of released Ag+ determines its antibacterial activity and can be enhanced by surface enlargement (nanosilver) or by a sacrificial anode effect. Thus, this thesis aimed the crosslinking between nanotechnology and the sacrificial anode principle to achieve an Ag-based system with enhanced Ag+ release resulting in improved antimicrobial properties. Therefore, Ag was combined with the electrochemically more noble platinum (Pt) in the form of (i) bimetallic alloyed silverplatinum nanoparticles (AgPt NP) and (ii) physical mixtures of pure Ag NP and Pt NP. Subsequently, the resulting Ag+ release, the antimicrobial activity as well as cell viability, migration, and differentiation of tissue cells were analyzed. For the bimetallic AgPt NP an overall lower toxicity and decreased dissolution compared to pure Ag NP were demonstrated, which excluded a sacrificial anode effect. These findings were based on electrochemical Ag stabilization in a Pt alloy and not reported previously for AgPt NP. However, during long-term NP exposure, a Pt-related osteopromotive activity was demonstrated for the first time, concomitantly with an inhibited osteoclastogenesis, which correlated with enzyme-mimetic Pt properties. For the physical Ag/Pt NP mixtures, for the first time, biological and analytical examination demonstrated a substantially accelerated and enhanced Ag+ release resulting in improved antimicrobial activity compared to same amounts of pure Ag NP, obviously based on a Ptinduced sacrificial anode effect. In conclusion, considering the Pt-related osteo-promotive activity and the improved antimicrobial activity of physical Ag/Pt NP mixtures, these findings have a high potential in biomedicine for the development of innovative anti-infective and osteo-promotive implant materials and coatings, which may support bone regeneration.
Implantat-assoziierte Infektionen stellen nach wie vor hohe klinische Herausforderungen dar, und die Entwicklung neuer antimikrobieller Strategien zur Vermeidung der Kolonisierung von Implantaten durch Mikroorganismen, beispielweise durch den Einsatz von Biomaterialien, welche Silber (Ag) enthalten, ist von großer Bedeutung. Da ionisches Ag (Ag+) die biologisch aktive Form von Ag ist, bestimmt die Menge an freigesetztem Ag+ die antimikrobielle Wirksamkeit, und kann durch Vergrößerung der Oberfläche (Nanosilber) oder durch Ausnutzung des Opferanodenprinzips gesteigert werden. Daher war es Ziel dieser Arbeit die Nanotechnologie mit dem Opferanodenprinzip zu verknüpfen, um ein Ag-basiertes System mit erhöhter Ag+-Freisetzung und verbesserten antimikrobiellen Eigenschaften zu erhalten. Dazu wurde Ag mit dem elektrochemisch edleren Platin (Pt) in Form von (i) bimetallischen legierten Silber-Platin-Nanopartikeln (AgPt NP) und (ii) physikalischen Mischungen aus reinen Ag NP und Pt NP kombiniert. Anschließend wurden die resultierende Ag+-Freisetzung, die antimikrobielle Aktivität, sowie Zellviabilität, Migration und Differenzierung von Gewebszellen analysiert. Im Falle der bimetallischen AgPt NP wurden eine insgesamt geringere Toxizität sowie eine geringere Auflösung im Vergleich zu reinen Ag NP nachgewiesen, und ein Opferanodeneffekt somit ausgeschlossen. Dieses Ergebnis konnte auf die elektrochemische Stabilisierung von Ag in der Legierung mit Pt zurückgeführt werden, und wurde bisher für AgPt NP nicht gezeigt. Darüber hinaus wurde nach Langzeitexposition erstmals ein Pt-basierter osteo-promotiver Effekt einhergehend mit inhibierter Osteoklastogenese demonstriert, welcher mit den enzym-mimetischen PtEigenschaften korrelierte. Für physikalische Ag/Pt NP Mischungen ergaben biologische und analytische Untersuchungen erstmalig eine signifikant erhöhte und beschleunigte Ag+-Freisetzung, was zur verbesserten antimikrobiellen Aktivität im Vergleich zur gleichen Menge reiner Ag NP führte, offensichtlich basierend auf einem Pt-induzierten Opferanodeneffekt. Zusammenfassend weisen diese Ergebnisse, unter Berücksichtigung der Pt-basierten osteo-promotiven Aktivität und der erhöhten antimikrobiellen Aktivität physikalischer Ag/Pt NP Mischungen, ein hohes Potential in der Biomedizin hinsichtlich der Entwicklung neuartiger antimikrobieller und osteo-promotiver Implantatmaterialien und -beschichtungen zur Unterstützung der Knochenregeneration auf.
Implantat-assoziierte Infektionen stellen nach wie vor hohe klinische Herausforderungen dar, und die Entwicklung neuer antimikrobieller Strategien zur Vermeidung der Kolonisierung von Implantaten durch Mikroorganismen, beispielweise durch den Einsatz von Biomaterialien, welche Silber (Ag) enthalten, ist von großer Bedeutung. Da ionisches Ag (Ag+) die biologisch aktive Form von Ag ist, bestimmt die Menge an freigesetztem Ag+ die antimikrobielle Wirksamkeit, und kann durch Vergrößerung der Oberfläche (Nanosilber) oder durch Ausnutzung des Opferanodenprinzips gesteigert werden. Daher war es Ziel dieser Arbeit die Nanotechnologie mit dem Opferanodenprinzip zu verknüpfen, um ein Ag-basiertes System mit erhöhter Ag+-Freisetzung und verbesserten antimikrobiellen Eigenschaften zu erhalten. Dazu wurde Ag mit dem elektrochemisch edleren Platin (Pt) in Form von (i) bimetallischen legierten Silber-Platin-Nanopartikeln (AgPt NP) und (ii) physikalischen Mischungen aus reinen Ag NP und Pt NP kombiniert. Anschließend wurden die resultierende Ag+-Freisetzung, die antimikrobielle Aktivität, sowie Zellviabilität, Migration und Differenzierung von Gewebszellen analysiert. Im Falle der bimetallischen AgPt NP wurden eine insgesamt geringere Toxizität sowie eine geringere Auflösung im Vergleich zu reinen Ag NP nachgewiesen, und ein Opferanodeneffekt somit ausgeschlossen. Dieses Ergebnis konnte auf die elektrochemische Stabilisierung von Ag in der Legierung mit Pt zurückgeführt werden, und wurde bisher für AgPt NP nicht gezeigt. Darüber hinaus wurde nach Langzeitexposition erstmals ein Pt-basierter osteo-promotiver Effekt einhergehend mit inhibierter Osteoklastogenese demonstriert, welcher mit den enzym-mimetischen PtEigenschaften korrelierte. Für physikalische Ag/Pt NP Mischungen ergaben biologische und analytische Untersuchungen erstmalig eine signifikant erhöhte und beschleunigte Ag+-Freisetzung, was zur verbesserten antimikrobiellen Aktivität im Vergleich zur gleichen Menge reiner Ag NP führte, offensichtlich basierend auf einem Pt-induzierten Opferanodeneffekt. Zusammenfassend weisen diese Ergebnisse, unter Berücksichtigung der Pt-basierten osteo-promotiven Aktivität und der erhöhten antimikrobiellen Aktivität physikalischer Ag/Pt NP Mischungen, ein hohes Potential in der Biomedizin hinsichtlich der Entwicklung neuartiger antimikrobieller und osteo-promotiver Implantatmaterialien und -beschichtungen zur Unterstützung der Knochenregeneration auf.
Description
Table of contents
Keywords
Silver, Platinum, Bimetallic nanoparticles, Human stem cells, Bone, Bacteria, Antimicrobial enzymatic activity, Osteo-promotive enzymatic activity, Antimicrobial osteo-promotive enzymatic activity, Implant-related infections, Implant coatings, Biomaterials