Geri Dön

Titanyum esaslı medikal malzeme yüzeyinde bakteriyel tutunma ve biyofilm oluşumunun incelenmesi

Investigation of microbial adhesion and biofilm formation on the surface of titanium based medical material

PDF İndir

  1. Tez No: 779428
  2. Yazar: SEMİH BAYRAKTAR
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ESRA SUNGUR
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Mikrobiyoloji, Microbiology
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Biyoloji Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Temel ve Endüstriyel Mikrobiyoloji Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 103

Özet

Biyomedikal malzemeler kalça, diz, omuz, diş vb. gibi insan vücudunun çeşitli bölgelerinde doku veya organın işlevini artırmak ve tedavi etmek amacıyla kullanılan, mekanik ve kimyasal dayanım gibi özelliklere sahip olan, zararlı veya toksik etki oluşturmayan biyouyumlu malzemelerdir. Biyomedikal uygulamalarda en sık kullanılan biyomalzeme, Ti-6Al-4V ELI (TAV) alaşımıdır. Cerrahi uygulama sonrası biyomedikal malzeme yüzeyinde bakterilerin kolonizasyonu sonucunda biyofilm tabakası oluşabilir ve böylece protez enfeksiyonları ortaya çıkabilir. Protez enfeksiyonları, yüksek maliyet ve morbidite nedeniyle en önemli komplikasyondur. Protez ilişkili enfeksiyonlardan sorumlu mikroorganizmalar arasında S. aureus en yaygın izole edilen bakteri türüdür. Bakteriyel tutunmayı önleyerek biyofilm oluşumuna dirençli biyomalzemeler elde etmek için yüzey modifikasyonu ve yüzey kaplama gibi çeşitli stratejiler geliştirilmektedir. Bu yüzey modifikasyon işlemleri arasında, titanyum bazlı malzemelerin yüzeyinde nano boyutta yapıların oluşturulması da yer almaktadır. Ortopedik/dental protezlerin başarısını arttırmaya yönelik olarak özellikle TiO2 nanotüpleri üzerine odaklanılan çalışmaların sayısının zamanla arttığı görülmektedir. Bu tez çalışmasında esas olarak, TAV yüzeyinde oluşturulmuş TiO2 nanotüplerin, S. aureus ATCC 6538 bakteri suşunun yüzeye tutunması ve biyofilm oluşturması üzerine bir etkisi olup olmadığının ortaya konulması hedeflenmiştir. Ayrıca biyofilm yoğunluğundaki ve yapısındaki olası değişimlerin, nanotüplerin fiziksel olarak varlığından mı yoksa yapısında bulunan TiO2'nin toksik etkisinden mi kaynaklandığını tespit etmek de amaçlanmıştır. Bu amaçlar doğrultusunda, biyofilm deneylerinde 3 farklı TAV kuponu kullanılmıştır: 1) Yüzeyinde nanotüp oluşturulmuş (TAV-1) deney kuponları, 2) yüzeyinde termal oksidasyon işlemi ile TiO2 tabakası oluşturulan (TAV-2) deney kuponları ve 3) parlak yüzeye sahip (TAV-3) kontrol kuponları. TAV-1 deney kuponları Yıldız Teknik Üniversitesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği'nden temin edilmiştir. Farklı yüzey özelliklerine sahip bu deney ve kontrol kuponları 168 sa süresince S. aureus ATCC 6538 bakteri suşuna maruz bırakılarak yüzeylerinde biyofilm oluşumu sağlanmıştır. Belirli örneklem saatlerinde (2, 4, 8, 10, 12, 24, 48, 72, 96, 120, 144 ve 168 sa) kuponlardan biyofilm örnekleri toplanmış ve biyofilmdeki bakteri sayısı ile birlikte hücre dışı polisakkarit madde elde edilerek içeriğindeki toplam karbonhidrat miktarı tespit edilmiştir. Ayrıca biyofilmin yapısı SEM analizi ile incelenmiştir. TAV kuponlarının deneyin 2. sa'sındaki SEM görüntüleri, S. aureus'un 3 TAV kuponunun yüzeyine de tutunduğunu göstermektedir. Bakteriyolojik analiz sonucunda, deneyin 2. sa'sında her 3 TAV kuponunda saptanan bakteri sayılarının da birbirine yakın değerlerde olduğu saptanmıştır. Bu bulgular, nanotüplerin ve TiO2 tabakasının bakteriyel tutunmayı engellemediğini göstermektedir. Ancak en yüksek biyofilm yoğunluğu, TAV-1 kuponunda 8. sa'da gözlemlenirken, TAV-2 ve TAV-3 kuponlarında 10. sa'da tespit edilmiştir. Ayrıca, TAV-1 kuponunun yüzeyindeki biyofilmin büyüme sürecini takip eden durgun fazının, TAV-3 kontrol kuponundakine göre daha uzun sürdüğü gözlemlenmiştir. Elde edilen bu veriler, TAV-1 kuponundaki biyofilmin diğer kuponlara göre 2 sa daha erken olgunlaştığını ve daha geç ölüm fazına girdiğini göstermektedir. TAV-1, TAV-2 ve TAV-3 kuponlarından elde edilen bakteri sayıları arasında anlamlı bir farkın olmadığı tespit edilmiştir. Bununla birlikte, TAV-3 kontrol kuponunun 168. sa'daki SEM görüntüsü, kültür yöntemi ile saptanan bakteri sayısının aksine biyofilmin çok daha fazla sayıda bakteri içerdiğini ve ayrıca çok tabakalı ve katman halinde biyofilm oluşturarak tüm yüzeyi kapladığını göstermektedir. Bu durum, S. aureus bakterisinin oluşturduğu biyofilm tabakası çok yoğun olduğunda, 2 dk'lık sonikasyon işleminin yetersiz olduğunu göstermektedir. DAPI boyama işlemi sonucu elde edilen fotoğraflar da bu sonucu destekler niteliktedir. Bu nedenle, sonikasyon işlemi süresinin bakteri suşuna ve uygulanan deney koşullarına göre belirlenmesi gerektiği söylenebilir. Ayrıca, SEM görüntüsünün, bakteri sayısının tespitinde kullanılan yöntemin eksikliğini ortaya koymuş olması, biyofilm çalışmalarında SEM analizinin önemi vurgulamaktadır. SEM görüntülerinde, TAV-3 kuponunun aksine, TAV-1 ve TAV-2 kuponunda bakteri hücrelerinin yüzeyde kümeler halinde bulundukları ve biyofilmin tüm yüzeyi örtmediği gözlemlenmiştir. Böylece kupon yüzeylerinde oluşturulan nanotüplerin ve TiO2 tabakasının, biyofilm yapısını değiştirdiği ve çok katmanlı biyofilm oluşumunu engellediği söylenebilir. TAV-1 kuponundaki biyofilmden elde edilen EPS'deki toplam karbonhidrat miktarının, biyofilm oluşumunun ilk saatlerinde (2 ve 4. sa) TAV-2 ve TAV-3 kuponuna göre daha yüksek olduğu tespit edilmiştir. Bu durum, nanotüplerin fiziksel varlığının biyofilm oluşturulmasına karşı yarattığı olumsuz etkinin üstesinden gelebilmek için bakterilerin daha fazla EPS ürettiği şeklinde yorumlanabilir. Deney süresince, TAV-2 kuponunda saptanan toplam karbonhidrat miktarının, TAV-1 ve TAV-3 kuponlarına kıyasla anlamlı derecede daha fazla olduğu tespit edilmiştir. EPS sentezindeki bu artış, kupon yüzeyindeki TiO2 tabakasının toksik etkisinden kaynaklanabilir. Sonuç olarak, bu tez çalışmasında, kupon yüzeylerinde oluşturulan nanotüplerin ve TiO2 tabakasının, bakteriyel tutunmaya karşı azaltıcı/önleyici bir etkisinin bulunmadığı sonucuna ulaşılmıştır. Ancak bu yapıların, hem olgunlaşma sürecindeki biyofilmin gelişim fazlarının sürelerini hem de yapısını değiştirdiği ve bunun yanı sıra çok katmanlı yoğun bir biyofilm oluşumunu engelledikleri görülmüştür. TAV-1 ve TAV-2 kuponlarından elde edilen bulgular doğrultusunda, nanotüplerin biyofilmin gelişimi üzerine tespit edilen bu olumsuz etkisinin, fiziksel yapılarından ziyade yapısında bulunan TiO2'den kaynaklandığı söylenebilir. Elde edilen tüm veriler değerlendirildiğinde, protez kaynaklı enfeksiyon riskinin azaltılmasında nanotüplerin biyomedikal malzeme olarak kullanımının fayda sağlayabileceği kanısına varılmıştır.

Özet (Çeviri)

Biomedical materials are biocompatible materials that are used to increase and treat the function of tissues or organs in various parts of the human body such as hips, knees, shoulders, teeth, have mechanical and chemical resistance, and do not cause harmful or toxic effects. The most commonly used biomaterial in biomedical applications is Ti-6Al-4V ELI (TAV) alloy. As a result of the colonization of bacteria on the surface of the biomedical material after surgical application, a biofilm layer may form and thus prosthetic infections may occur. Prosthetic infections are the most important complication due to high cost and morbidity. Among the microorganisms responsible for prosthetic-associated infections, S. aureus is the most commonly isolated bacterial species. Various strategies such as surface modification and surface coating have been developed to obtain biomaterials that are resistant to biofilm formation by preventing bacterial attachment. These surface modification processes include the creation of nano-sized structures on the surface of titanium-based materials. It is seen that the number of studies focused on TiO2 nanotubes in order to increase the success of orthopedic / dental prostheses has increased over time. In this thesis, it is mainly aimed to determine whether TiO2 nanotubes formed on the TAV surface have an effect on the adhesion and biofilm formation of S. aureus ATCC 6538 bacterial strain. It is also aimed to determine whether the possible changes in biofilm density and structure are due to the physical presence of nanotubes or the toxic effect of TiO2 in its structure. For these purposes, 3 different TAV coupons were used in biofilm experiments: 1) Experiment coupons with nanotubes formed on the surface (TAV-1), 2) test coupons with a TiO2 layer formed on the surface by thermal oxidation process (TAV-2) and 3) control coupons with a shiny surface (TAV-3). TAV-1 test coupons were obtained from Yıldız Technical University Metallurgical and Materials Engineering. These test and control coupons with different surface properties were exposed to S. aureus ATCC 6538 bacterial strain for 168 h, resulting in biofilm formation on their surfaces. Biofilm samples were collected from coupons at certain sampling times (2, 4, 8, 10, 12, 24, 48, 72, 96, 120, 144 and 168 h) and the total carbohydrate content was determined by obtaining the extracellular polysaccharide substance together with the number of bacteria in the biofilm. In addition, the structure of the biofilm was investigated by SEM analysis. SEM images of the TAV coupons at the 2nd hour of the experiment show that S. aureus attaches to the surface of all 3 TAV coupons. As a result of the bacteriological analysis, it was determined that the bacterial counts detected in each of the 3 TAV coupons in the 2nd hour of the experiment were close to each other. These findings show that the nanotubes and TiO2 layer do not inhibit bacterial attachment. However, the highest biofilm density was observed at the 8th hour in the TAV-1 coupon, while it was detected at the 10th hour in the TAV-2 and TAV-3 coupons. In addition, it was observed that the stagnant phase following the growth process of the biofilm on the surface of the TAV-1 coupon lasted longer than that of the TAV-3 control coupon. These data show that the biofilm in the TAV-1 coupon, matures 2 hours earlier and enters the death phase later than the other coupons. It was determined that there was no significant difference between the bacterial counts obtained from the TAV-1, TAV-2 and TAV-3 coupons. However, the SEM image of the TAV-3 control coupon at 168 h shows that, in contrast to the number of bacteria determined by the culture method, the biofilm contains a much higher number of bacteria and also covers the entire surface by forming a multilayered and layered biofilm. This indicates that the 2-minute sonication process is insufficient when the biofilm layer formed by S. aureus bacteria is very dense. The photographs obtained as a result of the DAPI staining process also support this result. Therefore, it can be said that the duration of the sonication process should be determined according to the bacterial strain and the experimental conditions applied. In addition, the fact that the SEM image reveals the inadequacy of the method used to determine the number of bacteria highlights the importance of SEM analysis in biofilm studies. In SEM images, unlike the TAV-3 coupon, it was observed that bacterial cells in TAV-1 and TAV-2 coupon were in clusters on the surface and the biofilm did not cover the entire surface. Thus, it can be said that the nanotubes and TiO2 layer formed on the coupon surfaces change the biofilm structure and prevent the formation of multi-layered biofilm. It was determined that the total amount of carbohydrates in EPS obtained from the biofilm in the TAV-1 coupon was higher in the first hours of biofilm formation (2 and 4 h) compared to the TAV-2 and TAV-3 coupons. This can be interpreted as bacteria producing more EPS in order to overcome the negative effect of the physical presence of nanotubes against biofilm formation. During the experiment, the total amount of carbohydrates detected in the TAV-2 coupon was found to be significantly higher than in the TAV-1 and TAV-3 coupons. This increase in EPS synthesis may be due to the toxic effect of the TiO2 layer on the coupon surface. As a result, in this thesis study, it was concluded that the nanotubes and TiO2 layer formed on the coupon surfaces did not have a reducing/preventing effect against bacterial adhesion. However, it was observed that these structures changed both the duration and structure of the developmental phases of the biofilm in the maturation process, and also prevented the formation of a dense multilayered biofilm. In line with the findings obtained from TAV-1 and TAV-2 coupons, it can be said that this negative effect of nanotubes on the development of biofilm is caused by TiO2 in its structure rather than its physical structure. When all the data obtained were evaluated, it was concluded that the use of nanotubes as a biomedical material could be beneficial in reducing the risk of infection originating from the prosthesis.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    466642

    PEEK esaslı spinal implantların antibakteriyel özelliklerinin ve osteokondüktivitesinin nano yapılı kaplamalarla geliştirilmesi

    Improvement of the antibacterial properties and osteoconductivity of PEEK based spinal implants by nano structured coatings

    SERAP GÜMÜŞ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    BiyoteknolojiKocaeli Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ŞEYDA POLAT

  2. Tez No

    349628

    Farklı elektrolitik çözeltilerde mikro ark oksidasyon işlemi uygulanan Ti6Al4V alaşımının yüzey özelliklerinin karşılaştırılması

    Surfece features of Ti6Al4V alloy micro arc oxidised in different electrolites

    ABDURRAHİM KADİR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2011

    Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HÜSEYİN ÇİMENOĞLU

  3. Tez No

    419010

    Mikro ark oksidasyon yöntemiyle zirkonyuma biyo uyumlu ve antibakteriyel oksit kaplanması

    Bio active and antibacterial oxide layers on zirconium bio materials using micro arc oxidation treatment

    SİNEM FİDAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    Biyomühendislikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HÜSEYİN ÇİMENOĞLU

  4. Tez No

    292203

    Mikro ark oksidasyon yöntemiyle titanyum esaslı implantların yüzey özelliklerinin geliştirilmesi

    Improvement of surface properties of titanium based implants with micro-arc method

    FAİZ MUHAFFEL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2010

    Biyomühendislikİstanbul Teknik Üniversitesi

    İleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HÜSEYİN ÇİMENOĞLU

  5. Tez No

    250997

    Surface treatment of Ti-6Al-7Nb alloy by thermal oxidation

    Ti-6Al-7Nb alaşımının termal oksidasyon yöntemiyle yüzey özelliklerinin geliştirilmesi

    MEHTAP DENİZ ÜNLÜ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2009

    Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HÜSEYİN ÇİMENOĞLU

Geri Dön