Multifunctional tannic acid nanocoatings for bone-anchored implants with reduced infection risk

Tannimplantat og leddimplantat er eksempler på implantater som festes direkte i benvev. For at disse implantatene skal fungere optimalt, er de avhengig av at kroppens immunrespons ikke forhindrer bencellene fra å feste seg til implantatets overflate og at det kan skje en fornyelse av ben rundt vevet. Dessverre kan bakterier som fester seg på implantatets overflate påvirke levetiden og stabiliteten hos implantat. Bakterielle infeksjoner som oppstår i forbindelse med et implantat er ofte veldig motstandsdyktige og vanskelige å behandle. Dagens behandling av bakterielle infeksjoner baserer seg på bruk av antibiotika, men utviklingen av motstandsdyktighet mot antibiotika hos bakteriene setter bruken av implantater i fare. Uten virksomme antibiotika kommer sannsynligvis nåværende behandling at være enda mindre effektiv i fremtiden. Allerede i dag er det å fjerne implantatet ofte den eneste måten å bli kvitt implantatrelaterte infeksjoner. Fjerningen vil være både smertefullt og plagsomt for pasienten. Dette tverrfaglige prosjektet fokuserer på bruken av plantbaserte polyfenoler for å forhindre bakterielle infeksjoner og betennelse i vevet rundt implantatet. I prosjektet skal vi utvikle tynne polyfenolbaserte filmer på implantatoverflaten, deretter skal vi vurdere deres evne til å forhindre bakterielle infeksjoner og betennelse i vevet rundt implantatet. Prosjektets hovedmål er å øke forståelsen for hvordan den tynne filmen på implantatoverflaten blir dannet, samt forstå hvordan reaksjonsbetingelsene påvirker filmens fysiske og kjemiske egenskaper. Polyfenolenes biologiske effekt avhenger av stoffets kjemiske egenskaper. For å kunne lage implantater som kan forhindre at infeksjoner oppstår, er det derfor nødvendig å forstå filmens kjemiske egenskaper. Gjennom å studere reaksjonsbetingelsene i ulike kjemiske miljøer har vi utviklet en ny prosess for å belegge implantatoverflaten med tynne polyfenolbaserte filmen. De utviklete filmene forandret overflateegenskapene hos titanimplantater, og vi oppdaget at filmen endret hvordan proteiner festet til overflaten. De polyfenolbaserte filmene kan også frigi aktive molekyler til det nærliggende vevet. Denne kunnskapen kan vi bruke til å lage implantater som kan bidra til god sårheling og rask bendannelse rundt implantatet, samtidig som filmen skal bidra til å redusere antall bakterier som fester til implantatoverflaten.

For bone-anchored implants, such as dental implants and joint replacements, formation of direct anchorage between the prosthetic material and bone tissue is essential for functionality and long-term stability of the implant. Implant integration is dependent on the appropriate immune response towards the foreign material, resulting in cell-adhesion and regeneration of vital bone tissue surrounding the implant. However, implant integration can be jeopardised by the presence of bacteria, which can cause persistent biomaterial-associated infections that are particularly difficult to treat and often require removal of the implant. Current strategies to control and treat such infections are insufficient and their effectiveness is likely to diminish even further in the imminent era of antibiotic resistance. In this interdisciplinary research project, we focus on developing and thoroughly characterising a bioinspired surface modification strategy based on substrate-independent surface polymerisation of tannic acid, an antioxidant and antibacterial plant polyphenol, to tackle biomaterial-associated infections. We aim to yield fundamental understanding of 1) the reaction mechanism of the in situ surface polymerisation reaction of tannic acid, 2) role of reaction conditions on physical and chemical coating properties, and 3) structure-property relationship involved in governing the biological response towards tannic acid nanocoatings formed under varying reaction conditions. Building on this knowledge, we aim to provide important insight into designing clinically feasible infection-resistant polyphenol-coated implant surfaces that can modulate the wound healing response elicited by the host tissue upon implant placement while simultaneously preventing bacterial colonisation on the implant surface, and thus, reduce the need for prophylactic antibiotics in connection with surgical implantation of biomedical devices.