Kirschner telleri (K-telleri), özellikle küçük çaplı kırıkların tedavisinde kemik fiksasyonu için geçici süreli ve yaygın şekilde kullanılan pürüzsüz paslanmaz çelik pimlerdir, Şekil 4.14. Genellikle deriden geçirilerek kullanılmaktadır. Bu, derideki bakterilerin kemiğe geçmesine neden olur ve pim kanalı enfeksiyonu olarak adlandırılan bir enfeksiyonla sonuçlanır. Genellikle bu tür enfeksiyonlara implant yüzeyine tutunabilen ve biyofilm oluşturan Staphylococcus aureus ve Staphylococcus epidermidis neden olmaktadır. Biyofilm tabakası, bakterilerileri antibiyotiklerden koruduğu için tedaviyi olumsuz etkiler ve kemik dokusunun iyileşmesini engeller. İmplantla ilişkili bu tür enfeksiyonlar genellikle pimin çıkarılması ve sistemik (lokal olmayan) antibiyotik uygulaması ile tedavi
edilmektedir. Ancak kırık sabitlenmeden pimin çıkarılması risklidir. Ayrıca, yüksek sistemik dozlar da risk yaratabilir [92, 138].
Şekil 4.14. a) K-telleri ve b) uygulama örneği [157]
Bu tür harici kemik fiksatörlerinin kullanımı ile enfeksiyon oranının %33’e kadar çıkabileceği belirtilmektedir. Bakteriyel oluşumların ve enfeksiyonun önlenmesi için pimlerin antibiyotiklerle kaplanması veya implant yüzeyinin modifiye edilmesi bu tür sorunlara bir çözüm getirebilir. Başka bir strateji ise, kemik fiksasyonu için kullanılan paslanmaz çelik tellerin, titanyum gibi biyouyumlu, osseointegrasyon ve üstün mekanik özelliklere sahip başka bir malzeme ile değiştirilmesidir [138].
Gulati ve ark. yapmış olduğu çalışmada, implantın neden olduğu bakteriyel enfeksiyonların oral yolla tedavisinde yaygın olarak kullanılan bir antibiyotik olan Gentamicin model ilaç olarak kullanılmış ve TNT yapısından salım özellikleri araştırılmıştır. Bu yaklaşım geleneksel ilaç uygulamasının aksine, kemik sabitleme yüzeyinden implantın etrafındaki enfeksiyonlu bölgeye doğrudan ilaç salımı sağlayarak gelişmiş anti-bakteriyel etki sunmaktadır. Buna göre, bir Ti tel yüzeyinde (tel uzunluğu 2,5 cm ve çapı 0,75 mm) anodizasyonla TiO2 nanotüp tabakası üretilmiştir. Üretilen nanotüpler yaklaşık 170 nm çapında ve 70 µm uzunluğundadır. TNT yapısına Gentamicin yüklenmiş ve TNT-Ti tellerin ilaç salım karakteristikleri ölçülmüştür. TNT-Ti tel implantların şematik gösterimi, Şekil 4.15.'de verilmektedir [138].
Şekil 4.15. Ti tel kemik implantı, şematik. a) Anodize Ti tel yüzeyindeki TNT tabakası, b) içerisine ilaç yüklenmiş TNT yapısı ve c) ilaç moleküllerinin TNT yapısından ortama salımı [138]
TNT-Ti teller deiyonize su ile temizlenip azot ile kurutulmuştur. Su içerisinde %1 (ağ./hac.) Gentamicin sülfat ilaç çözeltisi hazırlandıktan sonra, 100 μl ilaç çözeltisi nanotüp yüzeyine pipetlenip havada kurumaya bırakılmıştır. Kuruma sonrasında, yumuşak bir doku ile yüzeyde biriken fazla ilaç temizlenmiştir. Yükleme, kurutma ve silme adımları nanotüplere tatmin edici miktarda ilaç yüklemek için 20 kez tekrarlanmıştır [138].
Nanotüplerde yüklü ilaç miktarı termogravimetrik analiz (TGA) ile belirlenmiştir. İlaç ayrışmasının doğru aralığını bulmak için, 20 ila 25 mg ilaç TGA içerisine platin kefeye konup yakma fırınında 20°C'den 800°C'ye ısıtılmış ve ilacın karakteristik piki elde edilmiştir. Daha sonra, ilaç yüklü TNT'ler karakterize edilmiş ve mevcut doğru ilaç miktarını hesaplamak için ilacın pik noktası saptanmıştır. TGA çalışmaları, ilacın TNT’lere yaklaşık 0,2 mg (veya 200 μg) bir yükleme miktarı ile başarılı bir şekilde yüklendiğini teyit etmiştir, Şekil 4.16. [138].
Şekil 4.16. TNT’lerin içerisine yüklenmiş ilaç (Gentamicin) miktarını gösteren TGA grafiği [138]
İlaç yüklü TNT-Ti tel numunesinden ilaç salımı, 5 ml fosfat tamponlu tuz çözeltisi (PBS) içine daldırılarak belirlenmiştir. PBS’ye salınan ilaç miktarı, UV-Vis spektroskopisi kullanılarak ölçülmüştür. Fışkırma salımını izlemek için ilk 6 saatte kısa aralıklarla ölçümler yapılmış, ardından yavaş salımı gözlemlemek için, tüm ilaç miktarı PBS'ye salınana kadar her 24 saatte bir ölçüm yapılmıştır. UV-Vis spektroskopisi ile yapılan ölçümlerde absorbans/soğurma 290 nm'de ölçülmüş ve uygun ilaç konsantrasyonu, ilaç için bilinen kalibrasyon eğrisine dayanarak hesaplanmıştır. Buna göre salım profili, fışkırma ve yavaş salım aşamaları için bir “salım yüzdesi-zaman” grafiğinde gösterilmiştir. TNT-Ti tele yüklenen Gentamicin’in hem hızlı salım (fışkırma) fazını hem de toplam salımını gösteren salım profilleri Şekil 4.17.'de sunulmaktadır (salım PBS içerisinde gerçekleştirilmiştir). Görüldüğü üzere teller, fışkırma salımı ve 11 gün süren yavaş salım süreci olmak üzere, iki fazlı bir salım göstermiştir [138].
% ilaç salımı 12,7±1,2 36,2±0,8 39,6±0,5 48,5±4,2 75,1±13,6 100,0±0,0 ağ. (mg) salım 25,4±3,3 72,4±1,4 79,2±0,9 97,0±5,8 150,2±24,1 200±0,1
Not: İlacın TNT yapısından salım karakteristikleri, UV-Vis spektrometresi ile farklı zaman aralıklarında % ve ağırlık (µg) olarak belirlenmiştir. Yüklenen toplam ilaç miktarı TGA ile 200 µg olarak belirlenmiştir.
Hızlı salım (fışkırma) aşamasında salınan ilaç miktarı yaklaşık 72 µg (%37) olup, ortopedik cerrahi sonrası kemik enfeksiyonlarını önlemek için ilk birkaç saat içinde yüksek bir lokal antibiyotik konsantrasyonu sağlamak için uygundur. İkinci aşamada, tüm salım tamamlanana kadar (başka bir deyişle salım saptanmayana dek) 11 gün boyunca TNT-Ti'den çok yavaş ve lineer olarak artan kümülatif salım gerçekleşmiş, dolayısıyla farklı bir ilaç salım kinetiği gözlenmiştir. Bu aşamada, salımın difüzyon kontrollü olduğu ve Gentamicin’in TNT boyunca difüzyonla taşındığı ileri sürülmektedir. Difüzyon kontrollü bir salım modelinde, difüzyon prosesine bağlı olarak konsantrasyon gradyanındaki azalmadan dolayı, ilaç moleküllerinin salım oranı da zamanla azalır [138].
TNT'lerin büyük yüzey alanı ve uzun kılcal benzeri yapıları göz önüne alındığında, ilacın PBS'ye difüzyonu, yüzeye bağlı bir durum olarak tarif edilebilir. Şöyle ki, TNT yüzeyi negatif yüklü, Gentamicin’in kimyasal grupları ise pozitif yüklü olduğundan (bkz. Şekil 4.15.), ilaç ile TNT yüzeyi arasında meydana gelen elektrostatik bir etkileşimin de bu ilacın gözlemlenen uzun süreli salımında etkili olabileceği bildirilmiştir [138].
Lin ve ark., 25V-40V-60V-85V anodizasyon potansiyelleri altında 200 nm uzunluğunda ve sırasıyla 80 nm, 120 nm, 160 nm ve 200 nm çaplarında TiO2
Numunelerin yüzey SEM görüntüleri Şekil 4.18.’de verilmiştir. Üst sıradakiler ilaç yüklenmeden önce alınan görüntüler olup, alt sıradakiler ise ilaç (Gentamicin) yüklü nanotüp yapılarını göstermektedir [140].
Şekil 4.18. Farklı çaptaki (80, 120, 160 ve 200 nm) nanotübüler yüzeylerin SEM görüntüleri. Alt sırada ilaç yüklü yüzeyler görülmektedir (NT: nanotüp, NT-G: İlaç/Gentamicin yüklü nanotüp) [140]
Nanotüplere yüklenmek üzere hazırlanan ilaç solüsyonundaki Gentamicin miktarı 2 mg’dır. Farklı çaptaki nanotüpler için Denklem (4.1)’e göre hesaplanan yükleme verimleri, yüklenen toplam ilacın yaklaşık %75-80’lik bir oranının nanotüplerin içinde hapsedildiğine işaret etmektedir, Tablo 4.3. [140].
Tablo 4.3. İlacın (Gentamicin) fışkırma ve toplam salımı (57 saat) [140]
Numune Yüklenen toplam ilaç miktarı (µg/disk) Fışkırma salımı(µg) Toplam salım (µg) NT-G80 1519,27 79,01 91,45 NT-G120 1524,25 85,96 98,73 NT-G160 1587,46 132,98 142,57 NT-G200 1605,08 143,51 157,85
Not: NT-G, Gentamicin yüklü nanotüpler. Örneğin NT-G80, Gentamicin yüklü 80 nm çapındaki TNT yapısını ifade etmektedir.
Tablo 4.3.'de görüldüğü gibi, Gentamicin’in G80, G120, G160 ve NT-G200'den ilk (fışkırma) salımı miktarsal olarak sırasıyla 79.01, 85.96, 132.98 ve 143.51μg’dır. Bu fışkırma salımından sonra, nanotüplerden ortama salınan Gentamicin miktarı neredeyse sabit kalmıştır. Daha büyük çaplı (160 nm veya 200 nm) nanotüplerden daha küçük çaplı (80 nm veya 120 nm) olanlara göre daha fazla (%) ilaç salımı olduğu görülmektedir. Bununla birlikte, sonuçlar Gentamicin’in
etki sergilemiştir. Gentamicin yüklü nanotübüler yapıların (NT-G) düz Ti veya nanotübüler Ti'a kıyasla bakteriyel yapışma ve biyofilm oluşumunu önemli ölçüde engelleyebildiği ve daha geniş çaplı NT-G yapılarından daha uzun ilaç salım süresi nedeniyle, 160 nm ve 200 nm çaplı NT-G yapılarının daha güçlü antibakteriyel aktivite gösterdiği bildirilmiştir. Ayrıca, hücre çalışmalarının sonuçları NT-G ve NT'nin, özellikle her iki yapı için de 80 nm çapındakilerin, düz Ti'ye kıyasla hücre tutunmasını, çoğalmasını, yayılmasını ve osteojenik farklılaşmayı önemli ölçüde desteklediğini ve aynı çaplara sahip NT-G ile NT arasında önemli bir fark olmadığını göstermiştir. Tüm bu sonuçlar göz önüne alındığında, nanotüp modifikasyonu ve Gentamicin yüklemesinin, ortopedik implantların antibakteriyel kabiliyetini ve osteojenik aktivitesini önemli ölçüde geliştirebileceği bildirilmektedir [140].