Impact of PLA/Mg films degradation on surface physical properties and biofilm survival

Abstract

New biocompatible and bioabsorbable materials are currently being developed for bone regeneration. These serve as scaffolding for controlled drug release and prevent bacterial infections. Films of polylactic acid (PLA) polymers that are Mg-reinforced have demonstrated they have suitable properties and bioactive behavior for promoting the osseointegration process. However little attention has been paid to studying whether the degradation process can alter the adhesive physical properties of the biodegradable film and whether this can modify the biofilm formation capacity of pathogens. Moreover, considering that the concentration of Mg and other corrosion products may not be constant during the degradation process, the question that arises is whether these changes can have negative consequences in terms of the bacterial colonization of surfaces. Bacteria are able to react differently to the same compound, depending on its concentration in the medium and can even become stronger when threatened.

In this context, physical surface parameters such as hydrophobicity, surface tension and zeta potential of PLA films reinforced with 10% Mg have been determined before and after degradation, as well as the biofilm formation capacity of Staphylococcus epidermidis.

The addition of Mg to the films makes them less hydrophobic and the degradation also reduces the hydrophobicity and increases the negative charge of the surface, especially over long periods of time. Early biofilm formation at 8 h is consistent with the physical properties of the films, where we can observe a reduction in the bacterial biofilm formation. However, after 24 h of incubation, the biofilm formation increases significantly on the PLA/Mg films with respect to PLA control. The explosive release of Mg ions and other corrosion products within the first hours were not enough to prevent a greater biofilm formation after this initial time. Consequently, the Mg addition to the polymer matrix had a bacteriostatic effect but not a bactericidal one. Future works should aim to optimize the design and biofunctionality of these promising bioabsorbable composites for a degradation period suitable for the intended application.

Actualmente se están desarrollando nuevos materiales biocompatibles y bioabsorbibles para la regeneración ósea. Sirven de andamiaje para la liberación controlada de fármacos y evitan las infecciones bacterianas. Las películas de polímeros de ácido poliláctico (PLA) reforzadas con Mg han demostrado tener propiedades adecuadas y un comportamiento bioactivo para promover el proceso de osteointegración. Sin embargo, se ha prestado poca atención al estudio de si el proceso de degradación puede alterar las propiedades físicas adhesivas de la película biodegradable y si esto puede modificar la capacidad de formación de biopelículas de patógenos. Además, teniendo en cuenta que la concentración de Mg y otros productos de corrosión puede no ser constante durante el proceso de degradación, la cuestión que se plantea es si estos cambios pueden tener consecuencias negativas en cuanto a la colonización bacteriana de las superficies. Las bacterias son capaces de reaccionar de forma diferente ante un mismo compuesto, dependiendo de su concentración en el medio, e incluso pueden volverse más fuertes cuando se ven amenazadas.

En este contexto, se han determinado los parámetros físicos de la superficie, como la hidrofobicidad, la tensión superficial y el potencial zeta de las películas de PLA reforzadas con un 10% de Mg antes y después de la degradación, así como la capacidad de formación de biopelículas de Staphylococcus epidermidis. La adición de Mg a las películas las hace menos hidrófobas y la degradación también reduce la hidrofobicidad y aumenta la carga negativa de la superficie, especialmente durante largos periodos de tiempo. La formación temprana de biopelículas a las 8 h es coherente con las propiedades físicas de las películas, donde podemos observar una reducción en la formación de biopelículas bacterianas. Sin embargo, tras 24 h de incubación, la formación de biofilm aumenta significativamente en las películas de PLA/Mg con respecto al control de PLA. La liberación explosiva de iones de Mg y otros productos de corrosión en las primeras horas no fueron suficientes para evitar una mayor formación de biofilm después de este tiempo inicial. En consecuencia, la adición de Mg a la matriz polimérica tuvo un efecto bacteriostático pero no bactericida. Futuros trabajos deberían tener como objetivo optimizar el diseño y la biofuncionalidad de estos prometedores composites bioabsorbibles para un periodo de degradación adecuado a la aplicación prevista.