Bactericidal behaviour of Ti6Al4Vsurfaces after exposure to UV-C light

Abstract

TiO2-coated biomaterials that have been excited with UV irradiation have demonstrated biocidal properties in environmental applications, including drinking water decontamination. However, this procedure has not been successfully applied towards the killing of pathogens on medical titanium-based implants, mainly because of practical concerns related to irradiating the inserted biomaterial in situ. Previous researchers assumed that the photocatalysis on the TiO2 surface during UV application causes the bactericidal effects. However, we show that a residual post-irradiation bactericidal effect exists on the surface of Ti6Al4V, not related with photocatalysis. Using a combination of staining, serial dilutions, and a biofilm assay, we show a significant and time-dependent loss in viability of different bacterial strains of Staphylococcus epidermidis and Staphylococcus aureus on the post-irradiated surface. Although the duration of this antimicrobial effect depends on the strains selected, our experiments suggest that the effect lasts at least 60 min after surface irradiation. The origin of such phenomena is discussed in terms of the physical properties of the irradiated surfaces, which include the emission of energy and changes in surfaces charge occurring during electron-hole recombination processes. The method here proposed for the preparation of antimicrobial titanium surfaces could become especially useful in total implant surgery for which the antimicrobial challenge is mainly during or shortly after surgery.

Los biomateriales recubiertos de TiO2 que han sido excitados con irradiación UV han demostrado propiedades biocidas en aplicaciones medioambientales, incluida la descontaminación del agua potable. Sin embargo, este procedimiento no se ha aplicado con éxito a la eliminación de patógenos en implantes médicos de titanio, principalmente por cuestiones prácticas relacionadas con la irradiación in situ del biomaterial insertado. Los investigadores anteriores asumieron que la fotocatálisis en la superficie de TiO2 durante la aplicación de UV causa los efectos bactericidas. Sin embargo, nosotros demostramos que existe un efecto bactericida residual post-irradiación en la superficie de Ti6Al4V, no relacionado con la fotocatálisis. Utilizando una combinación de tinción, diluciones seriadas y un ensayo de biopelícula, mostramos una pérdida significativa y dependiente del tiempo en la viabilidad de diferentes cepas bacterianas de Staphylococcus epidermidis y Staphylococcus aureus en la superficie post-irradiada. Aunque la duración de este efecto antimicrobiano depende de las cepas seleccionadas, nuestros experimentos sugieren que el efecto dura al menos 60 min tras la irradiación de la superficie. El origen de estos fenómenos se discute en términos de las propiedades físicas de las superficies irradiadas, que incluyen la emisión de energía y los cambios en la carga de las superficies que se producen durante los procesos de recombinación electrón-hueco. El método aquí propuesto para la preparación de superficies de titanio antimicrobianas podría resultar especialmente útil en la cirugía total de implantes, para la que el reto antimicrobiano es principalmente el de los implantes de titanio.