Antimicrobial effect of cold atmospheric plasma to pegdma hydrogel with cell encapsulation tests

Abstract

Polimer temelli, 3 boyutlu doku iskelelerinin sterilizasyonunda kullanılmakta olan yöntemler yetersiz kalmakta, polimerin kimyasal ve mekanik özelliklerini değiştirmektedir. Soğuk atmosferik plazma antimikrobiyal etkisi bilinen maddenin dördüncü halidir. Bu çalışmada soğuk atmosferik plazmanın polimer sterilizasyonunda halihazırda kullanılan sterilizasyon tekniklerine karşı alternatif bir yöntem olarak antimikrobiyal etkisi, hücre canlılığına ve polimer yapısı üzerine etkileri araştırılmıştır. Soğuk atmosferik plazmanın ilk olarak E. coli ve S. aureus bakterileri üzerine antimikrobiyal etkisi belirlenmiştir. İki farklı antimikrobiyal test uygulaması yapılmıştır. İlkinde plazma uygulanan PEGDMA solüsyonu her iki bakteri türü ile karıştırılmış, diğerinde ise kontamine edilen PEGDMA solüsyonu plazma uygulamasına tabi tutulmuştur. Bütün plazma uygulama sürelerinde bakteri yoğunluğunda 5-log düşüş görülerek tam inaktivasyon elde edilmiştir. PEGDMA içerisine enkapsüle edilen L929 fibroblast hücreleri ile yapılan canlılık deneylerinde ise artan plazma uygulama sürelerinin hücre canlılığını düşürdüğü, en uygun sürenin 1 dakika olduğu MTT ve LIVE&DEAD testleri ile belirlenmiştir. 1 dakika plazma uygulama süresinin hücre canlılığını %560,71 oranında artırdığı görülmüştür. Kontrol ve plazma uygulanan jellerin mekanik özellikleri reometre yardımı ile belirlenmiştir. Elde edilen verilerde plazma uygulamasının mekanik özellikler üzerinde etki yapmadığı görülmüştür. Ayrıca plazma uygulanan PEGDMA solüsyonunun antimikrobiyal etkisi hücre besi ortamına ekilen E. coli ve S. aureus bakterileri ile incelenmiştir. PT-PEGDMA solüsyonunun her iki bakteri için düşük konsantrasyonlarda bakteri üremesini baskıladığı görülmüştür. Bu sayede plazma uygulamasının antibiyotik kullanımını azaltabileceği öngörülmüştür. Sonuç olarak doku iskelesi sterilizasyonunda plazmanın uygun bir teknik olduğu görülmüştür.

Sterilization techniques that are used for polymer based 3D scaffolds are uneffective and changes polymer chemical and mechanical properties. Cold atmospheric plasma is well-known antimicrobial agent that is the fourth state of matter. In this study, antimicrobial effect, cold atmospheric plasma effects on cell viability and polymer structure were investigated as an alternative method for sterilization techniques used in polymer sterilization. Firstly, the antimicrobial effect of cold atmospheric plasma on both bacteria E. coli and S. aureus was determined. Two different antimicrobial tests were performed. First, the plasma-treated PEGDMA solution was mixed with both bacterial species and in another, contaminated PEGDMA solution was treated with plasma. A 5-log decrease in bacterial density was observed in all plasma application periods and complete inactivation was obtained. In the viability tests that were performed with L929 fibroblast cells encapsulated into PEGDMA, increasing plasma application times decreased cell viability and the most suitable time that was determined with MTT and LIVE&DEAD tests was 1 minute for cell viability. It was observed that 1 minute plasma application time increased cell viability by 560,71%. Mechanical properties of control and plasma applied gels were determined by rheometry. It was observed that plasma application did not affect the mechanical properties. In addition, the antimicrobial effect of the plasma PEGDMA solution was investigated with E. coli and S. aureus bacteria that were inoculated in the cell media. The PT-PEGDMA solution was found to suppress bacterial growth in low concentrations for both bacteria. Thus, it is predicted that plasma treatment may reduce the use of antibiotics. As a result, it has been seen that plasma is a suitable technique for sterilization of scaffold.