Badanie działania antybakteryjnego kompozytów na bazie poli(L-laktydu) przeznaczonych na biodegradowalne gwoździe śródszpikowe

• Autorzy: Domalik-Pyzik P. , Morawska-Chochół A. , Rzewuska M. , Szaraniec B. , Chłopek J.

Warianty tytułu

EN

Antibacterial activity study of poly(L-lactide) composites for novel biodegradable intramedullary nails

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

Implantacja gwoździ śródszpikowych wiąże się z ryzykiem wystąpienia poważnej infekcji kości spowodowanej zakażeniem bakteryjnym. Tradycyjna antybiotykoterapia w tym przypadku ma wiele ograniczeń. Rozwiązaniem tego problemu może być lokalne dostarczanie leku bezpośrednio do miejsca implantacji. Jednym ze sposobów na realizację takiego rozwiązania jest stosowanie pokryć tradycyjnych gwoździ metalowych pokrytych degradowalnym materiałem polimerowym pozwalającym na kontrolowane uwalnianie substancji leczniczej. Autorzy poszli o krok dalej proponując wytworzenie nowatorskich gwoździ śródszpikowych z materiału degradowalnego, któremu nadano właściwości antybakteryjne poprzez wprowadzenie do resorbowalnej matrycy polimerowej antybiotyku w postaci siarczanu gentamycyny (GS). Dodatkowo osnowę z poli(L-laktydu) (PLA) zmodyfikowano wprowadzając druty ze stopów magnezu (MG), włókna węglowe (CF), włókna alginianowe (ALG) oraz nanocząstki fosforanu trójwapnia (TCP) w różnych układach. Test aktywności antybakteryjnej przeprowadzono z użyciem szczepu metycilino-wrażliwego Staphylococcus pseudintermedius. Dokonano analizy ilościowej i jakościowej stref zahamowania wzrostu bakterii utworzonych wokół badanych fragmentów gwoździ. Wykazano, że wszystkie zaproponowane materiały kompozytowe z dodatkiem gentamycyny wykazują działanie hamujące wzrost i namnażanie bakterii, najsilniejsze w przypadku układów PLA/CF/ ALG/GS oraz PLA/CF/ALG/TCP/GS. Działanie to utrzymuje się nawet po 12 dniach od pierwszego wysiewu. Ponadto badania wykazały, że gwóźdź PLA/MG również wykazuje słabe oddziaływanie antybakteryjne pomimo braku dodatku w postaci antybiotyku, jednak działanie to zostaje zablokowane po wprowadzeniu TCP do matrycy polimerowej.

EN

Intramedullary nails implantation carries a risk of a serious bone infection caused by bacteria. In this case traditional antibiotic therapy has many limitations. A good solution to the problem can be local drug delivery directly to the implantation site. One of the ways to implement such solution is to use, on the surface of traditional metallic nails, degradable polymer coatings that enable controlled drug release. Authors went a step further by proposing to fabricate novel intramedullary nails entirely from degradable material that has been endowed with antibacterial properties. Antibacterial protection was provided by the introduction of an antibiotic - gentamicin sulphate (GS) to the poly(L-lactide) (PLA) matrix. Into the resorbable matrix the following modifying phases were also introduced: magnesium alloy wires (MG), carbon fibers (CF), alginate fibers (ALG) and tricalcium phosphate nanoparticles (TCP), in various systems. Antibacterial activity test was carried out using methicillin-sensitive strain Staphylococcus pseudintermedius. Qualitative and quantitative analysis of bacteria growth inhibition zones formed around studied nails’ samples were performed. It has been proven that all of the proposed composite materials with gentamicin addition showed inhibitory effect on growth and proliferation of bacteria, with the strongest in the case of PLA/CF/ALG/GS and PLA/CF/ALG/TCP/GS systems. The inhibitory effect was maintained even after 12 days since the first inoculation. Moreover, the study proved that PLA/MG nails also showed some antibacterial activity, despite lack of the antibiotic addition. However, after introduction of TCP to the matrix, this action has been blocked.

Słowa kluczowe

PL

działanie antybakteryjne; biodegradowalne kompozyty; implanty dla ortopedii; polilaktyd

EN

antibacterial activity; biodegradable composites; orthopaedic implants; polylactide

• Wydawca: Polish Society for Biomaterials in Cracow
• Czasopismo: Engineering of Biomaterials
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 18, no. 133
• Strony: 7--13
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz., tab., zdj.

Twórcy

autor

Domalik-Pyzik P.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Katedra Biomateriałów, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Morawska-Chochół A.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Katedra Biomateriałów, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Rzewuska M.

• Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego, Wydział Medycyny Weterynaryjnej, Katedra Nauk Przedklinicznych, ul. Ciszewskiego 8, 02-786 Warszawa

autor

Szaraniec B.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Katedra Biomateriałów, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Chłopek J.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Katedra Biomateriałów, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

Bibliografia

• [1] S. Rabin, et al. Immune Response to Implants. J.H. Calhoun (Ed.). Medscape 2012.
• [2] J. Ciampolini, K.G. Harding: Pathophysiology of chronic bacterial osteomyelitis. Why do antibiotics fail so often? Postgrad. Med. J. 76, 898 (2000) 479-483.
• [3] A. Trampuz, W. Zimmerli: Diagnosis and treatment of infections associated with fracture-fixation devices. Injury 37, 2 (2006) S59-66.
• [4] M. Baro, E. Sánchez, A. Delgado, A. Perera, C. Evora: In vitro--in vivo characterization of gentamicin bone implants. J. Control. Release 83, 3 (2002) 353-364.
• [5] M.Y. Krasko, J. Golenser, A. Nyska, M. Nyska, Y.S. Brin, A.J. Domb: Gentamicin extended release from an injectable polymeric implant. J. Control. Release 117, 1 (2007) 90-96.
• [6] E. Sánchez, M. Baro, I. Soriano, A. Perera, C. Evora: In vivoin vitro study of biodegradable and osteointegrable gentamicin bone implants. Eur. J. Pharm. Biopharm. 52, 2 (2001) 151-158.
• [7] M. Lucke, B. Wildemann, S. Sadoni, C. Surke, R. Schiller, A. Stemberger, M. Raschke, N.P. Haas, G. Schmidmaier: Systemic versus local application of gentamicin in prophylaxis of implant--related osteomyelitis in a rat model. Bone 36, 5 (2005) 770-778.
• [8] M. Lucke, G. Schmidmaier, S. Sadoni, B. Wildemann, R. Schiller, N. Haas, M. Raschke: Gentamicin coating of metallic implants reduces implant-related osteomyelitis in rats. Bone 32, 5 (2003) 521-531.
• [9] A.K. Dash, G.C. Cudworth: Therapeutic applications of implantable drug delivery systems. J. Pharmacol. Toxicol. Methods 40, 1 (1998) 1-12.
• [10] A. Morawska-Chochół, J. Chłopek, P. Domalik, M. Boguń: New composite materials based on polylactide matrix for intramedullary nails. Eng. Biomater. 106-108 (2011) 99-104.
• [11] A. Morawska-Chochół, J. Chłopek, P. Domalik-Pyzik, B. Szaraniec, E. Grzyśka: Magnesium alloy wires as reinforcement in composite intramedullary nails. Biomed. Mater. Eng. 24, 2 (2014) 1507-1515.
• [12] A. Morawska-Chochół, P. Domalik-Pyzik, J. Chłopek, B. Szaraniec, J. Sterna, M. Rzewuska, M. Boguń, R. Kucharski, P. Mielczarek: Gentamicin release from biodegradable poly-l-lactide based composites for novel intramedullary nails. Mater. Sci. Eng. C 45 (2014) 15-20.
• [13] Y. Qin: Gel swelling properties of alginate fibers. J. Appl. Polym. Sci. 91, 3 (2004) 1641-1645.
• [14] D.A. Robinson, R.W. Griffith, D. Shechtman, R.B. Evans, M.G. Conzemius: In vitro antibacterial properties of magnesium metal against Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa and Staphylococcus aureus. Acta Biomater. 6,5 (2010) 1869-1877.
• [15] F. Tamimi, D. Le Nihouannen, D.C. Bassett, S. Ibasco, U. Gbureck, J. Knowles, A. Wright, A. Flynn, S.V. Komarova, J.E. Barralet: Biocompatibility of magnesium phosphate minerals and their stability under physiological conditions. Acta biomater. 7, 6 (2011) 2678-2685.