早期および遅発性のインプラント関連感染症を予防するための抗菌性コーティング

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J Control Release.2020 Jun;326:38-52. S0168-3659(20)30348-5. doi: 10.1016/j.jconrel.2020.06.014.Epub 2020-06-21.

早期および遅発性のインプラント関連感染症を予防するための抗菌性コーティング

Bactericidal coating to prevent early and delayed implant-related infections.

F Jahanmard
M Croes
M Castilho
A Majed
M J Steenbergen
K Lietaert
H C Vogely
B C H van der Wal
D A C Stapels
J Malda
T Vermonden
S Amin Yavari

PMID: 32580041 DOI: 10.1016/j.jconrel.2020.06.014.

抄録

持続的な細菌バイオフィルムの形成を伴うインプラント関連感染（IAI）の発生は、整形外科用生体材料のインプラント後の主要なリスクであることに変わりはない。しかし、IAIを防止するのに十分な殺菌活性を有する調整可能で耐久性のあるインプラントコーティングの製造における進展は限定的であった。ここでは、エレクトロスピン複合コーティングが抗生物質の組み合わせと持続的な送達のために最適化された。抗生物質を含むポリ(ε-カプロラクトン) (PCL)およびポリ1q`(乳酸-コ-グリコール酸) (PLGA)ナノファイバーを格子構造のチタン(Ti)インプラント上に電気紡糸した。バンコマイシン（Van）およびリファンピシン（Rif）の調整可能で独立した送達を達成するために、我々は、薬物放出プロファイルおよびポリマー-Ti界面の耐久性に対する特定の薬物-ポリマー相互作用およびナノファイバーコーティング組成物の影響を調査した。我々は、[PCL/Van]の内層と[PLGA/Rif]の外層のエレクトロスピニングによって生成された二層ナノファイバー構造が、最適な組み合わせの薬物放出プロファイルをもたらすことを発見した。これにより、プランクトン性および付着性黄色ブドウ球菌に対する殺菌活性が、単剤投与と比較して6週間にわたって顕著に向上した。さらに、6週間後には、持続的なVanおよびRif放出の結果として、相乗的な細菌殺傷が観察された。ナノファイバーを充填した格子構造を適用することで、圧入後の多層コーティングの層間剥離を防ぐことに成功しました。この新しい格子設計は、多層ナノファイバー構造と組み合わせて、様々な金属移植可能なデバイスのためのチューナブルで耐久性のあるコーティングを開発するために適用することができます。これは、早期および遅発性の発症IAIを防ぐために、数週間にわたる複数の抗菌剤の放出をチューナブルにするために特に魅力的である。

The occurrence of an implant-associated infection (IAI) with the formation of a persisting bacterial biofilm remains a major risk following orthopedic biomaterial implantation. Yet, progress in the fabrication of tunable and durable implant coatings with sufficient bactericidal activity to prevent IAI has been limited. Here, an electrospun composite coating was optimized for the combinatorial and sustained delivery of antibiotics. Antibiotics-laden poly(ε-caprolactone) (PCL) and poly`1q`(lactic-co glycolic acid) (PLGA) nanofibers were electrospun onto lattice structured titanium (Ti) implants. In order to achieve tunable and independent delivery of vancomycin (Van) and rifampicin (Rif), we investigated the influence of the specific drug-polymer interaction and the nanofiber coating composition on the drug release profile and durability of the polymer-Ti interface. We found that a bi-layered nanofiber structure, produced by electrospinning of an inner layer of [PCL/Van] and an outer layer of [PLGA/Rif], yielded the optimal combinatorial drug release profile. This resulted in markedly enhanced bactericidal activity against planktonic and adherent Staphylococcus aureus for 6 weeks as compared to single drug delivery. Moreover, after 6 weeks, synergistic bacterial killing was observed as a result of sustained Van and Rif release. The application of a nanofiber-filled lattice structure successfully prevented the delamination of the multi-layer coating after press-fit cadaveric bone implantation. This new lattice design, in conjunction with the multi-layer nanofiber structure, can be applied to develop tunable and durable coatings for various metallic implantable devices. This is particularly appealing to tune the release of multiple antimicrobial agents over a period of weeks to prevent early and delayed onset IAI.