Anti Periprosthetic Infection Strategies:From Implant Surface Topographical Engineering to Smart Drug-Release Coatings

Anti-Periprosthetic Infection Strategies: From Implant Surface Topographical Engineering to Smart Drug-Releasing Coatings.

• Ananta Ghimire
• Jie Song

抄録

インプラントの滅菌や無菌手術の技術が進歩したにもかかわらず、整形外科や歯科のインプラントでは、人工股関節周囲の細菌感染が依然として大きな課題となっています。インプラント周囲の細菌のコロニー形成/バイオフィルム形成や、高密度の骨格組織マトリックスへの侵入は治療が難しく、インプラントの破損や骨髄炎につながる可能性があります。これらの合併症は、大規模な再手術と長期にわたる抗生物質治療を必要とし、高い治療費と罹患率、さらには死亡率を伴います。そのため、インプラント関連感染症のリスクを軽減する効果的な予防策が切実に求められている。このレビューでは、インプラントに直接接触している、あるいはインプラントの周辺にいる細菌の接着、コロニー形成、バイオフィルム形成を減少させるか、あるいは細菌を死滅させることを目的とした、抗人工関節感染戦略の最近の開発に焦点を当てる。これらの目的は、インプラント表面の防汚処理、クオラムセンシングの妨害、殺菌処理、あるいは化学修飾による表面コーティングによって達成されます。蓮の葉を模倣した超疎水性防汚機能と、蝉の羽を模倣したバクテリア貫通ナノピラーの表面形状エンジニアリングを紹介します。殺菌剤の従来の物理的コーティング/パッシブリリースと、インプラント表面への共有結合による安定した結合、あるいは細菌による酵素切断や環境擾乱に対して脆弱な結合とを対比している。これらの新しい抗人工関節感染アプローチの長所と短所を、安全性、有効性、および翻訳の可能性の観点から議論する。

Despite advanced implant sterilization and aseptic surgical techniques, periprosthetic bacterial infection remains a major challenge for orthopedic and dental implants. Bacterial colonization/biofilm formation around implants and their invasion into the dense skeletal tissue matrices are difficult to treat and could lead to implant failure and osteomyelitis. These complications require major revision surgeries and extended antibiotic therapies that are associated with high treatment cost, morbidity, and even mortality. Effective preventative measures mitigating risks for implant-related infections are thus in dire need. This review focuses on recent developments of anti-periprosthetic infection strategies aimed at either reducing bacterial adhesion, colonization, and biofilm formation or killing bacteria directly in contact with and/or in the vicinity of implants. These goals are accomplished through antifouling, quorum-sensing interfering, or bactericidal implant surface topographical engineering or surface coatings through chemical modifications. Surface topographical engineering of lotus leaf mimicking super-hydrophobic antifouling features and cicada wing-mimicking, bacterium-piercing nanopillars are both presented. Conventional physical coating/passive release of bactericidal agents is contrasted with their covalent tethering to implant surfaces through either stable linkages or linkages labile to bacterial enzyme cleavage or environmental perturbations. Pros and cons of these emerging anti-periprosthetic infection approaches are discussed in terms of their safety, efficacy, and translational potentials.