チタン製インプラント上の細菌のコロニー化とバイオフィルムの成長を制御するための熱応答性ポリマーブラシコーティングからの薬物放出

Drug Release from Thermo-Responsive Polymer Brush Coatings to Control Bacterial Colonization and Biofilm Growth on Titanium Implants.

• Hongsuh Choi
• Anna Schulte
• Mareike Müller
• Mineon Park
• Suenghwan Jo
• Holger Schönherr

抄録

何十年にもわたる生物医学の進歩にもかかわらず、インプラントデバイスへのバクテリアのバイオフィルムの定着は、インプラントの失敗の主要な原因となっている。このような状況では、初期および後期のバクテリアのコロニー形成を抑制する新しい戦略と材料が必要であることは明らかです。理想的なのは、感染部位で時間的・空間的に自律的にトリガーされる殺菌機能をインプラントに実装することである。ここでは，インテリジェントポリマーコーティングを用いて，抗生物質放出のトリガーとなる機能を備えたチタンベースのインプラントの作製と検証について報告する。具体的には，電子伝達技術により再生された活性剤を用いた表面開始原子移動ラジカル重合（ARGET ATRP）により合成された熱応答性ポリ（ジ（エチレングリコール）メチルエーテルメタクリレート）（PDEGMA）ブラシをチタン製インプラントに塗布することで，抗生物質であるlevofloxacinを創傷部位に熱でトリガーして放出することができる。抗生物質を担持したブラシを、厚さ、抗生物質の担持量、温度の関数として調べた。感染部位の温度が37℃を超えると、ブラシの臨界溶液温度が下がるため、トリガー放出が可能となった。このように、PDEGMAコーティングは、既知の防汚効果に加えて、黄色ブドウ球菌に感染したネズミを用いた初期のin vivo試験で実証されたように、殺菌効果を高めることができました。

Despite decades of biomedical advances, the colonization of implant devices with bacterial biofilms is still a leading cause of implant failure. Clearly, new strategies and materials that suppress both initial and later stage bacterial colonization are required in this context. Ideal would be the implementation of a bactericidal functionality in the implants that is temporally and spatially triggered in an autonomous fashion at the infection site. Herein, the fabrication and validation of functional titanium-based implants with triggered antibiotic release function afforded via an intelligent polymer coating is reported. In particular, thermo-responsive poly(di(ethylene glycol) methyl ether methacrylate) (PDEGMA) brushes on titanium implants synthesized via a surface-initiated atom transfer radical polymerization with activators regenerated through the electron transfer technique (ARGET ATRP) allows for a controlled and thermally triggered release of the antibiotic levofloxacin at the wound site. Antibiotic loaded brushes are investigated as a function of thickness, loading capacity for antibiotics, and temperature. At temperatures of the infection site >37 °C the lower critical solution temperature behavior of the brushes afforded the triggered release. Hence, in addition to the known antifouling effects, the PDEGMA coating ensured enhanced bactericidal effects, as demonstrated in initial in vivo tests with rodents infected with Staphylococcus aureus.

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