Experimentelle Untersuchung einer biodegradierbaren und antibiotikahaltigen Beschichtung von Titanplättchen auf das Adhäsionsverhalten von Staphylococcus aureus

Abstract

Einleitung Implantatassoziierte Infektionen sind gefürchtete Komplikationen in der Chirurgie des Bewegungsapparates. Staphylococcus aureus ist hierbei der am häufigsten isolierte Erreger. Neben einer zumeist zeit- und kostenintensiven Behandlung ergeben sich für die betroffenen Patienten häufig gravierende sozioökonomische Folgen. Art und Oberflächenbeschaffenheit von Biomaterialien haben einen Einfluss auf die Pathogenese dieser Infektionen. Die Modifikation von Implantatoberflächen kann somit einen Beitrag in der Prophylaxe implantatassoziierter Infektionen leisten. Ziel dieser experimentellen In- vitro-Studie war es, die Adhäsion von Staphylococcus aureus auf biodegradierbaren und antibiotikahaltigen Poly(D,L-Laktid)-Beschichtungen (PDLLA) von Titanplättchen zu untersuchen. Methodik Folgende Modifikationen der Titanplättchen wurden untersucht: I. pures Titan II. PDLLA-Beschichtung III. PDLLA+10 % Gentamicin-Beschichtung IV. PDLLA+10 % Gentamicin-Beschichtung und extra PDLLA-Überzug Die unterschiedlich beschichteten Plättchen wurden in einer Staphylococcus aureus- Bakteriensuspension über einen Zeitraum von insgesamt 24 h inkubiert. Nach 1 h, 6 h, 12 h und 24 h wurden die Plättchen hinsichtlich ihrer bakteriellen Besiedelung mikrobiologisch und fluoreszenzmikroskopisch untersucht. Zusätzlich wurden nach einer Inkubationszeit von 1 h und 12 h rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen durchgeführt. Ergebnisse Nach der mikrobiologischen Auswertung wiesen die Plättchen mit PDLLA+10 % Gentamicin zu allen untersuchten Zeitpunkten im Vergleich zu den antibiotikafreien Plättchen signifikant geringere Keimanhaftungen auf. Nach einer Inkubationszeit von 6 h erwiesen sich diese Plättchen nach der mikrobiologischen Analyse sogar als steril. Die Plättchen mit Gentamicin und Extrapolymerschicht zeigten ebenfalls nach 1 h Inkubation eine Inhibition der Bakterienadhäsion. Im Verlauf nahm die Bakterienadhäsion jedoch im Vergleich zur PDLLA+10 % Gentamicin-Gruppe stärker zu. Die wirkstofffreie Beschichtung mit dem Trägermaterial PDLLA hatte keinen signifikanten Einfluss auf die bakterielle Anhaftung. Fluoreszenz- und rasterelektronenmikroskopisch bestätigte sich die Wirkung des Gentamicins auf den Plättchen der PDLLA+10 % Gentamicin-Gruppe. Innerhalb der ersten 12 h Inkubation war das Keimwachstum auf den unbeschichteten Titanplättchen deutlich größer als auf den mit PDLLA+10 % Gentamicin beschichteten Plättchen. Vereinzelt war erkennbar, dass die Bakterien von einer Substanz bedeckt waren. Hierbei handelt es sich möglicherweise um das morphologische Korrelat des Biofilms. Schlussfolgerung Durch eine antibiotikahaltige Beschichtung von Titanplättchen konnte innerhalb der ersten 12 h in vitro eine deutliche Reduktion der Keimzahl auf den Implantatoberflächen nachgewiesen werden. Das könnte der entscheidende zeitliche Vorsprung sein, den die körpereigenen Zellen benötigen, um das „race for the surface“ gegen die Bakterien zu gewinnen.

Introduction Implant associated infections are feared complications in orthopedic and trauma surgery. Staphylococcus aureus is the most frequent isolated pathogen. Next to an expensive long-term treatment also the social economic factors have to be taken into account. Nature and surface character of biomaterials influence the pathogenesis of an infection. Therefore the modification of implant surfaces can contribute to the prophylaxis of implant associated infections. The aim of this experimental in-vitro-study was to examine the effects of biodegradable and antibiotic-containing poly(D,L-lactide) coatings (PDLLA) of titanium implants on the adhesion of Staphylococcus aureus. Methods The following modifications of titanium implants were tested: I. pure titanium II. PDLLA-coating III. PDLLA+10 % gentamicin-coating IV. PDLLA+10 % gentamicin-coating and additional PDLLA- coating The different implants were incubated in a bacterial suspension with Staphylococcus aureus over a timespan of 24 h. After 1 h, 6 h, 12 h and 24 h the implants were examined microbiological as well as with a fluorescence microscope in regard to the bacterial colonisation. Additionally they were also examined with a scanning electron microscope after an incubation time of 1 h and 12 h. Results In the microbiological evaluation the PDLLA+10 % gentamicin coated implants showed in comparison to the groups without antibiotics at all incubation times a significant lower rate of bacterial colonisation. After the incubation time of 6 h the microbiological evaluation showed that these implants were even sterile. The implants coated with gentamicin and the additional polymer layer also showed after 1 h of incubation an inhibition of bacterial adhesion. But over the course of time the bacterial adhesion showed a stronger increase compared to the PDLLA+10 % gentamicin- group. The agent free PDLLA coating had no significant effect on the bacterial adhesion. The effect of gentamicin on implants of the PDLLA+10 % gentamicin-group was confirmed by fluorescence and scanning electron microscope. Within the first 12 h of incubation the bacterial growth was clearly higher on the uncoated implants than on the PDLLA+ 10% gentamicin coated implants. In patches bacteria were covered in a substance, possibly the morphological correlate of the biofilm. Conclusion Within the first 12 h the antibiotic coating of titanium implants reduced in vitro the bacterial adhesion on the implant surfaces. This could be the essential temporal advantage for the cells in the human body to win the „race for the surface” against the bacteria.