Antimicrobial biomaterials for treatment of bone and implant infections

Abstract

Implant-associated infections are devastating complications. The implant surface is very easy to be colonized by bacteria, which then form a biofilm. The biofilm on the implant surface is difficult to eradicate. Therefore, the prevention procedures for an implant surface are of crucial importance. Prevention of the implants begins with knowledge of the factors that cause the risk of infection, which can lead to the development of infection in different stages: preoperatively, intraoperatively, or postoperatively. The systemically injected antibiotic spreads through the entire body. As a result, the concentration, which arrives at the infection site is mainly sublethal. The insufficient dosage of such antimicrobials leads to unresolved infection because it often does not reach the infected site. Therefore, there is a critical need for a novel solution, either one, which allows the drug to reach the infection with high concentration and improve the biofilm penetration or the one, which helps the implant surface hinder bacteria colonization. In this PhD work few strategies for biofilm-based infections were introduced: prodrug antibiotic local delivery based on biorthogonal chemistry, antimicrobial coating against S.aureus utilizing the inverse-electron demand Diels-Alder reaction and MI-dPG polymer, antifungal impregnated PMMA bone cement against Candida spp. biofilms and electro-responsive hydrogels with photosensitizer curcumin release against MRSA.

Implantat-assoziierte Infektionen können zu verheerenden Komplikationen führen. Die Implantatoberfläche lässt sich sehr leicht von Bakterien besiedeln, die dann einen Biofilm bilden. Der Biofilm auf der Implantatoberfläche ist schwer zu beseitigen. Daher sind die Präventionsverfahren für eine Implantatoberfläche von entscheidender Bedeutung. Die Prävention der Infektion beginnt mit dem Wissen über die Infektionsverursachenden Faktoren, welche präoperative, intraoperative sowie postoperative Infekte verursachen können. Systemisch injizierte Antibiotika haben zum Nachteil, dass sie sich im gesamten Körper verteilen und somit nur eine geringe Dosis der Anfangskonzentration am Infektionsort ankommt. Die unzureichende Dosierung solcher antimikrobieller Mittel führt zu einer ungelösten Infektion. Daher besteht ein dringender Bedarf an neuartigen Lösungen, entweder eine, die es dem Medikament ermöglicht, die Infektion mit hoher Konzentration zu erreichen und die Biofilmdurchdringung zu verbessern, oder eine andere, die dazu beitragen kann, die Implantatoberfläche vor einer Bakterienbesiedlung zu schützen. In dieser Doktorarbeit werden einige Strategien gegen biofilmbasierte Infektionen vorgestellt: lokale Prodrug Antibiotika Verabreichung basierend auf bioorthogonale Chemie, antimikrobielle Beschichtung gegen S. aureus unter Verwendung der Diels-Alder-Reaktion mit inversem Elektronenbedarf und MI-dPG-Polymer, antimykotisch imprägnierte PMMA Knochenzemente gegen Candida Biofilme und elektroreaktive Hydrogele mit photosensibler Curcumin Freisetzung gegen methicillinresistente S. aureus.