Implant-associated infections are a medical challenge. One possibility for prevention and therapy is the use of antibiotic-coated implants. For this reason, the Fraunhofer Institute in Bremen developed a surface modification process that creates bottle-neck-shaped pores on implants coated with silver nanoparticles. The pores enable direct preoperative loading with antibiotically active solutions. The aim of this work was to characterize medullary nails modified in this way. Three groups were compared: an unmodified titanium nail as a control (K), a modified nail (porous with silver nanoparticles, (P)) and a modified nail additionally coated with 380-445 μg/cm² gentamicin (PG). Biocompatibility was to be investigated after implantation in rat femora. The aim was to determine whether loading with gentamicin affects osteointegration. Furthermore, the effectiveness for prevention of implant-associated osteomyelitis (OM) of the different groups should also be tested in an animal model. The biocompatibility of the modified intramedullary nails was confirmed. Greater osteointegration was observed for both porous variants compared with the smooth nail, with no significant difference between the two modified groups. In the push-out test, porous nails required an average of 1.84 N/mm², nails additionally loaded with gentamicin required 2.27 N/mm², and control nails required only 0.48 N/mm² to be pushed out of the bone (K to P p = 0.0153, K to PG p = 0.0007). In the histological examinations Bone-to-implant contact was 87% for porous intramedullary nails, 86% for those additionally coated with gentamicin, and 42% for control nails (p = 0.0032). To investigate the anti-infective properties of the modified nails, an S. aureus infection model was established for an OM. Infection was performed with a dose of 5 x 106 CFU and tested on both modified medullary nail variants. Nails coated with gentamicin showed no evidence of active OM and, like the uninfected control group, achieved an average OM score of 2. Porous nails without gentamicin achieved an average score of 4.5 with always positive bacterial detection. The infected negative control group (I) achieved an average score of 7.6 (I to G p = 0.0007) with bacterial detection in 6 of 7 animals. Both biocompatibility and infection prevention ability of the modified nails were demonstrated. However, intramedullary porous nails alone without additional gentamicin were not able to prevent infection altogether. Further studies are needed here to understand the underlying principles.
Implantatassoziierte Infektionen sind eine medizinische Herausforderung. Eine Möglichkeit zur Prävention und Therapie ist das Verwenden von antibiotisch beschichteten Implantaten. Deswegen entwickelte das Fraunhofer Institut in Bremen ein Verfahren zur Oberflächenmodifikation, bei dem auf mit Silbernanopartikeln beschichteten Implantaten flaschenhalsförmig zulaufende Poren entstehen. Die Poren ermöglichen direkt präoperativ eine Beladung mit antibiotisch wirksamen Lösungen. Ziel dieser Arbeit war es, auf diese Art modifizierte Marknägel zu charakterisieren. Hierbei wurden jeweils 3 Gruppen verglichen: ein unmodifizierter Titannagel als Kontrolle (K), ein modifizierter Nagel (porös mit Silbernanopartikeln, (P)) und ein modifizierter Nagel, der zusätzlich mit 380–445 μg/cm² Gentamicin beschichtet wurde (PG). Die Biokompatibilität sollte nach Implantation in Rattenfemora untersucht werden. Es solle festgestellt werden, ob die Beladung mit Gentamicin die Osteointegration beeinflusst. Weiterhin sollte anschließend die Effektivität zur Prävention einer implantatassoziierten Osteomyelitis (OM) der verschiedenen Gruppen ebenfalls im Tiermodell getestet werden. Die Biokompatibilität der modifizierten Marknägel konnte bestätigt werden. Es wurde eine stärkere Osteointegration für die beiden porösen Marknageltypen im Vergleich zum glatten Nagel festgestellt, ohne dass ein signifikanter Unterschied zwischen den beiden modifizierten Gruppen bestand. Beim Push-out-Test benötigten poröse Nägel durchschnittlich 1,84 N/mm², zusätzlich mit Gentamicin beladene 2,27 N/mm² und Kontrollnägel lediglich 0,48 N/mm², um aus dem Knochen geschoben zu werden (K zu P p = 0,0153, K zu PG p = 0,0007). In den histologischen Untersuchungen betrug der Knochen-Implantat-Kontakt bei porösen Marknägeln 87 %, bei zusätzlich mit Gentamicin beschichteten 86 % und bei Kontrollnägeln 42 % (p = 0,0032). Um die antiinfektive Eigenschaft der mofizifierten Implantate untersuchen zu können, wurde ein S. aureus-Infektionsmodell für eine OM etabliert. Die Infektion wurde mit einer Dosis von 5 x 106 KBE durchgeführt und an beiden modifizierten Marknagelvarianten getestet. Nägel, die mit Gentamicin beschichtet wurden zeigten keine Hinweise auf eine aktive OM und erzielten, wie die nicht infizierte Kontrollgruppe, einen durchschnittlichen OM-Score von 2. Poröse Nägel ohne Gentamicin erzielten im Durchschnitt einen Score von 4,5 bei stets positivem Bakteriennachweis. Die infizierte Negativkontrollgruppe (I) erzielte einen durchschnittlichen Score von 7,6 (I zu G p = 0,0007) mit Bakteriennachweis bei 6 von 7 Tieren. Es konnte sowohl die Biokompatibilität als auch die Fähigkeit zur Infektionsprophylaxe der modifizierten Nägel gezeigt werden. Allerdings waren ausschließlich poröse Marknägel ohne zusätzliches Gentamicin nicht in der Lage, eine Infektion gänzlich zu verhindern. Hier sind weiterführende Untersuchungen notwendig, um die zugrundeliegenden Prinzipien verstehen zu können.
