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Rößner, Michaela (2004): Induktion und Prophylaxe Implantat assoziierter Knocheninfektionen am Modell eines antiinfektiv beschichteten Marknagels: eine experimentelle Studie am Kaninchen. Dissertation, LMU München: Faculty of Veterinary Medicine
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Abstract

Induction and prophylaxis of implant-related bone infections using an antibacterial-coated intramedullary nail – an experimental rabbit model Despite modern peri-operative antimicrobial prophylaxis, bone infections still represent dangerous complications in orthopedic and trauma surgery. Bacterial colonization of implanted material is the first step in pathogenesis of these infections. The objective of this study was to evaluate the effectiveness from a new biodegradable, stable, antibacterial gentamicin-loaded poly-(D,L-lactide) (PDLLA) coating of orthopedic devices. In vitro, elution kinetics of gentamicin and furthermore, biocompatibility and effectiveness in preventing implant-related osteomyelitis should be studied in vivo. Coating of commercial steel implants was performed by a so-called cold coating technique under aseptic conditions. The carrier was the polymer poly-(D,L-lactide) Resomer® R 203 and gentamicin was incorporated in a 10 % (w/w) concentration. Release kinetics of gentamicin were tested in vitro for 96 hours. To study the biocompatibility, in a group of eleven rabbits nails uncoated (n=5) or nails coated with PDLLA and gentamicin (n=6) were implanted into the femur. Serum gentamicin was determined after 12, 24, 48 hours and then weekly. Follow-up was six weeks. After sacrifice the femora were examined by histologic and radiologic means. In a second group of 20 rabbits, the medullary cavities of femora were contaminated with 105 CFU Staphylococcus aureus after implantation of uncoated (n=10) or coated (n=10) nails. Serum gentamicin, blood samples and clinical presentation were examined. Follow-up was eight weeks. After sacrifice the femora were evaluated by microbiological, histological and radiological analysis. The incorporated gentamicin was released continuously over a period of at least 96 hours with an initial peak of release in the first 24 hours. In the biocompatibility group, radiological and histological studies revealed no adverse effects on bone contributed to the PDLLA coating. In the osteomyelitis group, all controls developed abscesses and histological signs of osteomyelitis. In nine of ten rabbits which had an implant coated with gentamicin abscesses were not detected. Histological signs of infection were reduced. No significant differences in clinical and radiological presentation were observed between the groups. In our animal model with an infective dosis of 105 CFU Staphylococcus aureus, local application of nails coated with PDLLA and gentamicin significantly reduced implant-related bone infections. The use of the gentamicin-PDLLA-coating could be an effective supplement for prophylaxis of implant-related infections in orthopedic and trauma surgery.

Abstract

Knocheninfektionen zählen trotz moderner, perioperativer Antibiotikaprophylaxe noch immer zu gefürchteten Komplikationen in der Orthopädie und Unfallchirurgie. Der Initialschritt derartiger Infektionen liegt in der bakteriellen Besiedelung des Fremdmaterials. Ziel der vorliegenden Studie war es, eine neue biodegradierbare, abriebstabile und antiinfektiv wirksame Poly-D,L-Laktid-Beschichtung mit integriertem Gentamicin zur Beschichtung von Osteosynthesematerialien zu überprüfen. In vitro sollte die Freisetzungskinetik von Gentamicin und in vivo die Verträglichkeit sowie die Wirksamkeit in der Verhinderung von Implantat assoziierten Osteomyelitiden untersucht werden. Kommerzielle Stahlimplantate wurden unter aseptischen Bedingungen mit einer Kaltbeschichtungstechnologie beschichtet. Als Trägersubstanz diente dabei das Polymer Poly- D,L-Laktid Resomer ® R203, in die das Antibiotikum Gentamicin in 10%-iger Konzentration (w/w) eingearbeitet wurde. Das Freisetzungsverhalten von Gentamicin wurde in vitro über 96 Stunden getestet. In der Biokompatibilitätsgruppe mit elf Kaninchen wurde den Tieren ein unbeschichtetes (n=5) oder ein beschichtetes (n=6) Implantat in den rechten Femur implantiert. Der Gentamicinspiegel im Serum wurde nach 12, 24, 48 Stunden sowie in wöchentlichen Abständen bestimmt. Die Opferung erfolgte nach sechs Wochen. Post mortem wurde der Femur geröntgt und histologisch untersucht. In einer zweiten Gruppe von 20 Tieren wurde die Markhöhle nach Implantation eines beschichteten (n=10) oder unbeschichteten (n=10) Implantats mit 105 KBE Staphylococcus aureus infiziert. Klinischer Verlauf und der Gentamicinspiegel im Serum wurden analog zur ersten Gruppe kontrolliert. Die Opferung erfolgte nach acht Wochen. Post mortem wurden die Femora röntgenologisch, mikrobiologisch und histologisch untersucht. Das in die Beschichtung integrierte Antibiotikum Gentamicin zeigte eine kontinuierliche Freisetzung über 96 Stunden mit einer hohen Freisetzungsrate während der ersten 24 Stunden. In der Biokompatibilitätsgruppe waren keine negativen Auswirkungen der Beschichtung auf den Knochen feststellbar. In der Osteomyelitisgruppe entwickelten alle Kontrolltiere Abszesse sowie histologische Anzeichen einer Osteomyelitis. Bei den Kaninchen mit gentamicinbeschichtetem Implantat wurden bei neun von zehn Tieren keine Abszesse festgestellt. Histologische Anzeichen der Infektion waren vermindert. Klinisch und röntgenologisch konnten keine eindeutigen Unterschiede zwischen beiden Gruppen festgestellt werden. In dem von uns durchgeführten Tiermodell mit einer Infektionsdosis von 105 KBE Staphylococcus aureus war das Auftreten Implantat assoziierter Knocheninfektionen unter Verwendung Gentamicin-Poly-D,L-Laktid-beschichteter Marknägel signifikant reduziert. Die Anwendung einer gentamicinhaltigen Poly-D,L-Laktid-Beschichtung könnte somit eine sinnvolle Ergänzung für die Prophylaxe Implantat assoziierter Infektionen in der Orthopädie und Unfallchirurgie sein.