コーティングされた医療用グレードのチタン表面の細菌と細胞の細胞適合性研究

Bacteria and cell cytocompatibility studies on coated medical grade titanium surfaces.

• L G Harris
• L Mead
• E Müller-Oberländer
• R G Richards

抄録

ブドウ球菌によって引き起こされる急性および慢性の骨髄炎は、従来の方法では治療が困難であり、しばしば患者に著しい結果をもたらします。現在の治療法は、全身性抗生物質の使用、非分解性薬物担体の局所移植、外科的デブリードメントなどがあります。初期の細菌の付着を防ぐことができる可能性のある解決策は、宿主細胞に対する生体適合性を維持しながら、インプラント表面を抗菌性コーティングで修飾することである。本研究では、チタン表面の異なるコーティング（ポリD,L-ラクチド（PDLA）、ポリテレフェート（PTF）、リン酸カルシウム/陽極プラズマ化学処理（CaP/APC）、ポリウレタン（PU）、ポリビニルピロリドン（PVP））について、黄色ブドウ球菌、エピダーミディス黄色ブドウ球菌、およびhTERTヒト線維芽細胞に対するクロルヘキシジンジアセテート（CHA）の有無にかかわらず、細胞親和性の評価を行った。コーティングの表面の特徴付けは、多孔質でありながら最も滑らかであったCaP/APC表面、および本質的に親水性が高いPVP、PVP+CHA、およびCaP/APC+CHAを除いて、コーティングされた表面の粗さおよび疎水性に大きな変化は見られなかった。CHAを含浸していない表面では、ブドウ球菌株と蔓延した線維芽細胞の両方が観察されたが、CHAを含浸した表面では細菌は少なく、無傷の線維芽細胞は観察されなかった。フローサイトメトリーでは、CHAを含浸させた表面では、CHAを含浸させていない表面と比較して、培地中およびCHAを含浸させた表面上の細菌数が少ないことが確認された。放出速度はゆっくりとしたもの（200時間以上）からバースト放出まで様々であった。PDLLA>PTF>PU>CaP/APC=PVPであった。この研究は、PDLAとPTFがhTERT線維芽細胞に対する細胞適合性を有し、CHAを効果的に溶出し、機械的試験に合格したことから、薬物送達のためのインプラント上のコーティングとして最高の可能性を持っていることを示した。存在するCHAの量は、完全に消失するまでの限られた時間の間、最小阻害濃度以上に留まる必要があるため、PDLAとPTFの実際の放出速度は重要である。

Acute and chronic osteomyelitis caused by staphylococci can be difficult to treat by conventional means and often has marked consequences for the patient. Current methods of treatment involve the use of systemic antibiotics, the local implantation of nondegradable drug carriers, and surgical debridement. A possible solution that could prevent initial bacterial adhesion could be to modify the implant surface with an antimicrobial coating while maintaining biocompatibility to host cells. This study describes the cytocompatibility evaluation of different coatings (poly(D,L-lactide) (PDLLA), politerefate (PTF), calcium phosphate/anodic plasma-chemical treatment (CaP/APC), polyurethane (PU), and polyvinylpyrollidone (PVP) on titanium surfaces with and without chlorhexidine diacetate (CHA) to Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, and hTERT human fibroblasts. Surface characterization of the coatings showed no significant variation in the roughness or hydrophobicity of the coated surfaces, except the CaP/APC surface that was porous yet the smoothest, and PVP, PVP+CHA, and CaP/APC+CHA that were more hydrophilic in nature than the others. On the surfaces without CHA, both staphylococcal strains and spread fibroblasts were observed, but on the CHA impregnated surfaces few bacteria and no intact fibroblasts were seen. Flow cytometry found fewer bacteria in the media and on the surfaces containing CHA in comparison to the surfaces without CHA. The release kinetics varied from slow (over 200 h) to burst release: PDLLA>PTF>PU>CaP/APC=PVP. This study showed that PDLLA and PTF have the best potential as coatings on implants for drug delivery, as they were cytocompatible to hTERT fibroblasts, eluted CHA effectively, and passed mechanical testing. The actual release kinetics of PDLLA and PTF are important, as the amount of CHA present should remain above the minimal inhibitory concentration value for a limited time before disappearing completely.

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