Uvolňování antibiotik z fosfátového kostního cementu: vliv různých parametrů

Abstract

Nejčastější komplikace spojené s léčbou zlomenin a kostních defektů je vznik zánětlivé infekce (tzv. osteomyelitidy). Infekci způsobují Gram-pozitivní bakterie (například Staphylococcus aureus a jeho methicilin-rezistetní forma), k léčbě se využívají antibiotika (vankomycin, gentamycin), která jsou aplikována většinou do kostních cementů. Účinek antibiotik je dán nejen jejich antibakteriálními účinky, ale také kinetikou uvolňování v místě bakteriální infekce. Cílem této práce bylo studium vlivu různých parametrů na způsob a rychlost uvolňování antibiotika vankomycinu z kostního cementu na bázi fosforečnanu vápenatého a termocitlivého kopolymeru. Literární rešerše byla zaměřena na nejčastěji používané kostní cementy, zejména z nedegradabilního polymethylmethakrylátu a resorbovatelného fosforečnanu vápenatého. Popisuje jejich výhody, nevýhody, jednotlivé složky a modifikace s vhodnými antibiotiky, zejména s vankomycinem (VCM). Nakonec byly popsány mechanismy a kinetika uvolňování léčiva z kostního cementu a diskutovány nedávné studie v této oblasti. Uvolňování antibiotik z polymer-keramického cementu bylo sledováno pomocí HPLC analýzy a UV/Vis spektroskopie, která byla pro tyto účely optimalizována. Prvním sledovaným parametrem byla hmotnost a tvar vzorku. Dále byly sledovány dva typy metod uvolňování, u obou došlo k uvolnění VCM kolem 90 %. V souvislosti s metodou byla změřena kinetika konverze fosforečnanu vápenatého na kalcium-deficientní hydroxyapatit pomocí XRD analýzy. Jako třetí parametr byl zkoumán vliv přípravy kostních cementů ovlivňující jejich morfologii a porozitu a následně i uvolňování antibiotika (80–90 %). Vliv porozity byl zkoumán komplementárním SEM s EDS analýzou, mikro-CT a měřením specifického povrchu. Na základě těchto metod bylo zjištěno, že šlehané vzorky jsou homogennější a mají vyšší množství pórů o různých velikostech. Poslední zkoumaný parametr porovnával statické a dynamické podmínky měření a bylo zjištěno, že v obou případech bylo uvolněno 90 % VCM. Jako nejvhodnější způsob přípravy se jeví elektrické šlehání, a to z důvodu vysoké poréznosti a homogenity kostního cementu. Výsledky ukázaly, že postupné uvolňování odpovídá kinetice prvního řádu, přičemž se více jak 50 % celkového množství uvolněné látky detekuje v prvních 12 hodinách. Takto připravené kostní cementy mohou výrazně pomoci při léčbě zmiňovaných infekcí kostní tkáně.

The common complication associated with the treatment of fractures and bone defects is the development of an inflammatory infection (so-called osteomyelitis). The infection is mainly caused by Gram-positive bacteria (such as Staphylococcus aureus and its methicillin-resistant form) and treated by antibiotics (like vancomycin and gentamycin) generally applied in bone cements. The effect of antibiotics is determined not only by their antibacterial effects but also by their release kinetics at the site of bacterial infection. The aim of this work was to study the effects of various parameters on the method and rate of release of antibiotic vancomycin (VCM) from the fully bioresorbable bone cement based on calcium phosphate and a thermosensitive copolymer. The literature search was focused on the most commonly used bone cements, especially non-degradable poly(methyl methacrylate) and resorbable calcium phosphates. It describes their advantages, disadvantages, individual components, and modifications with suitable antibiotics, especially VCM. Finally, the mechanisms and kinetics of VCM release from bone cement were described, and recent studies in this field were discussed. The release of antibiotics from the polymer-ceramic cement was monitored by HPLC analysis and UV/Vis spectroscopy, which were optimized for this purpose. The first monitored parameter was the weight and shape of the sample. Furthermore, two types of release methods were monitored, in both of which VCM was released by approximately 90 %. In connection with the method, the kinetics of calcium phosphate conversion to calcium-deficient hydroxyapatite was measured by XRD analysis. The third parameter was the effect of bone cement preparation affecting their morphology and porosity and subsequently the release of antibiotics (80–90 %). The effect of porosity was investigated by complementary SEM with EDS analysis, micro-CT, and specific surface area measurements. On the basis of these methods, it was found that the whipped samples are more homogeneous and have a higher number of pores of different sizes. The last parameter examined compared static and dynamic measurement conditions, and it was found that in both cases, 90 % of the VCM was released. The results showed that sustained release corresponds to first-order kinetics, with more than 50 % of the total released substance detected in the first 12 hours. Bone cements prepared in this way can significantly help treat the mentioned infections of bone tissue.