Novel ultra-thin hydroxyapatite coatings on medical implants used as local drug delivery system – in-vitro and in-vivo characterization

Sörensen, Jan Henrik

This thesis reports the successful development of a novel bioactive type of implant coating. A thin biomimetic hydroxyapatite coating on metal implants with unique properties capable of delivering pharmaceutically effective dosages of Tobramycin was developed and systematically analyzed. Biomimetic, nanoporous HA coatings were demonstrated to be versatile enough to potentially solve a number of problems for which satisfactory clinical solutions do not exist today. The surface pretreatment and HA coating was designed and optimized to homogeneously distribute needle like HA crystals on TiO2 layered stainless steel and anodized titanium type II surfaces in the range of 1 to 5 µm. The advantages of a nanoporous structure of biomimetically deposited HA over a more dense structure of plasma sprayed HA coatings in terms of antibiotic incorporation and subsequent sustained release were presented. The biomimetically deposited HA structure itself demonstrated good biomechanical resistance, excellent biocompatibility and osteoconductive surface properties in-vitro and in-vivo. The nanoporous structure allowed for controlled drug incorporation and tailorable local release. The use of Tobramycin should be noted as a model drug for incorporation, release and efficacy studies. Coating thickness, morphology and surface topography as well as loading parameters like temperature, pressure, ultrasound, pH were found to be important impacting on both drug loading and subsequent release profile. Agar diffusion tests demonstrated a sustained antibacterial effect against Staph. aureus over several days. A novel co-precipitation approach incorporating Tobramycin simultaneously at the time of nucleation was defined and optimized. The starting phase of crystallization represented a very important aspect for coating deposition. Both surface chemistry as well as process temperature are important factors impacting coating growth, thickness and the morphology of the drug-doped HA coatings. An animal test set-up was developed in order to assess the performance of the HA coating in-vivo. Overall, the insertion torques (during implantation) of the HA coated screws were comparable to uncoated, commercially available screws. After two weeks, increased early implant stabilization was demonstrated by significantly higher removal torques for HA coated screws. Furthermore, this conclusion was supported by higher pull-out forces, and histology. After 6 weeks, HA coated and non-coated screws demonstrated comparable removal-torque values as well as pull-out forces. Therefore, the HA coating resulted in more rapid early implant stabilization whilst assuring that the implant could be safely removed after full osseointegration. Furthermore, the efficacy of the Tobramycin loaded HA coating was evaluated in an in-vivo infection model. Five out of six implanted sites containing HA and Tobramycin presented biologically significant lower signs of infection based on macroscopical, microbiological, histopathological and radiological analyses. Overall, the novel biomimetic HA coating has demonstrated delivery of enhanced implant stabilization whilst at the same time enabling the implant to be easily disconnected from the bone upon screw removal. Finally the coating is also capable of delivering clinically effective dosages of an antibacterial agent over a relevant time period.

Die vorliegende Doktorarbeit berichtet von der erfolgreichen Entwicklung einer neuen bioaktiven Implantatbeschichtung. Eine dünne, biomimetisch hergestellte Hydroxylapatit (HA) Beschichtung auf metallischen Implantatoberflächen mit einzigartigen Eigenschaften wurde erforscht und systematisch analysiert. Diese Schicht ist zusätzlich in der Lage, pharmazeutisch wirksame Mengen an Tobramycin gezielt freizusetzen. Die Oberflächenvorbehandlung und die HA Beschichtung wurden so entwickelt und optimiert, dass eine homogene Verteilung der nadelförmigen HA Kristalle sowohl auf dem TiO2 beschichtetem rostfreiem Stahl, als auch auf den anodisierten Titanium Typ II Oberflächen im Schichtdickenbereich von 1 bis 5 µm erzeugt werden konnte. Die Vorteile einer biomimetisch abgeschiedenen nanoporösen HA Struktur gegenüber einer dichteren plasmagesprühten HA Beschichtungen in Bezug auf die Aufnahme und anschließender Freisetzung von Antibiotika werden untersucht und beschrieben. Die biomimetisch aufgebrachte HA Beschichtung zeigt sehr gute biomechanische Widerstandsfähigkeit, ausgezeichnete Biokompatibilität und osteokonduktive Oberflächeneigenschaften in-vitro und in-vivo. Die nanoporöse Struktur erlaubt eine kontrollierte Antibiotikaaufnahme gepaart mit einer steuerbaren lokalen Freisetzung. Als Modellarzneistoff zur Testung der Aufnahme, der Freisetzung und der Wirksamkeitsstudien wurde Tobramycin ausgewählt. Schichtdicke, Morphologie und Oberflächentopographie, sowie verschiedene Beladungsparameter wie Temperatur, Druck, Ultraschall und pH-Wert wurden als wichtige Einflussfaktoren erkannt, die sowohl die Wirkstoffbeladung, als auch das anschließende Freisetzungsprofil beeinflussen. Agar-Diffusions-Tests zeigten eine anhaltende antibakterielle Wirksamkeit der mit Tobramycin beladenen Schicht gegen Staph. aureus über mehrere Tage. Ein neuartiger Ansatz der gleichzeitigen Co-Kristallisation von HA und Tobramycin während der Kristallbildung wurde entdeckt und optimiert. Dabei stellte sich heraus, dass die Startphase der Kristallisation ein sehr wichtiger Schritt für die gesamte Schichtabscheidung darstellt. Oberflächenchemie und Prozesstemperatur sind zusätzlich wichtige Faktoren, die das Wachstum der Beschichtung, die Schichtdicke und die Morphologie der co-kristallisierten HA Beschichtungen beeinflussen. Ein Tiermodel wurde entwickelt, um das Verhalten der HA Beschichtung in-vivo zu untersuchen und zu beurteilen. Zunächst waren die Eindrehmomente (während der Implantation) der HA beschichteten Schrauben vergleichbar mit den unbeschichteten kommerziell erhältlichen Kontrollschrauben. Nach zwei Wochen wurde eine verbesserte frühe Implantatstabilisierung durch signifikant höhere Drehmomente bei der Entfernung der HA beschichteten Schrauben gemessen. Diese Schlussfolgerung wurde durch höhere Auszugskräfte und histologische Untersuchungen zusätzlich unterstützt. Nach 6 Wochen zeigten die HA beschichteten Schrauben im Vergleich zu den nicht-beschichteten Schrauben sowohl vergleichbare Drehmomente bei der Entfernung, also auch ähnliche Auszugskräfte. Daher lässt sich zusammenfassen, dass die HA Beschichtung zu einer schnelleren frühen Implantatstabilisierung beiträgt, jedoch nach vollständiger Osteointegration der Schraube die wichtige Eigenschaft besitzt, sicher wieder entfernt werden zu können. Darüber hinaus wurde die Wirksamkeit der mit Tobramycin beladenen HA-Schicht in einem in-vivo Infektionsmodell untersucht. Fünf von sechs implantierten Schrauben, die mit HA und Tobramycin beschichtet waren, zeigten biologisch signifikant geringere Anzeichen einer Infektion basierend auf makroskopischen, mikrobiologischen, histopathologischen und radiologischen Analysen. Insgesamt zeigte die neuartige biomimetische HA Beschichtung eine verbesserte frühe Implantatstabilisierung, während es zur gleichen Zeit möglich war, das Implantat wieder sicher aus dem Knochen zu entfernen. Zusätzlich war die Beschichtung in der Lage, klinisch wirksame Mengen von Tobramycin kontrollierbar über einen sinnvollen Zeitraum freizusetzen.

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Sörensen, Jan: Novel ultra-thin hydroxyapatite coatings on medical implants used as local drug delivery system – in-vitro and in-vivo characterization. 2013.

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