Local biomaterial applications for osteomyelitis treatment

Abstract

Osteomyelitis is an inflammatory condition of the bones caused by bacteria, characterized by fever, pain and swelling in the affected area. If left untreated, osteomyelitis can lead to health problems or even death. Traditionally treatment of osteomyelitis is based on a long antibiotic course and, in chronic inflammation, a surgery to remove dead bone tissue. The most common antibiotic treatments are based on systemic antibiotics, but local treatments are also available.

Systemic antibiotic treatments have several significant challenges. The main one is the development of antibiotic-resistant bacterial strains as a result of too low antibiotic concentrations. Biomaterial applications that release antibiotics locally could overcome these problems and potentially replace systemic treatments partially in the future. Local biomaterial applications allow the drug, in the case of osteomyelitis an antibiotic, to be delivered and released only to a limited area of inflammation. This allows high local antibiotic concentrations to be achieved while preventing the development of antibiotic resistance.

This thesis explores local biomaterial applications that have been investigated as potential treatments for osteomyelitis. The aim is to present antibiotic carriers made of different biomaterials and to compare them with each other. This thesis also aims to highlight the advantages and current challenges of each application. The study on local antibiotic-releasing biomaterial applications was carried out using literature sources such as the studies conducted.

In addition to the commercial products in clinical use, this thesis also introduces other biomaterials and material combinations that have been studied in the treatment of osteomyelitis. In this thesis, biodegradable polymethylmethacrylate (PMMA) and several biodegradable synthetic and natural polymers are considered. The biodegradable synthetic polymers discussed are polylactide polyglycolide (PLGA), polycaprolactone (PCL) and polylactide (PLA), while the natural biodegradable polymers considered are collagen, chitosan and sericin. The discussed ceramic biomaterials include calcium sulphate, calcium phosphate, hydroxyapatite, and bioactive glass. The use of metals and composites will also be evaluated.

Based on the literature and existing studies on the subject, it can be concluded that local biomaterial applications have great potential as future treatments for osteomyelitis and could partially replace systemic antibiotic therapies. Many of the biomaterial applications investigated have shown promising results as antibiotic carriers and releasers and as promoters of bone remodeling. However, further studies and clinical trials are needed to expand the use of these products in the treatment of osteomyelitis.

Osteomyeliitti on bakteerin aiheuttama luun tulehdustila, jonka tyypillisinä oireina ovat kuume sekä tulehdusalueen kipu ja turvotus. Luutulehdukset voivat hoitamattomina johtaa terveydellisiin haasteisiin tai jopa kuolemaan. Perinteisesti osteomyeliitin hoito perustuu pitkään antibioottikuuriin, jonka lisäksi kroonisissa tulehduksissa kuollut luukudos poistetaan leikkauksella. Yleisimmät antibioottihoidot perustuvat systeemisiin antibiootteihin, mutta myös paikallisia hoitoja on käytössä.

Systeemisillä antibioottihoidoilla on monia merkittäviä haasteita. Näistä suurin on antibioottiresistenssien bakteerikantojen kehittyminen liian alhaisten antibioottikonsentraatioiden seurauksena. Paikallisesti antibiootteja vapauttavat biomateriaalisovellukset voisivat ratkaista nämä ongelmat ja mahdollisesti tulevaisuudessa osittain korvata systeemiset hoidot. Paikallisten biomateriaalisovellusten avulla lääkeaine, osteomyeliitin tapauksessa antibiootti, saadaan toimitettua ja vapautettua vain rajatulle tulehdusalueelle. Tämä mahdollistaa korkeiden paikallisten antibioottikonsentraatioiden saavuttamisen, mikä samalla estää antibioottiresistenssin kehittymistä.

Tässä kandidaatintyössä perehdytään paikallisiin biomateriaalisovelluksiin, joita on tutkittu potentiaalisina hoitomenetelminä osteomyeliittiin. Tavoitteena on esitellä eri biomateriaaleista valmistettuja antibioottien kantajavälineitä sekä vertailla niitä keskenään. Lisäksi työssä pyritään tuomaan esille kunkin sovelluksen edut sekä nykyiset haasteet. Tutkimus paikallisesti antibiootteja vapauttavista biomateriaalisovelluksista tehtiin hyödyntäen kirjallisuuslähteitä, kuten tehtyjä tutkimuksia.

Kliinisessä käytössä olevien kaupallisten tuotteiden lisäksi tässä työssä tuodaan esille myös muita biomateriaaleja sekä eri materiaaliyhdistelmiä, joita on tutkittu osteomyeliitin hoidossa. Tässä kandidaatintyössä polymeereistä tarkastellaan biohajoamatonta polymetyylimetakrylaattia (PMMA) sekä useita biohajoavia synteettisiä ja luonnollisia polymeerejä. Työssä käsiteltäviä biohajoavia synteettisiä polymeerejä ovat polylaktidi-polyglykolidi (PLGA), polykaprolaktoni (PCL) ja polylaktidi (PLA). Luonnollisista biohajoavista polymeereistä puolestaan tarkastellaan kollageenia, kitosaania sekä serisiiniä. Keraamisista biomateriaaleista käsitellään kalsiumsulfaattia, kalsiumfosfaattia, hydroksiapatiittia sekä bioaktiivista lasia. Lisäksi arvioidaan metallien sekä komposiittien, eli yhdistelmämateriaalien, käyttöä.

Aiheen kirjallisuuden sekä olemassa olevien tutkimusten perusteella voidaan todeta, että paikalliset biomateriaalisovellukset ovat tulevaisuudessa hyvin potentiaalisia hoitomenetelmiä osteomyeliittiin ja ne voisivat osittain korvata systeemiset antibioottihoidot. Monet tutkituista biomateriaalisovelluksista ovat antaneet lupaavia tuloksia antibioottien kantajina ja vapauttajina sekä luukudoksen uudelleenrakentamisen edistäjinä. Tuotteiden laajempi käyttö osteomyeliitin hoidossa vaatii kuitenkin vielä jatkotutkimuksia sekä kliinisiä kokeita.