Citation for published version (APA): Gottenbos, B. (2001). The development of antimicrobial biomaterial surfaces Groningen: s.n.

Transcriptie

1 University of Groningen The development of antimicrobial biomaterial surfaces Gottenbos, Bart IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below. Document Version Publisher's PDF, also known as Version of record Publication date: 2001 Link to publication in University of Groningen/UMCG research database Citation for published version (APA): Gottenbos, B. (2001). The development of antimicrobial biomaterial surfaces Groningen: s.n. Copyright Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons). Take-down policy If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim. Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum. Download date:

2 voor niet ingewijden Door de toenemende vergrijzing van de bevolking stijgt het gebruik van lichaamsvreemde materialen voor herstel en ondersteuning van lichaamsfuncties, de zogenaamde biomaterialen. Een veelvoorkomend probleem bij het gebruik van biomedische implantaten en hulpmiddelen, zoals bijvoorbeeld heup protheses, kunst hartkleppen of urineweg katheters, is infectie. Deze infecties ontstaan omdat eencellige organismen, meestal bacteriën (deze hebben een grootte van ongeveer één duizendste millimeter), hechten aan het oppervlak van deze lichaamsvreemde materialen. Het afweersysteem van de patiënt kan deze gehechte bacteriën moeilijk uitschakelen, omdat de bacteriën aan de ene kant beschermd worden door het biomateriaal oppervlak, en aan de andere kant door een slijmlaag, die ze zelf aanmaken. De gehechte bacteriën kunnen zich hierdoor gemakkelijk ongehinderd vermeerderen, wat ze doen door zich steeds opnieuw in tweeën te delen op het biomateriaal oppervlak, een proces wat we oppervlakte groei genoemd hebben. Zo onstaat een laag bacteriën, een zogenaamde biofilm, op het implantaat, en in dit stadium spreken we van een biomateriaal-gerelateerde infectie. Door deze infectie kan het implantaat slecht gaan functioneren, terwijl de patiënt pijn krijgt, ziek wordt en uiteindelijk zelfs kan overlijden. Omdat bacteriën in een biofilm ongevoelig zijn voor antibiotica, is vaak de enige remedie tegen biomateriaal-gerelateerde infecties het verwijderen van het implantaat of hulpmiddel (Hoofdstuk 1). Het is dus beter om dit soort infecties te voorkomen, door biomaterialen te gebruiken waarop bacteriën geen biofilm kunnen vormen. Het doel van het onderzoek beschreven in dit proefschrift was te onderzoeken hoe we het oppervlak van biomaterialen moeten veranderen om de groei van gehechte bacteriën tegen te gaan. Hiervoor werd eerst een methode bedacht om de hechting en groei van gehechte bacteriën te meten (Hoofdstuk 2). De hechting van bacteriën werd gemeten door met een microscoop op het biomateriaal oppervlak te kijken en bacteriën in een vloeistof zonder voedingsstoffen langs te laten stromen. Vervolgens werd de oppervlakte groei van de gehechte bacteriën gemeten door vloeibaar voedsel langs te laten stromen. Ook het eventueel weer loslaten van bacteriën van het biomateriaal oppervlak kon op deze wijze bekeken worden. Met deze methode werd de hechting en groei gemeten van twee verschillende bacteriesoorten op acht verschillende, veel gebruikte biomaterialen (Hoofdstuk 3). Hieruit 115

3 bleek dat het aantal bacteriën wat hechtte, weinig verschilde tussen de biomaterialen, terwijl de oppervlakte groei juist wel veel verschilde. De onderzochte bolvormige bacterie (Staphylococcus epidermidis) groeide sneller op meer water afstotende (hydrofobe) biomaterialen, waarschijnlijk door een betere beschikbaarheid van voedsel op deze materialen. Dit gold echter niet voor de onderzochte staafvormige bacterie (Pseudomonas aeruginosa). Deze groeide langzamer op biomaterialen waarvan er minder bacteriën van het oppervlak loslieten, m.a.w. biomaterialen waar de bacteriën vaster aan gehecht zaten. Dit komt waarschijnlijk omdat deze bacteriën zich eerst moeten verlengen, voordat ze in tweeën kunnen delen. Voor het verlengen over het biomateriaal oppervlak moeten ze een wrijvingskracht overwinnen, die groter is naarmate de aantrekking tussen de bacterie en het biomateriaal oppervlak groter is. Deze theorie is verder onderzocht in Hoofdstuk 4, waar de hechting en oppervlakte groei van twee staafvormige (P. aeruginosa en Escherichia coli) en twee bolvormige (S. epidermidis en Staphylococcus aureus) bacteriesoorten werd gemeten op drie biomateriaal oppervlakken met een verschillende elektrische lading, sterk negatief, negatief en positief. Omdat bacteriën een negatieve elektrische lading bezitten, worden ze elektrisch afgestoten door negatief geladen oppervlakken, en aangetrokken door positief geladen oppervlakken. Dit was dan ook duidelijk te zien aan de snelheid waarmee de bacteriën hechtten, die het laagst was op het meest negatief geladen oppervlak, en het hoogst op het positief geladen oppervlak. Oppervlakte groei van de staafvormige bacteriën was geheel afwezig op het positief geladen materiaal, terwijl deze normaal groeiden op de negatief geladen oppervlakken. De groei van de bolvormige bacteriën werd nauwelijks beïnvloed door de lading van het oppervlak waar ze op gehecht waren. Op het positief geladen oppervlak worden de staafvormige bacteriën dus waarschijnlijk zo sterk aangetrokken dat ze de wrijvingskracht niet meer kunnen overwinnen, en niet in tweeën kunnen delen. Biomaterialen met een positief geladen oppervlak worden dus mogelijk minder gauw door staafvormige bacteriën geïnfecteerd, maar de omstandigheden in deze laboratorium experimenten zijn anders dan die in het menselijk lichaam. Daarom werden schijfjes van de biomaterialen met een verschillende oppervlakte lading en met de twee soorten staafvormige bacteriën uit hoofdstuk 4 op het biomateriaal oppervlak geïmplanteerd in ratten (Hoofdstuk 5). Met één bacteriesoort (E. coli) bleken na twee dagen op alle negatief geladen biomateriaal schijfjes levende bacteriën te zitten, terwijl deze maar op de helft van de positief geladen biomateriaal schijfjes zaten. De andere bacteriesoort (P. aeruginosa) werd echter wel op alle 116

4 biomateriaal schijfjes teruggevonden. Dit komt waarschijnlijk omdat deze bacterie veel meer slijm kan aanmaken dan de eerste soort (E. coli). Onder deze omstandigheden kan de P. aeruginosa bacterie misschien een slijmlaag tussen zichzelf en het geladen biomateriaal oppervlak maken, waardoor hij geen last meer heeft van de aantrekkende kracht van het positief geladen biomateriaal oppervlak. Deze biomaterialen met positieve oppervlakte lading lijken dus in het lichaam biomateriaal-gerelateerde infecties te kunnen voorkomen, maar slechts voor een beperkt aantal bacterie soorten. Voordat de biomateriaal schijfjes werden geïmplanteerd bleek verder, dat op de positief geladen schijfjes evenveel levende bacteriën zaten als op de negatief geladen materialen, terwijl aan het eerste materiaal twee keer zoveel bacteriën hechtten. Blijkbaar was ongeveer de helft van de gehechte bacteriën dood op het positief geladen materiaal. Dit komt waarschijnlijk omdat de positieve lading van het oppervlak wordt veroorzaakt door positief geladen stikstof atomen die in het materiaal ingebouwd zitten. In water oplosbare stoffen met positief geladen stikstof atomen zijn bacteriedodend, omdat ze gaten kunnen maken in het celmembraan, de huid, van de bacteriën, en worden gebruikt in desinfectie middelen. Uit ons onderzoek blijkt dat ook biomaterialen met gebonden positief geladen stikstof atomen bacteriedodend kunnen zijn voor gehechte bacteriën, waarschijnlijk omdat deze op dezelfde manier lek geprikt worden. Het ontstaan van biomateriaal-gerelateerde infecties is niet geheel bekend. Het zou kunnen dat bacteriën al tijdens de operatie aan het implantaat hechten. Implantaten zouden echter ook geïnfecteerd kunnen worden in een veel later stadium, door bacteriën die in de bloed terechtgekomen zijn. Bacteriën kunnen onder andere in de bloedbaan terechtkomen door geïnfecteerde wondjes, ingrepen van de tandarts of blaasontsteking. Ook kunnen bacteriën die normaal gesproken in de darmen leven soms de darmwand passeren naar de bloedbaan. In Hoofdstuk 6 werd in gezonde ratten onderzocht of biomateriaal schijfjes 4 weken na implantatie door bacteriën in de bloedbaan geïnfecteerd kunnen worden. Hiervoor werden óf bacteriën in de bloedbaan van de ratten geïnjecteerd, óf werd het passeren van de darmwand door darmbacteriën van de ratten gestimuleerd. Het bleek dat de biomateriaal schijfjes niet via het bloed geïnfecteerd konden worden. Echter, 5% van de geïmplanteerde schijfjes werd geïnfecteerd door onbekende bacteriën die waarschijnlijk tijdens de implantatie op het materiaal waren gekomen. Waarschijnlijk is ook bij mensen met een gezond afweer systeem de kans klein, dat implantaten in een later stadium na implantatie alsnog door bacteriën in de bloedbaan worden geïnfecteerd. 117

5 Nu dat we wisten, dat ook gebonden positieve lading bacteriën lek kan prikken, hebben we positief geladen stikstof atomen met een lange moleculaire staart, een soort prikker, gebruikt, in de hoop dat dit lek prikken beter gaat. Deze positief geladen stikstof atomen hebben we chemisch gebonden aan siliconen rubber, een veel gebruikt biomateriaal (Hoofdstuk 7). Vervolgens hebben we onze vier soorten bacteriën anderhalf uur gehecht aan de materialen en daarna gekeken of ze levend waren. Het bleek dat vrijwel alle bolvormige bacteriën (S. aureus en S. epidermidis) niet meer in leven waren op het behandelde siliconen rubber, terwijl de meeste gehechte bacteriën op onbehandeld siliconen rubber wel leefden. Ook veel (ca. 75%) van de gehechte staafvormige bacteriën (P. aeruginosa en E. coli) waren niet meer in leven op het behandelde siliconen rubber, terwijl dit niet het geval was op het onbehandelde siliconen rubber. De effectiviteit van de bacterie dodende laag werd ook hier getest door implantatie van behandelde en onbehandelde schijfjes siliconen rubber in ratten met één van de bacteriën (S. aureus) erop gebracht. Wanneer de bacteriën voor implantatie werden gehecht aan de materialen werden na 3 en 7 dagen nagenoeg geen levende bacteriën gevonden op de behandelde siliconen rubber schijfjes, terwijl deze wel aanwezig waren op vrijwel alle onbehandelde siliconen rubber schijfjes. Wanneer de bacteriën na de implantatie in de buurt van de schijfjes werden geïnjecteerd werden ook op de meeste behandelde siliconen rubber schijfjes levende bacteriën terug gevonden, maar veel minder dan op de onbehandelde materialen. We kunnen uit het onderzoek concluderen dat het positief maken van het biomateriaal oppervlak met positief geladen stikstof atomen met een lange moleculaire staart biomateriaalgerelateerde infecties kan voorkomen. De oppervlakte groei van de onderzochte bolvormige bacteriën wordt hierop effectief voorkomen door het doden van deze bacteriën. Ook een gedeelte van de onderzochte staafvormige bacteriën wordt op zo n oppervlak gedood, en de overlevende bacteriën kunnen moeilijk groeien op het positief geladen oppervlak door de sterke aantrekkingskracht ervan. Deze positief geladen stikstof atomen kunnen in de toekomst chemisch worden gebonden aan biomedische implantaten en hulpmiddelen, zoals bijvoorbeeld heup protheses, kunst hartkleppen of urineweg katheters, waardoor infecties, en de daarmee gepaard gaande ernstige problemen voor de patiënt, voorkomen kunnen worden. 118