Biodegradable poly(trimethylenecarbonate)versus non-biodegradable poly(methyl methacrylate) beads as antibiotic delivery devices in the treatment of diabetic foot osteomyelitis

Abstract

Osteomyelitis is a frequent complication of diabetic foot ulcers and/or diabetic foot infection. It is defined as an infection of bone tissue and it is an aggravated condition in diabetic patient due to their poor blood flow and elevated blood glucose levels, which can increase biofilm formation. In general, osteomyelitis cannot be eradicated merely by intravenous administration of antibiotics. A successful treatment will include a combination of surgical procedures, usually surgical debridement of dead infected tissue and local antibiotic therapy. Non-degradable delivery devices are currently used for local antibiotic administration. The poly(methylmethacrylate) (PMMA) is widely used to develop gentamicin-loaded beads that are implanted on the local of infection. Even though these beads are routinely used to treat osteomyelitis, they present several disadvantages, including the requirement for a second surgery to remove the beads after treatment. Hence, the use of biodegradable devices for antibiotic delivery in osteomyelitis is a very attractive alternative. The poly(trimethylene carbonate) (PTMC) is an enzymatically biodegradable polymer that does not produce acidic degradation products. In the current thesis, the suitability of PTMC to function as an antibiotic delivery device for the local treatment of osteomyelitis was explored. Gentamicin-loaded PTMC beads were produced and their release kinetics was assessed. The inhibition of biofilm formation was also evaluated for these beads and compared with the commercially available PMMA Septopal® beads. Additionally, the glucose influence in biofilm growth was also studied, namely medium with and without 2.6 g/L concentration of glucose was used to grow the biofilm The results showed that the mass of biofilm (Enterobacter cloacae, Staphylococcus aureus) increased when glucose was present in the culture medium, which may explain the difficulties that are observed in the treatment of diabetic foot osteomyelitis. The antibiotic release profile and inhibition of biofilm formation by the PTMC beads was found to be similar to the PMMA beads. Therefore, PTMC seems a promising biodegradable carrier to be used in the local treatment of osteomyelitis.

A osteomielite é uma complicação frequente em úlceras e/ou infeção do pé diabético. É definida como uma infecção do tecido ósseo, agravada em pacientes diabéticos devido ao baixo fluxo sanguíneo e elevado nível de glucose no sangue, o que pode contribuir para a formação de biofilme. Em geral, a osteomielite não pode ser erradicada meramente com administração intravenosa de antibióticos. Um tratamento bem-sucedido inclui uma combinação de procedimentos cirúrgicos, geralmente remoção cirúrgica do tecido infectado e morto, seguido de terapia antibiótica local. Dispositivos de administração nãobiodegradáveis são actualmente utilizados para a administração de antibióticos no local infectado. O poli (metacrilato de metilo) (PMMA) é amplamente utilizado para desenvolver sistemas de libertação controlada de antibióticos, e estes são implantados no local infetado. Embora as partículas de PMMA sejam utilizadas com frequência no tratamento da osteomielite, estas apresentam várias desvantagens, incluindo a exigência de uma segunda cirurgia para as remover, após o tratamento. A utilização de dispositivos biodegradáveis para a libertação de antibióticos no tratamento da osteomielite é uma alternativa muito atraente. O poli (carbonato de trimetileno) (PTMC) é um polímero enzimaticamente biodegradável que não produz produtos de degradação ácidos. No presente trabalho foi explorada a adequação de PTMC para funcionar como um dispositivo de administração de antibiótico para o tratamento local da osteomielite. Foram produzidas partículas de PTMC carregadas com gentamicina e a cinética de libertação do antibiótico foi avaliada. Adicionalmente, a inibição da formação de biofilme foi estudada e comparada com as partículas de PMMA Septopal® comercialmente disponíveis. Além disso, a influência da glucose no crescimento de biofilme também fez parte deste estudo e por conseguinte, desenvolveu-se um biofilme em meio sem e com glucose com uma concentração de 2.6 g/L Os resultados mostraram que a massa de biofilme (Enterobacter cloacae, Staphylococcus aureus) aumentou na presença de glucose no meio de cultura, o que pode explicar a dificuldade observada no tratamento da osteomielite do pé diabético. O perfil de libertação do antibiótico e a inibição da formação de biofilme para as partículas de PTMC foi semelhante ao encontrado para as partículas de PMMA. Nesse sentido, as partículas de PTMC parecem ser um transportador biodegradável promissor no tratamento local de osteomielite.