Antibacterial efficacy of quaternized chitosan coating on 3D printed titanium cage in rat intervertebral disc space

概要

〔目　的(Purpose)〕
高齢化に伴い脊椎手術、そして脊椎固定術は増加傾向にある。固定術の術後感染、特に椎体間固定に用いられる椎間ケージの周囲に起きる深部感染は難治性であり術後成績を著しく低下させる。本研究ではチタンケージを3D印刷し、キトサン(ΗACC)コーティングより抗菌作用を付与する。その抗菌作用をin vitroおよびラット尾椎椎間板感染モデルを用いてin vivoで検証する。

〔方法ならびに成績(Methods/Results)〕
ラット尾椎椎間板に適合する3Dモデルを構築し、海綿骨骨梁に近似した微細構造のチタンケージを作成しHACCコーテイングを行った。チタンケージコーティングなしとチタンケージコーティングありの群に分け、コーティングによる抗菌作用を検証した。生体発光性の黄色ブドウ球菌(Xen36)を使用し、In vitroでAntibacterial ring assay、細菌付着実験、Biofilm形成実験で抗菌性を検証した。In vivoでは、10週オスSDラットの尾椎椎間板の髄核を摘出し、椎間板内にケージを移植し、さらにXen36を創内投与した。術後はIn Vivo Imaging Systemを用いて創部菌量をモニタリングし、μCTを用いて骨融解・ケージのゆるみを評価した。最後にHE染色およびTRAP染色で組織評価を行った。In vitroではHACCチタンケージにおける細菌付着およびBiofilm形成は顕著に抑制された。In vivoでは、術後傷内菌量の増加は早期(術後3日目)からHACC群において抑制されていた。チタン群は術後5日目に創部から排膿が見られ、椎体の骨融解、ケージのゆるみも高率に認めたが、HACC群では創部治癒が良好でありケージのゆるみを認めなかった。組織評価では、チタン群においては破骨細胞が感染巣に近い骨内部分に集積しTRAP濃染を示し、同部位での骨破壊を顕著に認めた。一方HACC群では破骨細胞の活性化は抑えられ骨破壊も軽度であった。

〔総　括(Conclusion)〕
HACCチタンケージは椎間板内,ケージ周囲への細菌浸潤を抑制し、周囲感染をコントロールすることにより、破骨細胞の活性化を抑え、骨破壊・ケージのゆるみを予防できた。