Влияние решетчатых структур на элюцию антибиотиков из костного цемента: in vitro исследование

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Актуальность. В основе локальной терапии при инфекции костно-суставного аппарата лежит использование спейсеров с нанесенным покрытием. Как правило, в состав покрытия входит костный цемент с активным веществом, чаще всего с антибиотиком. Существующие варианты стимуляции элюции антибиотика из костного цемента не всегда эффективны и могут даже ухудшать свойства цемента.

Цель исследования — в эксперименте in vitro изучить влияние решетчатой структуры базовых имплантатов на динамику и количество элюции антибиотиков из костного цемента.

Материал и методы. В эксперименте использовали новый вид имплантатов, имеющих решетчатую структуру, а также контрольный образец, имитирующий традиционный армированный спейсер, наполненный костным цементом с антибиотиком. Элюция ванкомицина и цефазолина измерялась спектрофотометрическим методом на сроках до 30 дней. Для построения калибровочных кривых строилась регрессионная прямая по данным, полученным из калибровочных растворов.

Результаты. Во всех образцах получен профиль элюции антибиотика, характерный для исследуемых образцов костного цемента, а именно резкое высвобождение активного вещества в первые дни эксперимента с последующим угасанием (7-й день) и выходом на равномерное плато скорости элюции (15-й день). Во всех образцах количество высвобожденного лекарственного вещества составило не более 1% от массы импрегнированного препарата. В образцах, имеющих решетчатую структуру, количество выделенного антибиотика было выше, чем в контрольной группе, несмотря на относительно больший объем костного цемента и соответственно препарата в контрольных образцах. Разница в количестве выделенных антибиотиков была выявлена и между испытуемыми образцами двух видов решетчатых структур.

Заключение. Решетчатая структура имплантатов позволяет повысить скорость и количество элюированного антибиотика из костного цемента по сравнению с традиционным вариантом использования костного цемента в качестве армированных спейсеров.

Об авторах

Рашид Актасович Шафигулин

ФГАОУ ВО «Казанский (Приволжский) федеральный университет»; ФГБОУ ВО «Казанский государственный медицинский университет» Минздрава России; ГАУЗ «Республиканская клиническая больница» Минздрава Республики Татарстан

Автор, ответственный за переписку.
Email: rashid221@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0008-6146-4470
SPIN-код: 1458-1630

канд. мед. наук

Россия, г. Казань; г. Казань; г. Казань

Алина Эльвировна Галяутдинова

ФГАОУ ВО «Казанский (Приволжский) федеральный университет»

Email: wiiskas15@gmail.com
ORCID iD: 0009-0003-0885-5994
SPIN-код: 7346-1225
Россия, г. Казань

Никита Вячеславович Харин

ФГАОУ ВО «Казанский (Приволжский) федеральный университет»

Email: nik1314@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-4850-143X
SPIN-код: 3574-8161
Россия, г. Казань

Игорь Алексеевич Беспалов

ФГАОУ ВО «Казанский (Приволжский) федеральный университет»

Email: bespalovigora@gmail.com
ORCID iD: 0009-0008-8062-8733
SPIN-код: 6866-7850
Россия, г. Казань

Илдария Хайрулловна Валеева

ФГБОУ ВО «Казанский государственный медицинский университет» Минздрава России

Email: valeeva.ildaria@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-3707-6511
SPIN-код: 9818-5421

д-р биол. наук

Россия, г. Казань

Сергей Василевич Бойчук

ФГАОУ ВО «Казанский (Приволжский) федеральный университет»; ФГБОУ ВО «Казанский государственный медицинский университет» Минздрава России

Email: boichuksergei@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-2415-1084
SPIN-код: 8058-6246

д-р. мед. наук, профессор

Россия, г. Казань; г. Казань

Ильдар Фуатович Ахтямов

ФГАОУ ВО «Казанский (Приволжский) федеральный университет»; ФГБОУ ВО «Казанский государственный медицинский университет» Минздрава России; ГАУЗ «Республиканская клиническая больница» Минздрава Республики Татарстан

Email: yalta60@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-4910-8835
SPIN-код: 6579-8640

д-р мед. наук, профессор

Россия, г. Казань; г. Казань; г. Казань

Оскар Александрович Саченков

ФГАОУ ВО «Казанский (Приволжский) федеральный университет»

Email: 4works@bk.ru
ORCID iD: 0000-0002-8554-2938
SPIN-код: 2926-2436

канд. физ.-мат. наук, доцент

Россия, г. Казань

Список литературы

  1. Божкова С.А., Новокшонова А.А., Конев В.А. Современные возможности локальной антибиотикотерапии перипротезной инфекции и остеомиелита (обзор литературы). Травматология и ортопедия России. 2015;3(77):92-107. doi: 10.21823/2311-2905-2015-0-3-92-107. Bozhkova S.A., Novokshonova A.A., Konev V.A. Modern possibilities of local antibiotic therapy for periprosthetic infection and osteomyelitis (literature review). Traumatology and Orthopedics of Russia. 2015;3(77):92-107. (In Russian). doi: 10.21823/2311-2905-2015-0-3-92-107.
  2. von Hertzberg-Boelch S.P., Luedemann M., Rudert M., Steinert A.F. PMMA Bone Cement: Antibiotic Elution and Mechanical Properties in the Context of Clinical Use. Biomedicines. 2022;10(8):1830. doi: 10.3390/biomedicines10081830.
  3. Wall V., Nguyen T.H., Nguyen N., Tran P.A. Controlling Antibiotic Release from Poly-methylmethacrylate Bone Cement. Biomedicines. 2021;9(1):26. doi: 10.3390/biomedicines9010026.
  4. Шафигулин Р.А., Ахтямов И.Ф., Емелин А.Л., Беспалов И.А., Акифьев К.Н. Элюция антибиотиков из костного цемента: проблемы и пути их решения. Гений ортопедии. 2025;31(1):119-128. doi: 10.18019/1028-4427-2025-31-1-119-128. Shafigulin R.A., Akhtyamov I.F., Emelin A.L., Bespalov I.A., Akifyev K.N. Elution of antibiotics from bone cement: problems and ways to solution. Genij Ortopedii. 2025;31(1):119-128. (In Russian). doi: 10.18019/1028-4427-2025-31-1-119-128.
  5. Obaton A.F., Fain J., Meinel D., Tsamos A., Léonard F., Lécuelle B. et al. In Vivo Bone Progression in and around Lattice Implants Additively Maufactured with a New Titanium Alloy. Appl Sci. 2023;13(12):7282. doi: 10.3390/app13127282.
  6. Килина П.Н., Сиротенко Л.Д., Козлов М.С., Дроздов А.А. Теплофизические аспекты обеспечения качества высокопористых имплантатов с ячеистой структурой, полученных методом селективного лазерного сплавления. Российский журнал биомеханики. 2023;27(4):200-211. doi: 10.15593/RZhBiomeh/2023.4.16. Kilina P.N., Sirotenko L.D., Kozlov M.S., Drozdov A.A. Quality assurance thermophysical aspects of highly porous implants with cellular structure obtained by selective laser melting. Russian Journal of Biomechanics. 2023;27(4):200-211. (In Russian). doi: 10.15593/RZhBiomeh/2023.4.16.
  7. Borovkov A.I., Maslov L.B., Zhmaylo M.A., Tarasenko F.D., Nezhinskaya L.S. Elastic properties of additively produced metamaterials based on lattice structures. Mater Phys Mech. 2023;51(7):42-62.
  8. Федорова Н.В., Косинов А.М. Определение механических параметров и проницаемости пористых костных имплантатов из титанового сплава в условиях их взаимодействия с биологическими жидкостями. Российский журнал биомеханики. 2023;28(1):54-66. doi: 10.15593/RZhBiomeh/2024.1.04. Fedorova N.V., Kosinov A.M. Determination mechanical properties and permeability of porous titanium alloy bone implants, including under conditions of their interaction with biological fluids. Russian Journal of Biomechanics. 2024;28(1):45-56. (In Russian). doi: 10.15593/rjbiomech/2024.1.04.
  9. Abdudeen A., Abu Qudeiri J.E., Kareem A., Valappil A.K. Latest developments and insights of orthopedic implants in biomaterials using additive manufacturing technologies. J Manuf Mater Process. 2022;6(6):162. doi: 10.3390/jmmp6060162.
  10. Frazar E.M., Shah R.A., Dziubla T.D., Hilt J.Z. Multifunctional Temperature-Responsive Polymers as Advanced Biomaterials and Beyond. J Appl Polym Sci. 2020;137:48770. doi: 10.1002/app.48770.
  11. Sufiiarov V.Sh., Borisov E.V., Sokolova V.V., Chukovenkova M.O., Soklakov A.V., Mikhaluk D.S. et al. Structural analysis of an endoprosthesis designed with graded density lattice structures. Int J Numer Method Biomed Eng. 2021;37(2):e3420. doi: 10.1002/cnm.3420.
  12. Müller P., Gembarski P.C., Lachmayer R. Design Automation of a Patient-Specific Endoprosthesis with Multi-Objective Optimized Lattice Structures. In: Innovative Product Development by Additive Manufacturing 2021. 2023;113-128. doi: 10.1007/978-3-031-05918-6_8.
  13. Акифьев К.Н., Харин Н.В., Стаценко Е.О., Саченков О.А., Большаков П.В. Пилотное исследование потери устойчивости на сжатие решетчатого эндопротеза с помощью рентгеновской томографии. Российский журнал биомеханики. 2023;27(4):40-49. doi: 10.15593/RZhBiomeh/2023.4.03. Akifyev K.N., Kharin N.V., Statsenko E.O., Sachenkov O.A., Bolshakov P.V. Pilot study of lattice endoprosthesis buckling by compression in-situ using X-ray tomography. Russian Journal of Biomechanics. 2023;27(4):40-49. (In Russian). doi: 10.15593/RZhBiomeh/2023.4.03.
  14. Герасимов О.В., Рахматулин Р.Р., Балтина Т.В., Саченков О.А. Определение механических свойств костной ткани численно-цифровым методом на основе данных компьютерной томографии. Российский журнал биомеханики. 2023;27(3):53-66. doi: 10.15593/RZhBiomech/2023.3.04. Gerasimov O.V., Rakhmatulin R.R., Baltina T.V., Sachenkov O.A. Determination of the bone tissue mechanical properties by a numerical-digital method using CT data. Russian Journal of Biomechanics. 2023;27(3):53-66. (In Russian). doi: 10.15593/RZhBiomech/2023.3.04.
  15. Abdullah N.N.A.A., Abdullah A.H., Ramlee M.H. Current trend of lattice structures designed and analysis for porous hip implants: A short review. Mater Today Proc. 2023;110:96-100. doi: 10.1016/j.matpr.2023.09.199.
  16. Bolshakov P., Kharin N., Kashapov R., Sachenkov O. Structural Design Method for Constructions: Simulation, Manufacturing and Experiment. Materials (Basel). 2021;14(20):6064. doi: 10.3390/ma14206064.
  17. Kladovasilakis N., Tsongas K., Tzetzis D. Finite Element Analysis of Orthopedic Hip Implant with Functionally Graded Bioinspired Lattice Structures. Biomimetics (Basel). 2020;5(3):44. doi: 10.3390/biomimetics5030044.
  18. Luo S., Jiang T., Long L., Yang Y., Yang X., Luo L. et al. A dual PMMA/calcium sulfate carrier of vancomycin is more effective than PMMA-vancomycin at inhibiting Staphylococcus aureus growth in vitro. FEBS Open Bio. 2020;10(4):552-560. doi: 10.1002/2211-5463.12809.
  19. Mensah L.M., Love B.J. A meta-analysis of bone cement mediated antibiotic release: Overkill, but a viable approach to eradicate osteomyelitis and other infections tied to open procedures. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2021;123:111999. doi: 10.1016/j.msec.2021.111999.
  20. Paz E., Sanz-Ruiz P., Abenojar J., Vaquero-Martín J., Forriol F., Del Real J.C. Evaluation of Elution and Mechanical Properties of High-Dose Antibiotic-Loaded Bone Cement: Comparative «In Vitro» Study of the Influence of Vancomycin and Cefazolin. J Arthroplasty. 2015;30(8):1423-1429. doi: 10.1016/j.arth.2015.02.040.
  21. Меликова Р.Э., Цискарашвили А.В., Артюхов А.А., Сокорова Н.В. In vitro исследование динамики элюции антибактериальных препаратов, импрегнированных в матрицы на основе полимерного гидрогеля. Гений ортопедии. 2023;29(1):64-70. doi: 10.18019/1028-4427-2023-29-1-64-70. Melikova R.E., Tsiskarashvili A.V., Artyukhov A.A., Sokorova N.V. In vitro study of the dynamics in elution of antibacterial drugs impregnated into matrices based on polymer hydrogel. Genij Ortopedii. 2023;29(1):64-70. (In Russian). doi: 10.18019/1028-4427-2023-29-1-64-70.
  22. Miller R., Leon C., McLemore R. Mixing method affects elution and strength of high-dose ALBC: A pilot study. Clin Orthop Relat Res. 2012;470:2677-2683. doi: 10.1007/s11999-012-2351-2.
  23. Samelis P.V., Papagrigorakis E., Sameli E., Mavrogenis A., Savvidou O., Koulouvaris P. Current Concepts on the Application, Pharmacokinetics and Complications of Antibiotic-Loaded Cement Spacers in the Treatment of Prosthetic Joint Infections. Cureus. 2022;14:e20968. doi: 10.7759/cureus.20968.
  24. Wu K., Chen Y.C., Hsu Y.M., Chang C.H. Enhancing Drug Release from Antibiotic-loaded Bone Cement Using Porogens. J Am Acad Orthop Surg. 2016;24:188-195. doi: 10.5435/JAAOS-D-15-00469.
  25. Shi M., Kretlow J.D., Spicer P.P., Tabata Y., Demian N., Wong M.E. et al. Antibiotic-releasing porous polymethylmethacrylate/gelatin/antibiotic constructs for craniofacial tissue engineering. J Control Release. 2011;152:196-205. doi: 10.1016/j.jconrel.2011.01.029.
  26. Spicer P.P., Shah S.R., Henslee A.M., Watson B.M., Kinard L.A., Kretlow J.D. et al. Evaluation of antibiotic releasing porous polymethylmethacrylate space maintainers in an infected composite tissue defect model. Acta Biomater. 2013;9:8832-8839. doi: 10.1016/j.actbio.2013.07.018.
  27. Куропаткин Г.В., Ахтямов И.Ф. Костный цемент в травматологии и ортопедии. Казань: ТаГраф; 2014. c. 128-131. Kuropatkin G.V., Akhtyamov I.F. Bone cement in surgery. Kazan: TaGraf; 2014. p. 128-131. (In Russian).
  28. Duey R.E., Chong A.C., McQueen D.A., Womack J.L., Song Z., Steinberger T.A. et al. Mechanical properties and elution characteristics of polymethylmethacrylate bone cement impregnated with antibiotics for various surface area and volume constructs. Iowa Orthop J. 2012;32:104-115.
  29. Bistolfi A., Massazza G., Verné E., Massè A., Deledda D., Ferraris S. et al. Antibiotic-loaded cement in orthopedic surgery: a review. ISRN Orthop. 2011;2011:290851. doi: 10.5402/2011/290851.
  30. Samelis P.V., Papagrigorakis E., Sameli E., Mavrogenis A., Savvidou O., Koulouvaris P. Current Concepts on the Application, Pharmacokinetics and Complications of Antibiotic-Loaded Cement Spacers in the Treatment of Prosthetic Joint Infections. Cureus. 2022;14(1):e20968. doi: 10.7759/cureus.20968.
  31. Perry N.P.J., Tucker N.J., Hadeed M.M., Heare A., Stacey S.C., Hammerberg E.M. et al. The Antibiotic Cement Bead Rouleaux: A Technical Trick to Maximize the Surface Area to Volume Ratio of Cement Beads to Improve the Elution of Antibiotics. J Orthop Trauma. 2022;36(9):369-373. doi: 10.1097/BOT.0000000000002335.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Результаты расчетов (дополнительные материалы)
Скачать (457KB)
Метаданные
3. Рис. 1. Виды исследуемых образцов: а — образец структуры V2; b — образец структуры V3; c — образец структуры C

Скачать (23KB)
Метаданные
4. Рис. 2. Итоговый вид изготовленных образцов: a — образец структуры V2; b — образец структуры V3 ; c — контрольный образец структуры С

Скачать (20KB)
Метаданные
5. Рис. 3. Концентрация антибиотиков: а — цефазолин; b — ванкомицин; «*» — статистически значимое различие V2 и V3, «#» — V2 и C, «%» — V3 и C; уровень значимости p<0,05

Скачать (75KB)
Метаданные
6. Рис. 4. Кинетика антибиотика: а — цефазолин; b — ванкомицин

Скачать (87KB)
Метаданные
7. Рис. 5. Масса выделенного антибиотика: а — цефазолин; b — ванкомицин

Скачать (73KB)
Метаданные

© Эко-Вектор, 2025

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».