Effectiveness of Vancomycin-Impregnated Bone Graft Substitutes for the Treatment of Chronic Osteomyelitis in Long Bones: Comparative Analysis

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Background. Replacement of bone defects in the surgical treatment of chronic osteomyelitis is a key step to prevent recurrence of infection and potential fractures at the site of rehabilitation. Bone cement, biodegradable synthetic materials, as well as autologous, allogeneic, and xenogeneic bone tissue have become widespread in surgical practice. Giving these materials antibacterial properties will expand their use in the treatment of bone and joint infections, shorten the treatment time, and improve the patients’ quality of life.

The aim of the study — to analyze the mid-term results of the second stage of surgical treatment for chronic osteomyelitis in long bones, depending on the type of used vancomycin-impregnated bone graft material: an original biodegradable mineralized material based on allogeneic bone or a commercially available biocomposite material consisting of β-tricalcium phosphate and hydroxyapatite.

Methods. The study included 25 patients who underwent the second stage of surgical treatment for chronic osteomyelitis. After removal of the cement spacer, the defect was replaced in Group 1 (n = 14) with a biocomposite material ReproBone® Granules with the addition of vancomycin, while in Group 2 (n = 11) — with an original mineralized allograft impregnated with vancomycin. Laboratory tests, vancomycin concentration in the drainage fluid, and the presence of infection recurrence within 1-3 years after surgery were evaluated.

Results. The groups did not differ in gender, age, and duration of the disease. The volume of the cavity defect was significantly higher in Group 2 (50 ml vs 14 ml; p = 0.0004). The vancomycin concentration in the drainage fluid from the first day after surgery in Group 2 was more than 10 times higher than in Group 1 (p = 0.0300) and remained at a high level until the 5th day. Osteomyelitis recurrence was observed in 14% of patients in Group 1 and was absent in Group 2.

Conclusions. Standard approach to the treatment of chronic osteomyelitis using antimicrobial spacers does not ensure complete eradication of microbial pathogens that continue to persist in bone tissue. The original biodegradable mineralized bone graft material based on allogeneic bone creates significantly higher local vancomycin concentrations and demonstrates clinical efficacy in all applications.

About the authors

Alexander P. Antipov

Vreden National Medical Research Center of Traumatology and Orthopedics

Author for correspondence.
Email: a.p.antipov@ya.ru
ORCID iD: 0000-0002-9004-5952
Russian Federation, St. Petersburg

Svetlana A. Bozhkova

Vreden National Medical Research Center of Traumatology and Orthopedics

Email: clinpharm-rniito@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-2083-2424
SPIN-code: 3086-3694

Dr. Sci. (Med.), Professor

Russian Federation, St. Petersburg

Ekaterina M. Gordina

Vreden National Medical Research Center of Traumatology and Orthopedics

Email: emgordina@win.rniito.ru
ORCID iD: 0000-0003-2326-7413

Cand. Sci. (Med.)

Russian Federation, St. Petersburg

Alexander V. Afanasyev

Vreden National Medical Research Center of Traumatology and Orthopedics

Email: afanasyev1307@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7649-7576

Cand. Sci. (Med.)

Russian Federation, St. Petersburg

Magomed S. Gadzhimagomedov

Vreden National Medical Research Center of Traumatology and Orthopedics

Email: orthopedist8805@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0001-6113-0277
Russian Federation, St. Petersburg

References

  1. Shree P., Singh C.K., Sodhi K.K., Surya J.N., Singh D.K. Biofilms: Understanding the structure and contribution towards bacterial resistance in antibiotics. Medicine Microecology. 2023;16:100084. doi: 10.1016/j.medmic.2023.100084.
  2. Gogia J.S., Meehan J.P., Di Cesare P.E., Jamali A.A. Local antibiotic therapy in osteomyelitis. Semin Plast Surg. 2009;23(2):100-107. doi: 10.1055/s-0029-1214162.
  3. Lebeaux D., Ghigo J.M., Beloin C. Biofilm-related infections: bridging the gap between clinical management and fundamental aspects of recalcitrance toward antibiotics. Microbiol Mol Biol Rev. 2014; 78(3):510-543. doi: 10.1128/MMBR.00013-14.
  4. Unfried R.I., Krause L.M.F., Cezimbra H.M., Pacheco L.S., Larangeira J.A., Ribeiro T.A. A Retrospective Observational Cohort Study of Periprosthetic Hip Infection Treated by one-stage Method Including Cases With Bone Graft Reconstruction. Clin Med Insights Arthritis Musculoskelet Disord. 2022;15:11795441221090344. doi: 10.1177/11795441221090344.
  5. Alt V., Franke J., Schnettler R. Local delivery of antibiotics in the surgical treatment of bone infections. Techniq Orthop. 2015;30(4):230-235. doi: 10.1097/BTO.0000000000000153.
  6. Itokazu M., Aoki T., Nonomura H., Nishimoto Y., Itoh Y. Antibiotic-loaded porous hydroxyapatite blocks for the treatment of osteomyelitis and postoperative infection. A preliminary report. Bull Hosp Jt Dis. 1998;57(3):125-129.
  7. Gallarate M., Chirio D., Chindamo G., Peira E., Sapino S. Osteomyelitis: Focus on Conventional Treatments and Innovative Drug Delivery Systems. Curr Drug Deliv. 2021;18(5):532-545. doi: 10.2174/1567201817666200915093224.
  8. Резник Л.Б., Стасенко И.В., Негров Д.А. Результаты применения различных видов имплантов при замещении остеомиелитических дефектов длинных костей в эксперименте. Гений ортопедии. 2016(4):81-87. Reznik L.B., Stasenko I.V., Negrov D.A. Results of using different types of implants for replacement of osteomyelitic defects of long bones in experiment. Genij Ortopedii. 2016;(4):81-87. (In Russian).
  9. Lawrie C.M., Kazarian G.S., Barrack T., Nunley R.M., Barrack R.L. Intra-articular administration of vancomycin and tobramycin during primary cementless total knee arthroplasty : determination of intra-articular and serum elution profiles. Bone Joint J. 2021;103-B(11):1702-1708. doi: 10.1302/0301-620X.103B11.BJJ-2020-2453.R1.
  10. Rudelli S., Uip D., Honda E., Lima A.L. One-stage revision of infected total hip arthroplasty with bone graft. J Arthroplasty. 2008;23(8):1165-1177. doi: 10.1016/j.arth.2007.08.010.
  11. Winkler H. Rationale for one stage exchange of infected hip replacement using uncemented implants and antibiotic impregnated bone graft. Int J Med Sci. 2009;6(5):247-252. doi: 10.7150/ijms.6.247.
  12. Braem A., Kamarudin N.H.N., Bhaskar N., Hadzhieva Z., Mele A., Soulié J. et al. Biomaterial strategies to combat implant infections: new perspectives to old challenges. Int Mater Rev. 2023;68(8):1011-1049. doi: 10.1080/09506608.2023.2193784.
  13. Cao X., Sun K., Luo J., Chen A., Wan Q., Zhou H. et al. Enhancing Osteogenesis and Mechanical Properties through Scaffold Design in 3D Printed Bone Substitutes. ACS Biomater Sci Eng. 2025;11(2):710-729. doi: 10.1021/acsbiomaterials.4c01661.
  14. Rodríguez-Merchán E.C. Bone Healing Materials in the Treatment of Recalcitrant Nonunions and Bone Defects. Int J Mol Sci. 2022;23(6):3352. doi: 10.3390/ijms23063352.
  15. Xue N., Ding X., Huang R., Jiang R., Huang H., Pan X. et al. Bone Tissue Engineering in the Treatment of Bone Defects. Pharmaceuticals (Basel). 2022;15(7):879. doi: 10.3390/ph15070879.
  16. Хисамиева Д.Р., Шарафиев И.А., Агатиева Э.А., Никифоров А.А., Галимзянова Р.Ю., Ксембаев С.С. и др. Биорезорбируемые композиционные материалы для остеосинтеза: обзор современных исследований. Вестник современной клинической медицины. 2024;17(1):119-126. doi: 10.20969/VSKM.2024/17(1).119-126. Khisamieva D.R., Sharafiev I.A., Agatieva E.A., Nikiforov A.A., Galimzyanova R.Yu., Ksembaev S.S. et al. Bioresorbable composite materials for osteosynthesis: a review of modern research. The Bulletin of Contemporary Clinical Medicine. 2024;17(1):119-126. (In Russian). doi: 10.20969/VSKM.2024/17(1).119-126.
  17. Афанасьев А.В., Божкова С.А., Артюх В.А., Лабутин Д.В., Ливенцов В.Н., Кочиш А.А. Применение синтетических заменителей костной ткани при одноэтапном лечении пациентов с хроническим остеомиелитом. Гений ортопедии. 2021;27(2):232-236. doi: 10.18019/1028-4427-2021-27-2-232-236. Afanasyev A.V., Bozhkova S.A., Artyukh V.A., Labutin D.V., Liventsov V.N., Kochish A.A. Synthetic bone replacement materials used for one-stage treatment of chronic osteomyelitis. Genij Ortopedii. 2021;27(2):232-236. (In Russian). doi: 10.18019/1028-4427-2021-27-2-232-236.
  18. He W., Wu Z., Wu Y., Cai Y., Cui Z., Yu B. et al. Construction of Antimicrobial Material-Loaded Porous Tricalcium Phosphate Beads for Treatment of Bone Infections. ACS Appl Bio Mater. 2021;4(8):6280-6293. doi: 10.1021/acsabm.1c00565.
  19. Roth K.E., Maier G.S., Schmidtmann I., Eigner U., Hubner W.D., Peters F. et al. Release of Antibiotics Out of a Moldable Collagen-beta-Tricalciumphosphate-Composite Compared to Two Calcium Phosphate Granules. Materials (Basel). 2019;12(24):4056. doi: 10.3390/ma12244056.
  20. Swain S.K., Gotman I., Unger R., Kirkpatrick C.J., Gutmanas E.Y. Microstructure, mechanical characteristics and cell compatibility of beta-tricalcium phosphate reinforced with biodegradable Fe-Mg metal phase. J Mech Behav Biomed Mater. 2016;53:434-444. doi: 10.1016/j.jmbbm.2015.09.002.
  21. Winkler H., Haiden P. Allograft Bone as Antibiotic Carrier. J Bone Jt Infect. 2017;2(1):52-62. doi: 10.7150/jbji.17466.
  22. Schlickewei C.W., Yarar S., Rueger J.M. Eluting antibiotic bone graft substitutes for the treatment of osteomyelitis in long bones. A review: evidence for their use? Orthop Res Rev. 2014:71-79. doi: 10.2147/ORR.S44747.
  23. Masters E.A., Ricciardi B.F., Bentley K.L.M., Moriarty T.F., Schwarz E.M., Muthukrishnan G. Skeletal infections: microbial pathogenesis, immunity and clinical management. Nat Rev Microbiol. 2022;20(7): 385-400. doi: 10.1038/s41579-022-00686-0.
  24. Garcia-Moreno M., Jordan P.M., Günther K., Dau T., Fritzsch C., Vermes M. et al. Osteocytes serve as a reservoir for intracellular persisting Staphylococcus aureus due to the lack of defense mechanisms. Front Microbiol. 2022;13:937466. doi: 10.3389/fmicb.2022.937466.
  25. Божкова С.А., Гордина Е.М., Марков М.А., Афанасьев А.В., Артюх В.А., Малафеев К.В. и др. Влияние комбинации ванкомицина с препаратом серебра на длительность антимикробной активности костного цемента и формирование биопленки штаммом MRSA. Травматология и ортопедия России. 2021;27(2):54-64. doi: 10.21823/2311-2905-2021-27-2-54-64. Bozhkova S.A., Gordina E.M., Markov M.A., Afanasyev A.V., Artyukh V.A., Malafeev K.V. et al. The Effect of Vancomycin and Silver Combination on the Duration of Antibacterial Activity of Bone Cement and Methicillin-Resistant Staphylococcus aureus Biofilm Formation. Traumatology and Orthopedics of Russia. 2021;27(2):54-64. (In Russian). doi: 10.21823/2311-2905-2021-27-2-54-64.
  26. Sanchez C.J. Jr., Shiels S.M., Tennent D.J., Hardy S.K., Murray C.K., Wenke J.C. Rifamycin Derivatives Are Effective Against Staphylococcal Biofilms In Vitro and Elutable From PMMA. Clin Orthop Relat Res. 2015;473(9):2874-2884. doi: 10.1007/s11999-015-4300-3.
  27. van Vugt T.A.G., Arts J.J., Geurts J.A.P. Antibiotic-Loaded Polymethylmethacrylate Beads and Spacers in Treatment of Orthopedic Infections and the Role of Biofilm Formation. Front Microbiol. 2019;10:1626. doi: 10.3389/fmicb.2019.01626.
  28. Higashihira S., Simpson S.J., Arnold C.J., Deckard E.R., Meneghini R.M., Greenfield E.M. et al. Biofilm Formation is Durably Prevented on Pre-Fabricated Antibiotic Cement Spacers Compared to Cobalt Chrome and Polyethylene. J Arthroplasty. 2025;40(3):779-785. doi: 10.1016/j.arth.2024.08.046.
  29. Paterson D.L. Resistance in gram-negative bacteria: Enterobacteriaceae. Am J Infect Control. 2006; 34(5 Suppl 1):S20-28. doi: 10.1016/j.ajic.2006.05.238.
  30. Касимова А.Р., Туфанова О.С., Гордина Е.М., Гвоздецкий А.Н., Радаева К.С., Рукина А.Н. др. Двенадцатилетняя динамика спектра ведущих возбудителей ортопедической: ретроспективное исследование. Травматология и ортопедия России. 2024;30(1):66-75. doi: 10.17816/2311-2905-16720. Kasimova A.R., Tufanova O.S., Gordina E.M., Gvozdetsky A.N., Radaeva K.S., Rukina A.N. et al. Twelve-Year Dynamics of Leading Pathogens Spectrum Causing Orthopedic Infections: A Retrospective Study. Traumatology and Orthopedics of Russia. 2024;30(1): 66-75. (In Russian). doi: 10.17816/2311-2905-16720.
  31. Шипицына И., Осипова Е. Мониторинг ведущей грамположительной микрофлоры и ее антибиотикочувствительности у лиц с хроническим остеомиелитом за трехлетний период. Гений ортопедии. 2022;28(2):189-193. doi: 10.18019/1028-4427-2022-28-2-189-193. Shipitsyna I., Osipova E. Monitoring of the most common gram-positive microflora and its antibiotic sensitivity in persons with chronic osteomyelitis over a three-year period. Genij Ortopedii. 2022;28(2):189-193.doi: 10.18019/1028-4427-2022-28-2-189-193.
  32. Gomes D., Pereira M., Bettencourt A.F. Osteomyelitis: an overview of antimicrobial therapy. Braz J Pharm Sci. 2013;49:13-27. doi: 10.1590/S1984-82502013000100003.
  33. Urish K.L., Cassat J.E. Staphylococcus aureus Osteomyelitis: Bone, Bugs, and Surgery. Infect Immun. 2020;88(7):e00932-19. doi: 10.1128/IAI.00932-19.
  34. Шипицына И.В., Осипова Е., Асташова О., Леончук Д. Мониторинг ведущих возбудителей остеомиелита и их антибиотикорезистентности. Клиническая лабораторная диагностика. 2020;65(9):562-566. Shipitsyna I.V., Osipova E., Astashova O., Leonchuk D. Monitoring of leading pathogens of osteomyelitis and their antibiotic resistance. Russian Clinical Laboratory Diagnostics. 2020;65(9):562-566. (In Russian).
  35. Sofian Z.M., Abdullah J.M., Rahim A.A., Shafee S.S., Mustafa Z., Razak S.A. Cytotoxicity evaluation of vancomycin and its complex with beta-cyclodextrin on human glial cell line. Pak J Pharm Sci. 2012;25(4):831-837.
  36. Kang D.G., Holekamp T.F., Wagner S.C., Lehman R.A. Jr. Intrasite vancomycin powder for the prevention of surgical site infection in spine surgery: a systematic literature review. Spine J. 2015; 15(4):762-770. doi: 10.1016/j.spinee.2015.01.030.
  37. Ordikhani F., Tamjid E., Simchi A. Characterization and antibacterial performance of electrodeposited chitosan-vancomycin composite coatings for prevention of implant-associated infections. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2014;41:240-248. doi: 10.1016/j.msec.2014.04.036.
  38. Yu L., Fei Q., Lin J., Yang Y., Xu Y. The Osteogenic Effect of Local Delivery of Vancomycin and Tobramycin on Bone Marrow Stromal Cells. Infect Drug Resist. 2020;13:2083-2091. doi: 10.2147/IDR.S261767.
  39. Xie J., Wang W., Fan X., Li H., Wang H., Liao R. et al. Masquelet technique: Effects of vancomycin concentration on quality of the induced membrane. Injury. 2022;53(3):868-877. doi: 10.1016/j.injury.2021.11.003.
  40. Choukroun E., Parnot M., Surmenian J., Gruber R., Cohen N., Davido N. et al. Bone Formation and Maintenance in Oral Surgery: The Decisive Role of the Immune System – A Narrative Review of Mechanisms and Solutions. Bioengineering. 2024;11(2):191. doi: 10.3390/bioengineering11020191.
  41. Hernigou P., Dubory A., Homma Y., Flouzat Lachaniette C.H., Chevallier N., Rouard H. Single-stage treatment of infected tibial non-unions and osteomyelitis with bone marrow granulocytes precursors protecting bone graft. Int Orthop. 2018; 42(10):2443-2450. doi: 10.1007/s00264-017-3687-8.
  42. Luan Y.Y., Yin C.H., Yao Y.M. Update advances on C-reactive protein in COVID-19 and other viral infections. Front Immunol. 2021;12:720363. doi: 10.3389/fimmu.2021.720363.
  43. Shetty S., Ethiraj P., Shanthappa A.H. C-reactive Protein Is a Diagnostic Tool for Postoperative Infection in Orthopaedics. Cureus. 2022;14(2):e22270. doi: 10.7759/cureus.22270.
  44. Stanimirovic J., Radovanovic J., Banjac K., Obradovic M., Essack M., Zafirovic S. et al. Role of C-Reactive Protein in Diabetic Inflammation. Mediators Inflamm. 2022;2022:3706508. doi: 10.1155/2022/3706508.
  45. Wang X., Wu L., Zhang Y., Hou Z., Zheng L., Gu Z. Treatment of tibial traumatic osteomyelitis with negative pressure closure drainage combined with open bone grafting or bone migration and its effect on the levels of CRP, TNF-alpha and IL-6 in the serum. Afr Health Sci. 2023;23(3):481-485. doi: 10.4314/ahs.v23i3.55.
  46. Drosos G.I., Kazakos K.I., Kouzoumpasis P., Verettas D.A. Safety and efficacy of commercially available demineralised bone matrix preparations: a critical review of clinical studies. Injury. 2007;38 Suppl 4:S13-21. doi: 10.1016/s0020-1383(08)70005-6.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Eco-Vector

Creative Commons License
This work is licensed under a 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».