Элюция антибиотиков из костного цемента: проблемы и пути их решения

Элюция антибиотиков из костного цемента: проблемы и пути их решения

Автор: Шафигулин Р. А., Ахтямов И. Ф., Емелин А. Л., Беспалов И. А., Акифьев К. Н.

Журнал: Гений ортопедии @geniy-ortopedii

Рубрика: Обзор литературы

Статья в выпуске: 1 т.31, 2025 года.

Бесплатный доступ

Введение. Несмотря на широкое применение костного цемента в лечении пациентов с ортопедической инфекцией, метод не лишен недостатков, важнейшим из которых является ограниченность элюции антибиотиков при локальном использовании спейсеров.Цель работы - на основе литературных данных определить проблемы элюции антибиотиков из костного цемента и пути их решения.Материалы и методы. Поиск осуществлен в базах eLIBRARY, PubMed по следующим ключевым словам: bone cement, PMMA, polymethylmethacrylate, antibiotic elution, additive manufacturing, porous constructions, lattice structures, костный цемент, элюция антибиотиков, аддитивное производство, решетчатые структуры. Источники включены исходя из гипотезы о возможности применения преформированных имплантатов на основе решетчатой структуры совместно с костным цементом. Глубина поиска - с 1994 по 2024 год.Результаты и обсуждение. В настоящее время обозначены следующие пути улучшения элюции антибиотика из костного цемента: изучение типа цемента, его пористости, формы имплантата (спейсера), вида антибиотиков, а также их количества и комбинаций, что наряду с многообразием публикаций при отсутствии приемлемого решения формирует трудную научную проблему. Однако исследования в данной области не привели к появлению какого-либо законченного решения.Заключение. Сформирована парадигма улучшения элюции антибиотиков из полиметилметакрилата (ПММА), заключающаяся в работе с цементом: с его составом, геометрией и пирогенностью. Предложенные решения улучшения элюции антибиотиков из ПММА зачастую невыполнимы, а иногда и ухудшают эксплуатационные свойства цемента. Иным подходом может стать формирование научных изысканий, направленных на изучение эффективности спейсеров с преформированной основой и нанесением покрытия из костного цемента, без или с минимальным вмешательством в его свойства, заданные изготовителем.

Еще

Костный цемент, полиметилметакрилат, элюция антибиотиков, аддитивное производство, решетчатые структуры

Короткий адрес: https://sciup.org/142243876

IDR: 142243876   |   DOI: 10.18019/1028-4427-2025-31-1-119-128

Список литературы Элюция антибиотиков из костного цемента: проблемы и пути их решения

  • Romano CL, Scarponi S, Gallazzi E, et al. Antibacterial coating of implants in orthopaedics and trauma: a classification proposal in an evolving panorama. J Orthop Surg Res. 2015;10:157. doi: 10.1186/s13018-015-0294-5.
  • Winkler H, Haiden P. Allograft Bone as Antibiotic Carrier. J Bone Jt Infect. 2017;2(1):52-62. doi: 10.7150/jbji.17466.
  • 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.
  • Цискарашвили А.В., Меликова Р.Э., Волков А.В. и др. In vivo эффективность полимерных гидрогелей, импрегнированных антибактериальным препаратом, при хроническом остеомиелите. Гений ортопедии. 2023;29(5):535-545. doi: 10.18019/10284427-2023-29-5-535-545. EDN: MZYINT.
  • Amin TJ, Lamping JW, Hendricks KJ, Mclff TE. Increasing the elution of vancomycin from high-dose antibiotic-loaded bone cement: a novel preparation technique. J Bone Joint Surg Am. 2012;94(21):1946-1951. doi: 10.2106/JBJS.L.00014.
  • Anagnostakos K, Kelm J, Regitz T, et al. In vitro evaluation of antibiotic release from and bacteria growth inhibition by antibiotic-loaded acrylic bone cement spacers. JBiomed Mater Res B Appl Biomater. 2005;72(2):373-378. doi: 10.1002/jbm.b.30171.
  • Ensing GT, Hendriks JG, Jongsma JE, et al. The influence of ultrasound on the release of gentamicin from antibiotic-loaded acrylic beads and bone cements. J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 2005;75(1):1-5. doi: 10.1002/jbm.b.30140.
  • Frutos G, Pastor JY, Martinez N, et al. Influence of lactose addition to gentamicin-loaded acrylic bone cement on the kinetics of release of the antibiotic and the cement properties. Acta Biomater. 2010;6(3):804-811. doi: 10.1016/j.actbio.2009.08.028.
  • von Hertzberg-Boelch SP, Luedemann M, Rudert M, Steinert AF. PMMA Bone Cement: Antibiotic Elution and Mechanical Properties in the Context of Clinical Use. Biomedicines. 2022;10(8):1830. doi: 10.3390/biomedicines10081830.
  • Wall V, Nguyen TH, Nguyen N, Tran PA. Controlling Antibiotic Release from Polymethylmethacrylate Bone Cement. Biomedicines. 2021;9(1):26. doi: 10.3390/biomedicines9010026.
  • Божкова С.А., Новокшонова А.А., Конев В.А. Современные возможности локальной антибиотикотерапии перипротезной инфекции и остеомиелита (обзор литературы). Травматология и ортопедия России. 2015;21(3):92-107. doi: 10.21823/2311-29052015-0-3-92-107.
  • Ensing GT, van Horn JR, van der Mei HC, et al. Copal bone cement is more effective in preventing biofilm formation than Palacos R-G. Clin Orthop Relat Res. 2008;466(6):1492-1498. doi: 10.1007/s11999-008-0203-x.
  • Kendall RW, Duncan CP, Smith JA, Ngui-Yen JH. Persistence of bacteria on antibiotic loaded acrylic depots. A reason for caution. Clin Orthop Relat Res. 1996;(329):273-280. doi: 10.1097/00003086-199608000-00034.
  • Duey RE, Chong AC, McQueen DA, 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.
  • Masri BA, Duncan CP, Beauchamp CP, et al. Effect of varying surface patterns on antibiotic elution from antibiotic-loaded bone cement. J Arthroplasty. 1995;10(4):453-459. doi: 10.1016/s0883-5403(05)80145-7.
  • Miller R, McLaren A, Leon C, McLemore R. Mixing method affects elution and strength of high-dose ALBC: a pilot study. Clin Orthop Relat Res. 2012;470(10):2677-2683. doi: 10.1007/s11999-012-2351-2.
  • McLaren AC, Nugent M, Economopoulos K, et al. Hand-mixed and premixed antibiotic-loaded bone cement have similar homogeneity. Clin Orthop Relat Res. 2009;467(7):1693-1698. doi: 10.1007/s11999-009-0847-1.
  • Lewis G, Janna S, Bhattaram A. Influence of the method of blending an antibiotic powder with an acrylic bone cement powder on physical, mechanical, and thermal properties of the cured cement. Biomaterials. 2005;26(20):4317-4325. doi: 10.1016/j. biomaterials.2004.11.003.
  • Samelis PV, Papagrigorakis E, Sameli E, et al. 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.
  • Kuhn KD. PMMA Cements. Berlin: Springer; 2014:303.
  • Meyer J, Piller G, Spiegel CA, et al. Vacuum-mixing significantly changes antibiotic elution characteristics of commercially available antibiotic-impregnated bone cements. J Bone Joint SurgAm. 2011;93(22):2049-2056. doi: 10.2106/JBJS.J.01777.
  • Wu K, Chen YC, Hsu YM, Chang CH. Enhancing Drug Release From Antibiotic-loaded Bone Cement Using Porogens. J Am Acad Orthop Surg. 2016;24(3):188-195. doi: 10.5435/JAAOS-D-15-00469.
  • Shi M, Kretlow JD, Spicer PP, et al. Antibiotic-releasing porous polymethylmethacrylate/gelatin/antibiotic constructs for craniofacial tissue engineering. J Control Release. 2011;152(1):196-205. doi: 10.1016/j.jconrel.2011.01.029.
  • Chen L, Tang Y, Zhao K, et al. Fabrication of the antibiotic-releasing gelatin/PMMA bone cement. Colloids Surf B Biointerfaces. 2019;183:110448. doi: 10.1016/j.colsurfb.2019.110448.
  • Fini M, Giavaresi G, Aldini NN, et al. A bone substitute composed of polymethylmethacrylate and alpha-tricalcium phosphate: results in terms of osteoblast function and bone tissue formation. Biomaterials. 2002;23(23):4523-4531. doi: 10.1016/s0142-9612(02)00196-5.
  • Bitsch RG, Kretzer JP, Vogt S, et al. Increased antibiotic release and equivalent biomechanics of a spacer cement without hard radio contrast agents. Diagn Microbiol Infect Dis. 2015;83(2):203-209. doi: 10.1016/j.diagmicrobio.2015D6D19.
  • Boelch SP, Rueckl K, Fuchs C, et al. Comparison of Elution Characteristics and Compressive Strength of Biantibiotic-Loaded PMMA Bone Cement for Spacers: Copal® Spacem with Gentamicin and Vancomycin versus Palacos® R+G with Vancomycin. BiomedRes Int. 2018;2018:4323518. doi: 10.1155/2018/4323518.
  • Gentile P, Chiono V, Carmagnola I, Hatton PV. An overview of poly(lactic-co-glycolic) acid (PLGA)-based biomaterials for bone tissue engineering. Int J Mol Sci. 2014;15(3):3640-3659. doi: 10.3390/ijms15033640.
  • Mader JT, Calhoun J, Cobos J. In vitro evaluation of antibiotic diffusion from antibiotic-impregnated biodegradable beads and polymethylmethacrylate beads. Antimicrob Agents Chemother. 1997;41(2):415-418. doi: 10.1128/AAC.41.2.415.
  • Spicer PP, Shah SR, Henslee AM, et al. Evaluation of antibiotic releasing porous polymethylmethacrylate space maintainers in an infected composite tissue defect model. ActaBiomater. 2013;9(11):8832-8839. doi: 10.1016/j.actbio.2013.07.018.
  • Ахтямов И.Ф., Каминский А.В., Полляк Л.Н. и др. Способ изготовления спейсера из костного цемента. Патент РФ на изобретение № 2542510. 20.02.2015. Бюл. № 5. Доступно по: https://www.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet?DB=RUPAT&rn=9871&Do cNumber=2542510&TypeFile=html. Ссылка активна на 16.10.2024.
  • Куропаткин Г.В. и Ахтямов И.Ф. Костный цемент в травматологии и ортопедии. Казань: ТаГраф; 2014:128-131.
  • Hsieh PH, Tai CL, Lee PC, Chang YH. Liquid gentamicin and vancomycin in bone cement: a potentially more cost-effective regimen. J Arthroplasty. 2009;24(1):125-130. doi: 10.1016/j.arth.2008.01.131.
  • Kühn KD, Renz N, Trampuz A. Local antibiotic therapy. Unfallchirurg. 2017;120(7):561-572. (In German) doi: 10.1007/s00113-017-0372-8.
  • Anagnostakos K. Therapeutic Use of Antibiotic-loaded Bone Cement in the Treatment of Hip and Knee Joint Infections. J Bone Jt Infect. 2017;2(1):29-37. doi: 10.7150/jbji.16067.
  • Gálvez-López R, Peña-Monje A, Antelo-Lorenzo R, et al. Elution kinetics, antimicrobial activity, and mechanical properties of 11 different antibiotic loaded acrylic bone cement. Diagn Microbiol Infect Dis. 2014;78(1):70-74. doi: 10.1016/j. diagmicrobio.2013.09.014.
  • Перецманас Е.О., Артюхов А.А., Штильман М.И. и др. Исследование элюционных характеристик противотуберкулезных препаратов, смешанных с костным цементом. Туберкулез и болезни легких. 2021;99(4):30-35. doi: 10.21292/2075-1230-2021-99-4-30-35.
  • Lilikakis A, Sutcliffe MP. The effect of vancomycin addition to the compression strength of antibiotic-loaded bone cements. Int Orthop. 2009;33(3):815-819. doi: 10.1007/s00264-008-0521-3.
  • Lachiewicz PF, Wellman SS, Peterson JR. Antibiotic Cement Spacers for Infected Total Knee Arthroplasties. J Am Acad Orthop Surg. 2020;28(5):180-188. doi: 10.5435/JAA0S-D-19-00332.
  • Zahar A, Hannah P. Addition of antibiotics to bone cement for septic prosthesis exchange. Oper Orthop Traumatol. 2016;28(2):138-144. (In German) doi: 10.1007/s00064-015-0424-6.
  • Parvizi J. Antibiotic spacers in the infected hip: optimising placement. Orthop Procs. 2017;99-B(SUPP_7):126-126. doi: 10.1302/1358 -992X.99BSUPP_7.CCJR2016-126.
  • Laine JC, Nguyen TO, Buckley JM, Kim HT. Effects of mixing techniques on vancomycin-impregnated polymethylmethacrylate. J Arthroplasty. 2011;26(8):1562-1566. doi: 10.1016/j.arth.2011.02.011.
  • Paz E, Sanz-Ruiz P, Abenojar J, et al. 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.
  • Kaplan L, Kurdziel M, Baker KC, Verner J. Characterization of daptomycin-loaded antibiotic cement. Orthopedics. 2012;35(4):e503-e509. doi: 10.3928/01477447-20120327-19.
  • Гордина Е.М., Божкова С.А., Гаждимагомедов М.Ш. Антибактериальная активность комбинаций цефтазидима, ванкомицина с препаратом серебра в составе костного цемента. Проблемы медицинской микологии. 2024;26(2):104.
  • Божкова С.А, Гордина Е.М, Артюх В.А., Юдин В.Е. Комбинированное действие серебра и ванкомицина в составе костного цемента в отношении основных возбудителей перипротезной инфекции. Сибирское медицинское обозрение. 2023;(1):37-45. doi: 10.20333/25000136-2023-1-37-45.
  • Божкова С.А., Гордина Е.М., Марков М.А. 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.
  • Bolshakov P, Raginov I, Egorov V, et al. Design and Optimization Lattice Endoprosthesis for Long Bones: Manufacturing and Clinical Experiment. Materials (Basel). 2020;13(5):1185. doi: 10.3390/ma13051185.
  • 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.
  • Borovkov AI, Maslov LB, Zhmaylo MA, et al. Elastic properties of additively produced metamaterials based on lattice structures. Materials Physics and Mechanics. 2023;51(7):42-62. doi: 10.18149/MPM.5172023_6.
  • Сушенцов Е.А., Мусаев Э.Р., Маслов Л.Б. и др. Компьютерное моделирование, 3D-принтинг и индивидуальное протезирование в лечении больного с остеосаркомой костей таза. Саркомы костей, мягких тканей и опухоли кожи. 2019;11(4):53-61.
  • Акифьев К.Н., Харин Н.В., Стаценко Е.О. и др. 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.
  • Федорова Н.В., Косинов А.М. Определение механических параметров и проницаемости пористых костных импланта-тов 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.
  • Abdudeen A, Oudeiri JEA, Kareem A, Valappil AK. 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.
  • Frazar EM, Shah RA, Dziubla TD, Hilt JZ. Multifunctional temperature-responsive polymers as advanced biomaterials and beyond. J Appl Polym Sci. 2020;137(25):48770. doi: 10.1002/app.48770.
  • Sufiiarov VSh, V Borisov EV, Sokolova VO, 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.
  • Müller P, Gembarski PC, Lachmayer R. Design automation of a patient-specific endoprosthesis with multi- objective optimized lattice structures. In: Lachmayer R, Bode B, Kaierle S. (eds.) Innovative Product Development by Additive Manufacturing 2021. Springer International Publ.; 2022:113-128. doi:10.1007/978-3-031-05918-6_8.
  • Gerasimov O, Kharin N, Statsenko E, et al. Patient-Specific Bone Organ Modeling Using CT Based FEM. In: Lecture Notes in Computational Science and Engineering. Cham: Springer; 2022;141:125-139. doi: 10.1007/978-3-030-87809-2_10.
  • Gerasimov OV, Kharin NV, Fedyanin AO, et al. Bone Stress-Strain state Evaluation using CT based FEM. Front. Mech. Eng. 2021;7:688474. doi: 10.3389/fmech.2021.688474.
  • 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.
  • Харин Н.В., Герасимов О.В., Большаков П.В., и др. Методика определения ортотропных свойств костного органа по данным компьютерной томографии. Российский журнал биомеханики. 2019;23(3):460-468. doi: 10.15593/RZhBiomeh/2019.3.11.
  • Bolshakov P, Kharin N, Agathonov A, et al. Extension of the Voronoi Diagram Algorithm to Orthotropic Space for Material Structural Design. Biomimetics (Basel). 2024;9(3):185. doi: 10.3390/biomimetics9030185.
  • 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.
  • Kharin N, Bolshakov P, Kuchumov AG. Numerical and Experimental Study of a Lattice Structure for Orthopedic Applications. Materials (Basel). 2023;16(2):744. doi: 10.3390/ma16020744.
  • Bolshakov P, Kuchumov AG, Kharin N, et al. Method of computational design for additive manufacturing of hip endoprosthesis based on basic-cell concept. Int J Numer Method Biomed Eng. 2024;40(3):e3802. doi: 10.1002/cnm.3802.
Еще
Статья обзорная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp