Bactericidal activity of experimental samples of titanium alloy implants with a calcium phosphate coating and an antibacterial component against gram-negative pathogens (experimental study)

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

BACKGROUND: Gram-negative bacteria, specifically P. aeruginosa, Acinetobacter spp., Klebsiella spp., and Enterobacter spp., can cause osteomyelitis. Two-stage treatment according to the Masquelet technique is considered effective; however, single-stage surgical treatment options are also being investigated. Submerged implants with bioactive antimicrobial calcium phosphate coating may prevent infectious complications, reduce the incidence of osteomyelitis relapses, and accelerate osteogenesis.

AIM: To assess bactericidal properties of experimental titanium implants with antimicrobial calcium phosphate coating against gram-negative bacteria.

MATERIALS AND METHODS: A single-center, continuous, prospective, open-label experimental in vitro study was performed. The disk diffusion test was used. BT6 titanium disks with calcium phosphate coating, impregnated with amikacin, cefepime, and cefotaxime (2.5/5.0/7.5 µg), were tested. Reference cultures: archival strains of Pseudomonas aeruginosa (АТСС 27853), Acinetobacter baumannii (АТСС 19606), and Klebsiella pneumoniae (АТСС 700603). The results were assessed by the inhibition zone diameter around a disk.

RESULTS: The study found that impregnating a bioactive metal base with amikacin and cefotaxime at a dose of ≥2.5 µg or cefepime at a dose of ≥7.5 µg results in bactericidal activity against Klebsiella pneumoniae. Amikacin at a dose of ≥5 µg and cefepime at a dose of ≥7.5 µg provide bactericidal activity against Pseudomonas aeruginosa. Antibiotic doses used in the study had no bactericidal effect against Acinetobacter baumannii. The bactericidal effect was only investigated in relation to archival gram-negative bacteria strains, which is a limitation of this study. Using clinical strains may yield different results.

CONCLUSION: Commonly used antibiotics may provide bactericidal properties of the surface of submerged implants designed for traumatic and orthopedic surgery, notably against gram-negative bacteria. However, the efficacy of implants depends on the selected antibiotic and its concentration.

About the authors

Arnold V. Popkov

Russian Ilizarov Scientific Center for Restorative Traumatology and Orthopaedics

Email: apopkov.46@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5791-1989
SPIN-code: 7311-9860

MD, Dr. Sci. (Medicine), professor

Russian Federation, 6 M. Ulyanova str., 640014 Kurgan

Alexander L. Shastov

Russian Ilizarov Scientific Center for Restorative Traumatology and Orthopaedics

Email: alshastov@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-7434-1404
SPIN-code: 4266-8306

MD, Cand. Sci. (Medicine)

Russian Federation, 6 M. Ulyanova str., 640014 Kurgan

Irina V. Shipitsyna

Russian Ilizarov Scientific Center for Restorative Traumatology and Orthopaedics

Email: ivschimik@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-2012-3115
SPIN-code: 3039-5202

Cand. Sci. (Biology)

Russian Federation, 6 M. Ulyanova str., 640014 Kurgan

Natalia A. Kononovich

Russian Ilizarov Scientific Center for Restorative Traumatology and Orthopaedics

Author for correspondence.
Email: n.a.kononovich@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5990-8908
SPIN-code: 4698-3378

Cand. Sci. (Veterinary)

Russian Federation, 6 M. Ulyanova str., 640014 Kurgan

Sergei I. Tverdokhlebov

Tomsk Polytechnic University

Email: tverd@tpu.ru
ORCID iD: 0000-0002-2242-6358
SPIN-code: 9005-9207

Cand. Sci. (Physics and Mathematics), Assistant Professor

Russian Federation, Tomsk

Anna I. Kozelskaya

Tomsk Polytechnic University

Email: kozelskayaai@tpu.ru
ORCID iD: 0000-0003-0168-0952
SPIN-code: 7317-8713

Cand. Sci. (Physics and Mathematics)

Russian Federation, Tomsk

Semen I. Goreninskii

Tomsk Polytechnic University

Email: sig1@tpu.ru
ORCID iD: 0000-0003-0475-9973
SPIN-code: 4706-3457

Cand. Sci. (Engineering)

Russian Federation, Tomsk

Kseniya N. Verzunova

Tomsk Polytechnic University

Email: shumskaya_k@mail.ru
ORCID iD: 0009-0008-6038-9288
SPIN-code: 9506-7009
Russian Federation, Tomsk

References

  1. Conterno LO, Turchi MD. Antibiotics for treating chronic osteomyelitis in adults. Cochrane database of systematic reviews. 2013;2013(9):CD004439. doi: 10.1002/14651858.CD004439.pub3
  2. Jiang N, Ma YF, Jiang Y, et al. Clinical Characteristics and Treatment of Extremity Chronic Osteomyelitis in Southern China: A retrospective analysis of 394 consecutive patients. Medicine (Baltimore). 2015;94(42):e1874. doi: 10.1097/MD.0000000000001874
  3. Brady RA, Leid JG, Calhoun JH, Costerton JW, Shirtliff ME. Osteomyelitis and the role of biofilms in chronic infection. FEMS Immunology & Medical Microbiology. 2008;52(1):13–22. doi: 10.1111/j.1574-695X.2007.00357.x
  4. García del Pozo E, Collazos J, Cartón JA, Camporro D, Asensi V. Bacterial osteomyelitis: microbiological, clinical, therapeutic, and evolutive characteristics of 344 episodes. Rev Esp Quimioter. 2018;31(3):217–225.
  5. Kliushin NM, Naumenko ZS, Rozova LV, Leonchuk DS. Microflora of chronic humeral osteomyelitis. Genij ortopedii. 2014;3:57–59. (In Russ.). EDN: SNRZUL
  6. Shipitsyna IV, Osipova EV, Leonchuk DS, Sudnitsyn AS. Monitoring of gram-negative bacteria and antibiotic resistance in osteomyelitis. Genij ortopedii. 2020;26(4):544–547. (In Russ.). doi: 10.18019/1028-4427-2020-26-4-544-547
  7. Fantoni M, Taccari F, Giovannenze F. Systemic antibiotic treatment of chronic osteomyelitis in adults. European Review for Medical & Pharmacological Sciences. 2019;23(2 Suppl):258–270. doi: 10.26355/eurrev_201904_17500
  8. Pliska NN, Tokubayeva DG. Microbiological etiology of osteomyelitis and its empirical therapy. Traumatology and orthopedics. 2020;53(3):31–37. (In Kazakhstan). doi: 10.52889/1684-9280-2020-3-53-31-37
  9. Afanasyev AV, Bozhkova SA, Artyukh VA, et al. The use of synthetic bone substitutes in the one-stage treatment of patients with chronic osteomyelitis. Genij ortopedii. 2021;27(2):232–236. (In Russ.). doi: 10.18019/1028-4427-2021-27-2-232-236
  10. Podkosov OD, Govorov MV, Parshikov MV, Chemyanov GI, Pimanchev OV. Increasing the effectiveness of surgical recovery of large bone in post-traumatic osteomyelitis of the extremities. Medical Bulletin of Main Millitary Clinical Hospital named after N.N. Burdenko. 2023;13(3):77–84. (In Russ.). doi: 10.53652/2782-1730-2023-4-3-77-84.
  11. Tsiskarashvili AV, Melikova RE, Volkov AV, et al. In vivo efficacy of polymer hydrogels impregnated with an antibacterial drug in chronic osteomyelitis. Genij ortopedii. 2023;29(5):535–545. (In Russ.). doi: 10.18019/1028-4427-2023-29-5-535-545
  12. Walter N, Rupp M, Krückel J, Alt V. Individual and commercially available antimicrobial coatings for intramedullary nails for the treatment of infected long bone non-unions: a systematic review. Injury. 2022;53(3):S74–S80. doi: 10.1016/j.injury.2022.05.008
  13. Popkov AV, Popkov DA, Kononovich NA, Gorbach EN, Tverdokhlebov SI. Possibilities of osteogenic activity of intramedullary implants depending on the technology of applying calcium-phosphate coating (experimental study). Uspekhi sovremennogo estestvoznaniya. 2015;5:142–145. (In Russ.). EDN: UCMJIX
  14. Shastov AL, Ermakov AM, Popkov AV, et al. Assessment of the need for bioactive implants with antimicrobial properties in the treatment of patients with orthopedic pathology complicated by infection. Medicinskaya tekhnika. 2024;343(1):39–41. (In Russ.). EDN: HRPCXO
  15. Sukhorukova MV, Edelstein MV, Ivanchik NV, et al. Antimicrobial resistance of nosocomial enterobacterales isolates in russia: results of multicenter epidemiological study “MARATHON 2015–2016”. Clinical Microbiology and Antimicrobial Chemotherapy. 2019;21(2):147–159. (In Russ.). doi: 10.36488/cmac.2019.2.147-159
  16. Chernenkaya TV, Godkov MA. The “Challenging” multidrugresistant pathogens of nosocomial infections in critically ill patients (a literature review). Zhurnal im N.V. Sklifosovskogo Neotlozhnaya meditsinskaya pomoshch. 2015;(3):30–35. (In Russ.).
  17. Wareham DW, Bean DC, Khanna P, et al. Bloodstream infection due to Acinetobacter spp.: epidemiology, risk factors and impact of multidrug resistance. Eur J Clin Microbiol Infect Dis. 2008;27(7):607–612. doi: 10.1007/s10096-008-0473-y
  18. Tapalski DV, Volotovski PA, Kozlova AI, Sitnik AA. Antibacterial activity of antibiotic-impregnated bone cement based coatings against microorganisms with different antibiotic resistance levels. Traumatology and Orthopedics of Russia. 2018;24(4):105–110. (In Russ.). doi: 10.21823/2311-2905-2018-24-4-105-110
  19. Konev VA, Bozhkova SA, Netylko GI, et al. Results of the fosfomycin applicationfor the impregnation of bone replacement materialsin the treatment of chronic osteomyelitis. Traumatology and Orthopedics of Russia. 2016;22(2):43–56. (In Russ.). EDN: WTICWB

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Control group: a — Pseudomonas aeruginosa, b — Acinetobacter baumannii, с — Klebsiella pneumoniae.

Download (253KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. The effect of amikacin, as part of a composite coating, on museum cultures of Pseudomonas aeruginosa: a — concentration 5.0 μg, b — concentration 7.5 µg.

Download (207KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. The effect of amikacin, as part of a composite coating, on museum cultures of Klebsiella pneumoniae: a — concentration 2.5 μg, b — concentration 5.0 µg, с — concentration 7.5 µg.

Download (272KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. The effect of cefepime at a concentration of 7.5 μg, in the composition of a composite coating, on museum cultures: a — Pseudomonas aeruginosa, b —Klebsiella pneumoniae.

Download (215KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. The effect of cefotaxime in the composition of the composite coating on museum cultures of Klebsiella pneumoniae: a — concentration 2.5 μg; b — concentration 5.0 μg; с — concentration 7.5 μg.

Download (260KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 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».