Comparative characteristics of polymethylmethacrylate bone cement and polyurethane polymer carriers for local delivery of polymyxin
- Authors: Shipitsyna I.V.1, Stogov M.V.1, Shastov A.L.1, Kireeva E.A.1, Osipova E.V.1
-
Affiliations:
- National Ilizarov Medical Research Centre for Traumatology and Orthopedics
- Issue: Vol 32, No 2 (2026)
- Pages: 117-126
- Section: CLINICAL STUDIES
- Submitted: 12.02.2026
- Accepted: 22.04.2026
- Published: 22.05.2026
- URL: https://journal.rniito.org/jour/article/view/17837
- DOI: https://doi.org/10.17816/2311-2905-17837
- ID: 17837
Cite item
Full Text
Abstract
Background. Bone implant-associated infections, particularly those caused by multidrug-resistant Klebsiella pneumoniae and Pseudomonas aeruginosa, represent a serious clinical problem. Local delivery of antibiotics such as polymyxin is a promising strategy for overcoming resistance and combating biofilms.
The aim of the study — to investigate the elution rate of polymyxin from two different polymer matrices (polymethyl- methacrylate and a polyurethane carrier) and their antibacterial activity against P. aeruginosa and K. pneumoniae strains.
Methods. The elution rate and antibacterial activity of polymyxin incorporated into two polymeric materials were studied: one based on polymethylmethacrylate (PMMA) and one based on polyurethane polymers (PU). Polymyxin was added to the starting materials in two ratios — polymer : antibiotic 10 g : 0.25 g; polymer : antibiotic 10 g : 0.5 g.
Results. The volume of polymyxin released when the materials were saturated with a polymer : polymyxin ratio of 10 g : 0.25 g was higher for the PU-based material (38.8%). When the materials were saturated with polymyxin at a polymer : polymyxin ratio of 10 g : 0.5 g, the best yield was achieved for the PMMA-based material (75.6%). Both materials provided statistically significant antibacterial activity. PMMA demonstrated a more potent initial effect, while PU had a prolonged effect. In all cases, a dose-dependent antibacterial effect was observed. Differences in release kinetics are related to the polymer structure: dense PMMA ensures rapid surface release, while porous polyurethane provides more prolonged diffusion. This determines potential clinical scenarios for their use — for rapid sanitation or long-term prophylaxis, respectively.
Conclusion. Polymethylmethacrylate and polyurethane materials are effective systems for the local delivery of polymyxin, providing different release profiles, which allows selecting the material based on clinical needs.
Full Text
ВВЕДЕНИЕ
Развитие инфекций, связанных с имплантацией костных материалов, представляет собой серьезную проблему современной травматологии и ортопедии. Наиболее сложными в лечении и прогностически неблагоприятными являются случаи, вызванные устойчивыми к антибиотикам штаммами, среди которых ведущее место занимают Klebsiella pneumoniae и Pseudomonas aeruginosa [1, 2]. Штаммы P. aeruginosa обладают комплексом механизмов резистентности, включая низкую проницаемость наружной мембраны, активные эффлюкс-насосы и способность быстро приобретать устойчивость посредством мутаций или горизонтального переноса генов [3, 4]. K. pneumoniae является лидером по распространению плазмид, несущих гены β-лактамаз расширенного спектра и карбапенемаз (группы KPC, NDM и др.), что делает их нечувствительными к большинству современных антибиотиков [5, 6]. Представители обоих видов патогенов способны формировать биопленки на поверхности имплантатов, что резко снижает эффективность системной антибактериальной терапии [7, 8]. В условиях роста количества штаммов, устойчивых к антибактериальным препаратам, все большую актуальность приобретает стратегия локальной доставки противомикробных агентов непосредственно в зону хирургического вмешательства [9, 10]. Одним из перспективных подходов является применение костных цементов, импрегнированных антибиотиками [11]. Среди кандидатов для включения в такие материалы особый интерес представляют полимиксины — циклические поликатионные пептидные антибиотики, проявляющие высокую активность в отношении грамотрицательных возбудителей, включая P. aeruginosa и большинство штаммов K. pneumoniae.
Полимиксин В и колистин (полимиксин Е) остаются препаратами «последнего резерва» для лечения инфекций, вызванных мультирезистентными к антибиотикам возбудителями [12]. Механизм их действия основан на связывании с липополисахаридами внешней мембраны, разрушении ее целостности и последующем повреждении цитоплазматической мембраны, что приводит к лизису бактериальной клетки [13, 14]. Мы предполагаем, что инкорпорирование полимиксинов в матрицу костных цементов позволит создать высокую локальную концентрацию антибиотика в течение продолжительного времени, что отмечено ранее для других антибактериальных препаратов [15]. Такой подход эффективен против биопленок и минимизирует риски системной токсичности, характерной для этой группы препаратов [16]. Таким образом, локальная доставка высоких доз антимикробных агентов непосредственно в костный дефект является логичной и необходимой стратегией для преодоления бактериальной защиты [17]. Разработка таких подходов, направленных против ключевых патогенов — K. pneumoniae и P. aeruginosa, представляется не просто перспективным, но и критически важным направлением для современной реконструктивной хирургии.
Цель исследования — изучить скорость элюции полимиксина из двух различных полимерных матриц (полиметилметакрилата и полиуретанового носителя) и их антибактериальную активность в отношении штаммов P. aeruginosa и K. pneumoniae.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
Исследовались два типа костного цемента: 1) костный цемент на основе полиметилметакрилата (ПММА) (РУ № ФСЗ 2012/11622 от 19.03.2012, бессрочно); 2) полимерный носитель на основе полиуретановых полимеров (ПУ) (РЗН 2014/1646 от 03.07.2014, бессрочно).
Для определения скорости элюции полимиксина из тестируемых материалов согласно инструкции к их применению формировали цилиндры высотой 7 мм и диаметром 4 мм. Полимиксин В (ПАО «Красфарма», Россия) вносили в исходные материалы в двух пропорциях: группа 1 — полимер : антибиотик 10 г : 0,25 г (2,44 масс.%); группа 2 — полимер : антибиотик 10 г : 0,5 г (4,76 масс.%). Для контроля использовали образцы, не нагруженные антибиотиками.
Цилиндры инкубировали в 10 мл физиологического раствора (NaCl 0,9%) в термостате при 37 °С. Инкубационный раствор (элюат) в течение первых 3 сут. меняли ежедневно, затем — на 7-е сут. и в последующем — раз в неделю. В каждой группе инкубировали по 6 образцов. Параллельно инкубировали образцы без антибиотика (контроль).
В каждой пробе инкубационного раствора спектрофотометрически, относительно стандартной калибровочной кривой, по интенсивности поглощения определяли концентрацию полимиксина В — при 238 нм относительно физиологического раствора. Концентрацию антибиотика в элюате выражали в мг полимиксина на г материала, массу антибиотика в свою очередь рассчитывали из калибровочной кривой. При расчетах концентрации опытных проб вычитали значения экстинкции в пробах контрольного материала (без антибиотиков). Инкубацию прекращали, когда в пробах в течение 2 нед. отмечали следовые количества антибиотиков. Исследования выполнены с учетом рекомендаций, обозначенных в ГОСТ ISO 10993-13-2016 «Изделия медицинские. Оценка биологического действия медицинских изделий. Часть 13. Идентификация и количественное определение продуктов деструкции полимерных медицинских изделий».
Для оценки антимикробной активности изготавливали образцы материалов в форме дисков (диаметром 5 мм и толщиной 2 мм), импрегнированных полимиксином в аналогичных соотношениях. Для контроля использовали диски, не нагруженные антибиотиками. Диски стерилизовали в среде этиленоксида: экспозиция газа 3 ч., температура 37 °C.
Антибактериальную активность дисков оценивали в течение 96 ч. в отношении коллекционных (музейных) штаммов Pseudomonas aeruginosa АТСС 27853 и Klebsiella pneumoniae АТСС 700603. Используемые нами штаммы с высокой степенью чувствительности (МПК в пределах 0,5–2,0 мг/л) являются адекватной моделью для оценки высвобождения активного антибиотика из полимерных матриц. Чувствительность данных штаммов к полимиксину подтверждена в соответствии с рекомендациями Европейского комитета по определению чувствительности к антимикробным препаратам1.
Исследуемые штаммы были чувствительны к действию полимиксина.
Суточные бактериальные культуры доводили физиологическим раствором до оптической плотности, соответствующей стандарту МакФарлан-да 0,5. Диски размещали на поверхность агара Мюллера − Хинтона в чашках Петри, засеянных исследуемой микробной взвесью. Инкубацию проводили при 35±1 °C в течение 18–20 ч.
Для оценки степени сохранения антибактериальной активности в динамике каждые 24 ч. диски переносили на свежезасеянный газон агара Мюллера – Хинтона; процедуру повторяли ежедневно в течение 96 ч. В каждой временной точке регистрировали наличие и диаметр зоны подавления роста микроорганизмов вокруг диска. Отсутствие зоны расценивалось как отсутствие антибактериального эффекта.
Статистический анализ
Статистическую обработку данных выполняли с использованием программы Gnumeric 1.12.17 (GNOME Foundation, США). В связи с малым размером выборок (n = 6 в каждой группе) оценка нормальности распределения количественных переменных не производилась, для описательной и аналитической статистики применяли непараметрические методы. Результаты представлены в виде медианы (Ме) и 1-го и 3-го квартиля [Q1; Q3]. Сравнение показателей между двумя независимыми группами (ПММА и ПУ) выполняли с использованием критерия Манна − Уитни. Сравнение показателей в динамике (для анализа антибактериальной активности в разные временные точки) проводили с помощью критерия Фридмана для множества связанных выборок с последующим апостериорным анализом (пост-хок) с поправкой Бонферрони для множественных сравнений. Статистически значимыми считали различия при p < 0,05.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Обнаружено, что элюция полимиксина из цемента на основе ПММА в группе 2 (содержание полимиксина 4,76 масс.%) в течение 1-х сут. была значимо выше, чем из материала на основе ПУ (рис. 1). В последующие сроки уровень элюируемого антибиотика был существенно ниже, хотя и обнаруживался в неследовых количествах. Элюция полимиксина, содержащегося в исследуемых материалах в меньшем количестве (2,44 масс.%, группа 1), была выше из материала на основе ПУ, причем элюция из этого материала нарастала в первые 3 сут. инкубации, достигая к указанному сроку статистически значимо большего значения (р = 0,043) по сравнению с материалом на основе ПММА.
Рисунок 1. Динамика высвобождения полимиксина В из тестируемых материалов (Ме, интерквартильный размах). * — статистическая значимость различий относительно ПММА при р < 0,05.
Figure 1. Dynamics of polymyxin B release from the tested materials (Me, interquartile range. * — statistical significance of differences relative to PMMA at p < 0.05.
Общие параметры элюции полимиксина из двух материалов в разных концентрациях представлены в таблице 1.
Таблица 1. Общие результаты кинетики высвобождения полимиксина в разных концентрациях из материалов на основе ПММА и ПУ, Ме
Материал | Группа | VO, % | Срок наблюдения, сут. | p* | |
Мах (Vmax ,%) | L | ||||
ПУ | 1 (2,44 масс.%) | 38,8* | 3 (33,0) | 21 | 0,002 |
ПММА | 1 (2,44 масс.%) | 13,4 | 1 (71,9) | 14 | |
ПУ | 2 (4,76 масс.%) | 30,9* | 1 (55,3) | 28 | 0,004 |
ПММА | 2 (4,76 масс.%) | 75,6 | 1 (71,1) | 21 | |
Примечание: * — p-значение, рассчитанное при сравнении показателей ПУ и ПММА в соответствующей группе с помощью критерия Манна – Уитни; VO — суммарный объем высвободившегося антибиотика в % относительно всего импрегнированного антибиотика; Мах (Vmax) — срок наблюдения (в сутках), когда отмечался максимальный объем высвободившегося антибиотика, и в скобках — процент высвободившегося антибиотика в этот срок относительно всего элюированного антибиотика; L — длительность высвобождения антибиотика — обнаружение в элюате в неследовых количествах.
Суммарный объем высвободившегося полимиксина из изученных материалов напрямую зависел от объема внесенного антибиотика. Так, при насыщении материалов полимиксином в соотношении полимер : полимиксин 10 г : 0,25 г (группа 1) лучший выход был из материала на основе ПУ — отмечен более высокий объем элюированного антибиотика (38,8%), антибиотик обнаруживался в элюате в неследовых количествах (0,8 мг полимиксина / г материала) более длительное время (21 сут.). При этом максимум высвобождения отмечался на 3-и сут. после начала инкубации. В свою очередь, обратная картина отмечалась в случае насыщения материалов полимиксином в соотношении полимер : полимиксин 10 г : 0,5 г (группа 2), когда лучший выход был у материала на основе ПММА — объем элюированного антибиотика составил 75,6%.
Оценка антибактериальной активности показала, что вокруг контрольных дисков костного цемента (без антибиотика) не обнаруживали зон задержки роста P. aeruginosa и K. pneumoniae. Полиуретановый носитель с полимиксином и полимиксин в составе ПММА проявляли антибактериальную активность против бактерий P. aeruginosa и K. pneumoniae, что выражалось в наличии характерной зоны задержки роста вокруг диска (рис. 2).
Рисунок 2. Антибактериальная активность полимиксина, высвободившегося из костнозамещающих матриц на основе ПММА и ПУ, в отношении P. aeruginosa и K. pneumoniae. Представлены фотографии чашек Петри, демонстрирующие наличие зон задержки роста микроорганизмов вокруг исследуемых образцов
Figure 2. Antibacterial activity of polymyxin released from PMMA- and PU-based bone substitute matrices against P. aeruginosa and K. pneumoniae. Shown are photographs of Petri dishes demonstrating growth inhibition zones around the tested samples
При сравнении показателей антибактериальной активности в динамике с помощью критерия Фридмана выявлены статистически значимые различия в зависимости от времени инкубации для всех исследуемых комбинаций материала, концентрации и микроорганизма (p < 0,001). Результаты апостериорного анализа (с поправкой Бонферрони) представлены в таб-лицах 2 и 3.
В обеих группах для материала на основе ПУ отмечалась высокая антибактериальная активность с максимумом через 24 ч. (см. табл. 2). В последующем происходило снижение антибактериальной активности в отношении P. aeruginosa. При этом данные на 72 и 96 ч. статистически значимо не различались. Значимого снижения активности в отношении штаммов K. pneumoniae в первые 2 сут. не было. Статистически значимое уменьшение зоны задержки роста в обеих группах было зафиксировано только на 3-и сут. К 96 ч. в группе 1 активность продолжала снижаться, а в группе 2, напротив, отмечалось ее статистически значимое повышение.
Таблица 2. Антибактериальная активность полимиксина из полиуретанового носителя в отношении штаммов P. aeruginosa и K. pneumoniae (диаметр зоны задержки роста, мм), Ме [Q1; Q3]
Микроорганизм | Группа | 24 ч. | 48 ч. | 72 ч. | 96 ч. | p |
P. aeruginosa | 1 | 14,5 | 12,0* | 10,0* | 9,0* | < 0,001 |
2 | 16,5 | 14,5* | 11,0* | 11,0* | < 0,001 | |
K. pneumoniae | 1 | 13,0 | 14,0 | 11,0* | 10,5* | 0,002 |
2 | 14,5 | 14,0 | 11,0* | 13,0** | 0,001 |
Примечание: p-значение рассчитано с помощью критерия Фридмана для сравнения показателей в различные временные точки; * — различия статистически значимы по сравнению с 24 ч. (апостериорный анализ с поправкой Бонферрони; p < 0,05); ** — различия статистически значимы по сравнению с 72 ч. (апостериорный анализ с поправкой Бонферрони; p < 0,05).
В группах 1 и 2 для материала на основе ПММА наибольшая антибактериальная активность отмечена через 24 ч. (см. табл. 3). Значимое снижение активности полимиксина из ПММА в отношении штаммов P. aeruginosa отмечали через 72 и 96 ч. В отношении штаммов K. pneumoniae статистически значимое снижение антибактериальной активности наблюдали через 96 ч. эксперимента в обеих группах.
Таблица 3. Антибактериальная активность полимиксина из ПММА в отношении штаммов P. aeruginosa и K. pneumoniae в динамике (диаметр зоны задержки роста, мм), Ме [Q1; Q3]
Микроорганизм | Группа | 24 ч. | 48 ч. | 72 ч. | 96 ч. | p |
P. aeruginosa | 1 | 14,0 | 13,0 | 11,0* | 8,0* | < 0,001 |
2 | 19,0 | 17,5 | 12,5* | 12,5* | < 0,001 | |
K. pneumoniae | 1 | 13,5 | 14,5 | 14,0 | 10,5* | < 0,001 |
2 | 19,0 | 17,0 | 14,0 | 11,0* | < 0,001 |
Примечание: p-значение рассчитано с помощью критерия Фридмана для сравнения показателей в различные временные точки; * — различия статистически значимы по сравнению с 24 ч. (апостериорный анализ с поправкой Бонферрони; p < 0,05).
ОБСУЖДЕНИЕ
Полученные результаты демонстрируют принципиальную возможность и эффективность импрегнации костных цементов на основе различных полимерных матриц полимиксином. Актуальность разработки таких подходов невозможно переоценить в условиях глобального роста бактериальной резистентности, при котором грамотрицательные патогены, включая P. aeruginosa и K. pneumoniae, вносят значительный вклад в заболеваемость и смертность [18].
Выявленная разница в скорости элюции и динамике антибактериального действия, по всей видимости, напрямую связана с физико-химическими свойствами использованных полимерных матриц [15]. ПММА как более гидрофобный и плотный материал обеспечивал дозозависимый выброс антибиотика в основном с поверхности и из приповерхностных слоев образцов, что объясняет мощный начальный эффект в 1-е сут. и последующее его достаточно быстрое снижение [9]. Важно отметить, что стабильность полимиксина B в матрице костного цемента является ключевым фактором его эффективности, и современные данные подтверждают его активность в такой среде в течение определенного периода [12]. Напротив, материал на основе полиуретанового ряда, обладая, предположительно, более пористой, гидрофильной и эластичной структурой, обеспечивал более контролируемую и длительную диффузию антибиотика из объема материала. Данное предположение основано на известных физико-химических свойствах полиуретанов, используемых в медицинских изделиях, которые характеризуются высокой гидрофильностью и способностью к набуханию, что способствует более равномерному высвобождению включенных веществ [19]. Эта характеристика оказалась особенно применима в случае нагружения материала меньшими объемами полимиксина (обнаружены лучшие характеристики элюции из этого материала в группе 1).
Подобные полимеры активно исследуются как перспективные платформы для контролируемого высвобождения препаратов в регенеративной медицине [20, 21]. Особенно показателен в этом отношении результат для K. pneumoniae (группа 2, см. табл. 2), где к 96 ч. не наблюдалось снижения, а даже отмечен рост зоны подавления. Это может указывать на продолжающееся высвобождение полимиксина из глубины матрицы, что формирует пролонгированный антибактериальный профиль.
Дозозависимая реакция, наблюдаемая для обоих материалов и исследуемых микроорганизмов, является ожидаемой и подтверждает корректность модели. Более высокая нагрузка антибиотика (0,5 г на 10 г полимера) не только увеличивает начальную эффективность, но и продлевает срок поддержания бактерицидной концентрации в окружающих тканях. Это согласуется с данными о том, что высокие концентрации полимиксина критически важны для преодоления бактериальной толерантности (феномена, при котором бактерии, не обладая генетически детерминированной резистентностью, выживают при воздействии антибиотиков благодаря временным фенотипическим адаптациям, в частности в составе биопленок) [22]. Полученные нами данные позволяют целенаправленно подбирать дозу для каждой матрицы под конкретные клинические задачи.
«Классическая» системная антибиотикотерапия против биопленочных форм инфекции малоэффективна, поскольку клетки в биопленке демонстрируют повышенную толерантность к антимикробным агентам благодаря метаболической неоднородности и защитным свойствам внеклеточного матрикса [23]. Ключевым преимуществом локальной доставки является создание концентраций антибиотика, в десятки и сотни раз превышающих МПК для планктонных клеток, что является необходимым условием для воздействия на биопленочные формы бактерий [8, 14, 24]. Показанная в работе способность материалов создавать и поддерживать зону подавления роста в течение 96 ч. in vitro является обнадеживающим предиктором для потенциальной активности против биопленок, что, безусловно, требует отдельного подтверждения в специализированных экспериментах. Использование полимиксина, антибиотика «последнего резерва», для локальной терапии позволяет избежать или отсрочить развитие резистентности на системном уровне, поскольку высокие концентрации создаются только в ограниченной области, а общее воздействие на микробиом пациента минимально [12, 25].
Материалы на основе ПММА, характеризующиеся мощным стартовым выбросом антибиотика, могут быть предпочтительны в ситуациях с высоким интраоперационным риском контаминации или для обработки уже инфицированных полостей. Это актуально, например, при выполнении первого этапа двухэтапного лечения хронического остеомиелита, а также при первичных и ревизионных операциях артропластики. Однако установка костного цемента на основе ПММА обычно подразумевает его последующее удаление с выполнением реконструктивно-пластических вмешательств [17, 26, 27].
Полиуретановый материал с его пролонгированным высвобождением представляет собой перспективную альтернативу как для профилактического применения, так и для одно- или двухэтапного лечения остеомиелита. Это связано с его способностью к частичной биорезорбции. Более того, использование материала, обладающего физико-механическими свойствами, схожими с нативной костной тканью, в сочетании с 3D-моделированием делает возможным изготовление индивидуальных (персонализированных) имплантатов. К ним относятся, например, интрамедуллярные артикулирующие спейсеры для лечения перипротезной инфекции.
Таким образом, выбор конкретной полимерной системы должен определяться клиническим сценарием, требуемой кинетикой высвобождения антибиотика, а также необходимостью сочетания антибактериального эффекта с остеоинтегративными или биорезорбируемыми свойствами материала [27, 28, 29, 30]. Дальнейшие исследования должны быть направлены на оценку антибактериальной активности полученных матриц в отношении клинических мультирезистентных штаммов грамотрицательных патогенов, выделенных от пациентов с ортопедической инфекцией, а также на изучение их эффективности в экспериментальных моделях in vivo.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведенное исследование показало эффективность использования полиметилметакрилатного цемента и полиуретанового носителя в качестве систем локальной доставки полимиксина для подавления роста P. aeruginosa и K. pneumoniae. Установлено, что матрицы обеспечивают различные профили высвобождения антибиотика: полиметилметакрилат характеризуется мощным стартовым выбросом, тогда как полиуретановый носитель обеспечивает более пролонгированную элюцию. Полиуретановый носитель является более перспективным для дальнейшего изучения в контексте длительной супрессии инфекции и создания биорезорбируемых имплантатов, в то время как полиметилметакрилат может быть предпочтительнее для ситуаций, требующих быстрой санации очага. Выявленная дозозависимость эффекта позволяет оптимизировать нагрузку антибиотика под конкретные клинические задачи.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ
Заявленный вклад авторов
Шипицына И.В. — концепция и дизайн исследования, сбор, анализ и интерпретация данных, статистическая обработка данных, написание текста рукописи.
Стогов М.В. — концепция и дизайн исследования, анализ и интерпретация данных, редактирование текста рукописи.
Шастов А.Л. — анализ и интерпретация данных, поиск и анализ литературы, редактирование текста рукописи.
Киреева Е.А. — анализ и интерпретация данных, редактирование текста рукописи.
Осипова Е.В. — анализ и интерпретация данных, редактирование текста рукописи.
Все авторы прочли и одобрили финальную версию рукописи статьи. Все авторы согласны нести ответственность за все аспекты работы, чтобы обеспечить надлежащее рассмотрение и решение всех возможных вопросов, связанных с корректностью и надежностью любой части работы.
Источник финансирования. Исследование и подготовка публикации проведены в рамках государственного задания на осуществление научных исследований «Разработка временных биорезорбируемых антибактериальных носителей для замещения постостеомиелитических дефектов костей нижних конечностей» (2024–2026).
Возможный конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.
Этическая экспертиза. Не применима.
Информированное согласие на публикацию. Не требуется.
Генеративный искусственный интеллект. При создании статьи технологии генеративного искусственного интеллекта не использовали.
DISCLAIMERS
Author contribution
Shipitsyna I.V. — study concept and design, data acquisition, analysis and interpretation, statistical data processing, drafting the manuscript.
Stogov M.V. — study concept and design, data analysis and interpretation, editing the manuscript.
Shastov A.L. — data analysis and interpretation, literature search and review, editing the manuscript.
Kireeva E.A. — data analysis and interpretation, editing the manuscript.
Osipova E.V. — data analysis and interpretation, editing the manuscript.
All authors have read and approved the final version of the manuscript of the article. All authors agree to bear responsibility for all aspects of the study to ensure proper consideration and resolution of all possible issues related to the correctness and reliability of any part of the work.
Funding source. The research and preparation of the paper were carried out within the framework of the state assignment for scientific research “Development of temporary bioresorbable antibacterial carriers for the replacement of post-osteomyelitic bone defects of the lower extremities” (2024-2026).
Disclosure competing interests. The authors declare that they have no competing interests.
Ethics approval. Not applicable.
Consent for publication. Not required.
Use of artificial intelligence. No generative artificial intelligence technologies were used in the preparation of this manuscript.
1 EUCAST, версия 16.0 (2026). Режим доступа: www.eucast.org.
About the authors
Irina V. Shipitsyna
National Ilizarov Medical Research Centre for Traumatology and Orthopedics
Author for correspondence.
Email: ivschimik@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-2012-3115
SPIN-code: 3039-5202
Cand. Sci. (Biol.)
Russian Federation, KurganMaksim V. Stogov
National Ilizarov Medical Research Centre for Traumatology and Orthopedics
Email: stogo_off@list.ru
ORCID iD: 0000-0001-8516-8571
SPIN-code: 9345-8300
Dr. Sci. (Biol.), Associate Professor
Russian Federation, KurganAlexander L. Shastov
National Ilizarov Medical Research Centre for Traumatology and Orthopedics
Email: alshastov@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-7434-1404
SPIN-code: 4266-8306
Cand. Sci. (Med.)
Russian Federation, KurganElena A. Kireeva
National Ilizarov Medical Research Centre for Traumatology and Orthopedics
Email: ea_tkachuk@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1006-5217
SPIN-code: 9598-0838
Cand. Sci. (Biol.)
Russian Federation, KurganElena V. Osipova
National Ilizarov Medical Research Centre for Traumatology and Orthopedics
Email: E-V-OsipovA@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-2408-4352
SPIN-code: 1146-2236
Cand. Sci. (Biol.)
Russian Federation, KurganReferences
- Петухова И.Н., Соколовский А.В., Григорьевская З.В., Багирова Н.С., Терещенко И.В., Варлан Г.В. и др. Инфекции, связанные с установкой инородных материалов (протезы, сетки, импланты). Злокачественные опухоли. 2017;(3s1):57-60. doi: 10.18027/2224-5057-2017-3s1-57-60. Petukhova I.N., Sokolovsky A.V., Grigorievskaya Z.V., Bagirowa N.S., Tereshchenko I.V., Varlan G.V. et al. Infections associated with the installation of foreign materials (prostheses, meshes, implants). Malignant tumors. 2017;(3s1):57-60. (In Russian). doi: 10.18027/2224-5057-2017-3s1-57-60.
- Божкова С.А., Касимова А.Р., Тихилов Р.М., Полякова Е.М., Рукина А.Н., Шабанова В.В. и др. Неблагоприятные тенденции в этиологии ортопедической инфекции: результаты 6-летнего мониторинга структуры и резистентности ведущих возбудителей. Травматология и ортопедия России. 2018;24(4): 20-31. doi: 10.21823/2311-2905-2018-24-4-20-31. Bozhkova S.A., Kasimova A.R., Tikhilov R.M., Polyakova E.M., Rukina A.N., Shabanova V.V. et al. Trends in the etiology of orthopedic Infection: Results of 6-year monitoring of the structure and resistance of leading pathogens. Traumatology and Orthopedics of Russia. 2018;24(4):20-31. (In Russian). doi: 10.21823/2311-2905-2018-24-4-20-31.
- Breijyeh Z., Jubeh B., Karaman R. Resistance of gram-negative bacteria to current antibacterial agents and approaches to resolve it. Molecules. 2020;25(6):1340. doi: 10.3390/molecules25061340.
- Pang Z., Raudonis R., Glick B.R., Lin T.J., Cheng Z. Antibiotic resistance in Pseudomonas aeruginosa: mechanisms and alternative therapeutic strategies. Biotechnol Adv. 2019;37(1):177-192. doi: 10.1016/j.biotechadv.2018.11.013.
- Шипицына И.В., Осипова Е.В. Резистентность Klebsiella pneumoniae, изолированных от пациентов с хроническим остеомиелитом, к антибактериальным препаратам. Казанский медицинский журнал. 2022;103(6):962-967. doi: 10.17816/KMJ88660. Shipitsyna I.V., Osipova E.V. Resistance of Klebsiella pneumoniae isolated from patients with chronic osteomyelitis to antibacterial drugs. Kazan medical journal. 2022;103(6):962-967. (In Russian). doi: 10.17816/KMJ88660.
- Шипицына И.В., Осипова Е.В. Частота встречаемости карбапенем-резистентных штаммов бактерий, выделенных из ран пациентов с хроническим остеомиелитом. Клиническая лабораторная диагностика. 2025;70(12):920-925. doi: 10.51620/0869-2084-2025-70-12-920-925. Shipitsyna I.V., Osipova E.V. Frequency of occurrence of carbapenem-resistant bacterial strains isolated from wounds of patients with chronic osteomyelitis. Russian Clinical Laboratory Diagnostics. 2025;70(12):920-925. (In Russian). doi: 10.51620/0869-2084-2025-70-12-920-925.
- Pestrak M.J., Chaney S.B., Eggleston H.C., Dellos-Nolan S., Dixit S., Mathew-Steiner S.S. et al. Pseudomonas aeruginosa rugose small-colony variants evade host clearance, are hyper-inflammatory, and persist in multiple host environments. PLoS Pathog. 2018;14:e1006842. doi: 10.1371/journal.ppat.1006842.
- Осипова Е.В., Шипицына И.В. Информационная характеристика микробных биопленок, формируемых in vitro на поверхности покровного стекла клиническими штаммами Klebsiella pneumoniae. Гений ортопедии. 2018;24(4):478-481. doi: 10.18019/1028-4427-2018-24-4-478-481. Osipova E.V., Shipitsyna I.V. Informational characteristics of microbial biofilms formed by clinical strains of Klebsiella pneumoniae in vitro on the surface of the cover glass. Genij Ortopedii. 2018;24(4):478-481. (In Russian). doi: 10.18019/1028-4427-2018-24-4-478-481.
- 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.
- Skosana P.P., Mudenda S., Demana P.H., Witika B.A. Exploring nanotechnology as a strategy to circumvent antimicrobial resistance in bone and joint infections. ACS Omega. 2023;8(18):15865-15882. doi: 10.1021/acsomega.3c01225.
- Тапальский Д.В., Волотовский П.А., Козлова А.И., Ситник А.А. Антибактериальная активность покрытий на основе импрегнированного антибиотиками костного цемента в отношении микроорганизмов с различными уровнями антибиотикорезистентности. Травматология и ортопедия России. 2018;24(4): 105-110. doi: 10.21823/2311-2905-2018-24-4-105-110. Tapalski D.V., Volotovski P.A., Kozlova A.I., Sitnik A. 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 Russian). doi: 10.21823/2311-2905-2018-24-4-105-110.
- Poirel L., Jayol A., Nordmann P. Polymyxins: аntibacterial activity, susceptibility testing, and resistance mechanisms encoded by plasmids or chromosomes. Clin Microbiol Rev. 2017;30(2):557-596. doi: 10.1128/CMR.00064-16.
- Slingerland C.J., Kotsogianni I., Wesseling C.M.J., Martin N.I. Polymyxin stereochemistry and its role in antibacterial activity and outer membrane disruption. ACS Infect Dis. 2022;8(12):2396-2404. doi: 10.1021/acsinfecdis.2c00307.
- Trimble M.J., Mlynárčik P., Kolář M., Hancock R.E. Polymyxin: Alternative Mechanisms of Action and Resistance. Cold Spring Harb Perspect Med. 2016;6(10):a025288. doi: 10.1101/cshperspect.a025288.
- Стогов М.В., Шастов А.Л., Киреева Е.А., Тушина Н.В. Высвобождение антибиотиков из материалов для замещения постостеомиелитических дефектов кости. Гений ортопедии. 2024;30(6):873-880. doi: 10.18019/1028-4427-2024-30-6-873-880. Stogov M.V., Shastov A.L., Kireeva E.A., Tushina N.V. Release of antibiotics from materials for replacing post-osteomyelitic bone defects. Genij Ortopedii. 2024;30(6):873-880. (In Russian). doi: 10.18019/1028-4427-2024-30-6-873-880.
- Hassan S., Kahn M.D., Saraiya N., Nori P. Treatment of a complex orthopaedic infection due to extensively drug-resistant Pseudomonas aeruginosa. BMJ Case Rep. 2018;2018:bcr2017223202. doi: 10.1136/bcr-2017-223202.
- Cerioli M., Batailler C., Conrad A., Roux S., Perpoint T., Becker A. et al. Pseudomonas aeruginosa Implant-аssociated bone and joint infections: experience in a regional reference center in France. Front Med (Lausanne). 2020;7:513242. doi: 10.3389/fmed.2020.513242.
- Murray C.J.L., Ikuta K.S., Sharara F., Swetschinski L., Aguilar G.R., Gray A. et al. Antimicrobial Resistance Collaborators. Global burden of bacterial antimicrobial resistance in 2019: a systematic analysis. Lancet. 2022; 399(10325):629-655. doi: 10.1016/S0140-6736(21)02724-0.
- Paz E., Sanz-Ruiz P., Abenojar P., Abenojar J., Vaquero J., Forriol F. 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.
- Shalawi F.D., Mohamed Ariff A.H., Jung D.W., Mohd Ariffin M.K.A., Seng Kim C.L., Brabazon D. et al. Biomaterials as implants in the orthopedic field for regenerative medicine: metal versus synthetic polymers. Polymers (Basel). 2023;15(12):2601. doi: 10.3390/polym1512260.
- Kim S.J., Jo J., Kim J., Ko K.S., Lee W. Polymyxin B nonapeptide potentiates the eradication of Gram-negative bacterial persisters. Microbiol Spectr. 2024;12(4):e0368723. doi: 10.1128/spectrum.03687-23.
- Yan J., Bassler B.L. Surviving as a community: antibiotic tolerance and persistence in bacterial biofilms. Cell Host Microbe. 2019;26(1):15-21. doi: 10.1016/j.chom.2019.06.002.
- Karygianni L., Ren Z., Koo H., Thurnheer T. Biofilm matrixome: extracellular components in structured microbial communities. Trends Microbiol. 2020;28(8):668-681. doi: 10.1016/j.tim.2020.03.016.
- El-Sayed Ahmed M.A.E., Zhong L.L., Shen C., Yang Y., Doi Y., Tian G.B. Colistin and its role in the Era of antibiotic resistance: an extended review (2000-2019). Emerg Microbes Infect. 2020;9(1):868-885. doi: 10.1080/22221751.2020.1754133.
- Zheng Y., Wang Y., Sheng F., Wang S., Zhou Y., Li X. et al. Treatment of chronic osteomyelitis with gradient release of DGEA and vancomycin hydrogel-microsphere system and its mechanism. Front Pharmacol. 2024; 15:1499742. doi: 10.3389/fphar.2024.1499742.
- Tseng T.H., Chang C.H., Chen C.L., Chiang H., Hsieh H.Y., Wang J.H. et al. A simple method to improve the antibiotic elution profiles from polymethylmethacry-late bone cement spacers by using rapid absorbable sutures. BMC Musculoskelet Disord. 2022;23(1):916. doi: 10.1186/s12891-022-05870-0.
- Martínez-Moreno J., Merino V., Nácher A., Rodrigo J.L., Climente M., Merino-Sanjuán M. Antibiotic-loaded Bone Cement as Prophylaxis in Total Joint Replacement. Orthop Surg. 2017;9(4):331-341. doi: 10.1111/os.12351.
- Mistry S., Burman S., Roy S., Maitra N.J., Roy R., Chanda A. Biological analysis of an innovative biodegradable antibiotic eluting bioactive glass/gypsum composite bone cement for treating experimental chronic MRSA osteomyelitis. J Pharm Anal. 2022;12(1):164-177. doi: 10.1016/j.jpha.2021.02.005.
- Atıcı T., Şahin N., Çavun S., Özakin C., Kaleli T. Antibiotic release and antibacterial efficacy in cement spacers and cement beads impregnated with different techniques: In vitro study. Eklem Hastalik Cerrahisi. 2018; 29(2):71-78. doi: 10.5606/ehc.2018.59021.
- Hoveidaei A.H., Sabaghian A., Basirat E., Ramezani A., Shu H.T., Conway J.D. Local antibiotic delivery systems and their applications in orthopaedic surgery. JB JS Open Access. 2025;10(4):e25.00157. doi: 10.2106/JBJS.OA.25.00157.
Supplementary files





