Traumatology and Orthopedics of RussiaTraumatology and Orthopedics of RussiaТравматология и ортопедия России2311-29052542-0933Vreden National Medical Research Center of Traumatology and Orthopedics200010.17816/2311-2905-2000Theoretical and experimental studiesТеоретические и экспериментальные исследованияTheoretical and experimental studiesResearch ArticlePerifocal Soft Tissue Reactions in Response to Contaminated Implants With a Composite Antibacterial Coating: Experimental StudyПерифокальные реакции мягких тканей на введение контаминированных имплантатов с композиционным антибактериальным покрытием: экспериментальное исследованиеhttps://orcid.org/0000-0003-4360-7091SavchukOleg P.СавчукОлег Петрович
Belarus
osa78@tut.byhttps://orcid.org/0000-0002-9484-7848TapalskiDmitry V.ТапальскийДмитрий Викторович
Belarus

Dr. Sci. (Med.)

д-р мед. наук

tapalskiy@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-3808-8832ZinovkinDmitry A.ЗиновкинДмитрий Александрович
Belarus

Cand. Sci. (Biol.)

канд. биол. наук

zinovkin2012@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-9886-7216NikolaevVladimir I.НиколаевВладимир Ивановия
Belarus

Cand. Sci. (Med.)

канд. мед. наук

nikolaev.52.52@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1283-8762YarmolenkoMaksim A.ЯрмоленкоМаксим Анатольевич
Belarus

Dr. Sci. (Tech.)

д-р техн. наук

simmak79@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4993-0519RogachevAleksandr A.РогачевАлександр Александрович
Belarus

Dr. Sci. (Tech.)

д-р техн. наук, член-корр. НАН Беларуси

rogachev78@mail.ruGomel State Medical UniversityУО «Гомельский государственный медицинский университет»Francisk Skorina Gomel State UniversityУО «Гомельский государственный университет им. Франциска Скорины»Institute of Chemistry of New Materials of the National Academy of Sciences of BelarusИнститут химии новых материалов Национальной академии наук Беларуси150220231104202329136450310202201022023Copyright ©; 2023, Eco-VectorCopyright ©; 2023, Эко-ВекторCopyright ©; 2023, Savchuk O., Tapalski D., Zinovkin D., Nikolaev V., Yarmolenko M., Rogachev A.2023Eco-VectorЭко-ВекторSavchuk O., Tapalski D., Zinovkin D., Nikolaev V., Yarmolenko M., Rogachev A.https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0https://journal.rniito.org/jour/article/view/2000

Background. Protection against microbial colonization of surface fixators for metal osteosynthesis can reduce the number of infectious complications.

The aim of the study was to experimentally assess early perifocal tissue reactions to metal implants with a composite antibacterial coating under microbial load.

Methods. Fragments of steel pins for osteosynthesis (diameter 1 mm) with a four-component antibacterial coating based on polylactide, polyurethane, ciprofloxacin and silver nanoparticles were contaminated by methicillin-resistant S. aureus (MRSA) 43431. They were implanted in rats within the quadriceps femoris. Contaminated uncoated pins were used as a control. The animals were withdrawn from the experiment on the 2nd, 4th, 7th day after implantation. Histopathological specimens from tissue around implants were prepared. A semiquantitative assessment of reactions was performed.

Results. The microbial load before implantation was (1.12±0.26)×106 S. aureus cells for the control implants and (0.86±0.31)×106 cells for implants with antibacterial coating. Tissue inflammatory reactions on the second day of implantation were equally evident in the control and investigated groups. There was a significant reduction in the number of immune cells and necrotic detritus, as well as increased growth of connective tissue and neoangiogenesis in the experimental group by the 4th day. The appearance of a less pronounced well-vascularized fibrous capsule around the experimental implants was noted by the 7th day. It indicates a more favorable healing of soft tissues in comparison with the control.

Conclusion. Weak morphological manifestations of tissue reactions in response to the fitting of contaminated implants with an antibacterial coating can be associated with both the direct antimicrobial effect of the coating components and the anti-inflammatory activity of silver nanoparticles and ciprofloxacin included in its composition.

Актуальность. Защита от микробной колонизации поверхности фиксаторов для металлоостеосинтеза способна сократить количество инфекционных осложнений.

Цель исследования — экспериментально оценить ранние перифокальные тканевые реакции на металлические имплантаты с композиционным антибактериальным покрытием в условиях микробной нагрузки.

Материал и методы. Фрагменты стальных спиц для остеосинтеза диаметром 1 мм с нанесенным четырехкомпонентным антибактериальным покрытием на основе полилактида, полиуретана, ципрофлоксацина и наночастиц серебра контаминировали культурой метициллинорезистентного S. aureus (MRSA) 43431 и имплантировали крысам в толщу четырехглавой мышцы бедра. В качестве контрольных имплантировали контаминированные спицы без покрытия. На 2-е, 4-е и 7-е сут. после имплантации животных выводили из эксперимента. Готовили патогистологические препараты тканей вокруг имплантатов. Выполняли полуколичественную оценку тканевых реакций.

Результаты. Микробная нагрузка перед имплантацией составляла (1,12±0,26)×106 клеток S. aureus для контрольных имплантатов и (0,86±0,31)×106 клеток для имплантатов с антибактериальным покрытием. Тканевые реакции воспалительного характера на 2-е сут. имплантации были одинаково выражены в контрольной и экспериментальной группах. К 4-м сут. отмечено значимое снижение количества иммунных клеток и некротического детрита, а также усиление разрастания соединительной ткани и неоангиогенеза в экспериментальной группе. К 7-м сут. отмечено появление менее выраженной, хорошо васкуляризованной фиброзной капсулы вокруг экспериментальных имплантатов, что указывает на более благоприятное заживление мягких тканей в сравнении с контролем.

Заключение. Слабовыраженные морфологические проявления тканевых реакций в ответ на внедрение контаминированных имплантатов с антибактериальным покрытием могут быть связаны как с прямым противомикробным действием компонентов покрытия, так и с противовоспалительной активностью входящих в его состав наночастиц серебра и ципрофлоксацина.

implantsantibacterial coatingciprofloxacinsilver nanoparticlesStaphylococcus aureuscontaminationtissue reactionsимплантатыантибактериальное покрытиеципрофлоксациннаночастицы серебраStaphylococcus aureusконтаминациятканевые реакцииПравительство РФGovernment of the Russian FederationRomanò C.L., Bozhkova S.A., Artyukh V., Romanò D., Tsuchiya H., Drago L. Local antibacterial implant protection in orthopedics and trauma: what’s new? Travmatologiya i ortopediya Rossii [Traumatology and Orthopedics of Russia]. 2019;25(4):64-74. doi: 10.21823/2311-2905-2019-25-4-64-74.Harris L.G., Richards R.G. Staphylococci and implant surfaces: a review. Injury. 2006;37 Suppl 2:S3-14. doi: 10.1016/j.injury.2006.04.003.Tande A.J., Patel R. Prosthetic joint infection. Clin Microbiol Rev. 2014;27(2):302-45. doi: 10.1128/CMR.00111-13.Bohara S., Suthakorn J. Surface coating of orthopedic implant to enhance the osseointegration and reduction of bacterial colonization: a review. Biomater Res. 2022;26(1):26. doi: 10.1186/s40824-022-00269-3.Zilberman M., Elsner J.J. Antibiotic-eluting medical devices for various applications. J Control Release. 2008;130(3):202-215. doi: 10.1016/j.jconrel.2008.05.020.Tobin E.J. Recent coating developments for combination devices in orthopedic and dental applications: A literature review. Adv Drug Deliv Rev. 2017;112:88-100. doi: 10.1016/j.addr.2017.01.007.Nie B., Huo S., Qu X., Guo J., Liu X., Hong Q. et al. Bone infection site targeting nanoparticle-antibiotics delivery vehicle to enhance treatment efficacy of orthopedic implant related infection. Bioact Mater. 2022;16:134-148. doi: 10.1016/j.bioactmat.2022.02.003.Chouirfa H., Bouloussa H., Migonney V., Falentin-Daudré C. Review of titanium surface modification techniques and coatings for antibacterial applications. Acta Biomater. 2019;83:37-54. doi: 10.1016/j.actbio.2018.10.036.Hasan J., Crawford R.J., Ivanova E.P. Antibacterial surfaces: the quest for a new generation of biomaterials. Trends Biotechnol. 2013;31(5):295-304. doi: 10.1016/j.tibtech.2013.01.017.Tapalski D.V., Boytsova N. Yu., Osipov V.A., Rogachev A.A., Yarmolenko M.A., Rogachev A.V. et al. [New antibacterial coating based on the mixture of polyurethane and poly-l-lactide]. Doklady Nacionalʹnoj akademii nauk Belarusi [Doclady of the National Academy of Sciences of Belarus]. 2013;57(4):89-95. (In Russian).Тапальский Д.В., Бойцова Н.Ю., Осипов В.А. Рогачев А.А., Ярмоленко М.А., Рогачев А.В. и др. Новое антибактериальное покрытие на основе смеси полиуретана с поли-L-лактидом. Доклады Национальной академии наук Беларуси. 2013;57(4):89-95.Rogachev A.A., Yarmolenko M.A., Rogachou A.V., Tapalski D.V., Liu X., Gorbachev D.L. Morphology and structure of antibacterial nanocomposite organic–polymer and metal-polymer coatings deposited from active gas phase. RSC Adv. 2013;3(28):11226-11233. doi: 10.1039/C3RA23284K.Qi C., Rogachev A.V., Tapalski D.V., Yarmolenko M.A., Rogachev A.A., Jiang X. et al. Nanocomposite coatings for implants protection from microbial colonization: Formation features, structure, and properties. Surf Coatings Technol. 2017;315:350-358. doi: 10.1016/j.surfcoat.2017.02.066.Tapalski D.V., Osipov V.A., Sukhaya G.N., Yarmolenko M.A., Rogachiov A.A., Rogachiov A.V. [Biocompatible composite antibacterial coatings for protection of implants against microbial biofilms]. Problemy zdorov’ya i ekologii [Health and Ecology Issues]. 2013;(2):129-134. (In Russian). doi: 10.51523/2708-6011.2013-10-2-24.Тапальский Д.В., Осипов В.А., Сухая Г.Н., Ярмоленко М.А., Рогачев А.А., Рогачев А.В. Биосовместимые композиционные антибактериальные покрытия для защиты имплантатов от микробных биопленок. Проблемы здоровья и экологии. 2013; (2):129-134. doi: 10.51523/2708-6011.2013-10-2-24.Maki D.G., Weise C.E., Sarafin H.W. A semiquantitative culture method for identifying intravenous-catheter-related infection. N Engl J Med. 1977;296(23):1305-1309. doi: 10.1056/NEJM197706092962301.Velnar T., Bailey T., Smrkolj V. The wound healing process: an overview of the cellular and molecular mechanisms. J Int Med Res. 2009;37(5):1528-1542. doi: 10.1177/147323000903700531.Takeo M., Lee W., Ito M. Wound healing and skin regeneration. Cold Spring Harb Perspect Med. 2015;5(1):a023267. doi: 10.1101/cshperspect.a023267.Sharma S., Bano S., Ghosh A.S., Mandal M., Kim H.W., Dey T. et al. Silk fibroin nanoparticles support in vitro sustained antibiotic release and osteogenesis on titanium surface. Nanomedicine. 2016;12(5):1193-1204. doi: 10.1016/j.nano.2015.12.385.Wilkinson H.N., Hardman M.J. Wound healing: cellular mechanisms and pathological outcomes. Open Biol. 2020;10(9):e200223. doi: 10.1098/rsob.200223.Sachse F., von Eiff C., Becker K., Rudack C. Anti-inflammatory effects of ciprofloxacin in S. aureus Newman induced nasal inflammation in vitro. J Inflamm. 2008;5(1):e11. doi: 10.1186/1476-9255-5-11.Pastar I., Wong L.L., Egger A.N., Tomic-Canic M. Descriptive vs mechanistic scientific approach to study wound healing and its inhibition: Is there a value of translational research involving human subjects? Exp Dermatol. 2018;27(5):551-562. doi: 10.1111/exd.13663.Gordina E.M., Bozhkova S.A., Erusin A.A. [Highly effective silver oxides: influence of oxygen concentration on antibacterial activity against clinical strains of Staphylococcus aureus]. Sibirskoe meditsinskoe obozrenie [Siberian Medical Review]. 2021;(131):54-60. (In Russian). doi: 10.20333/25000136-2021-5-54-60.Гордина Е.М., Божкова С.А., Ерузин А.А. Высокоэффективные оксиды серебра: влияние концентрации кислорода на антибактериальную активность в отношении клинических штаммов Staphylococcus aureus. Сибирское медицинское обозрение. 2021;(5): 54-60. doi: 10.20333/25000136-2021-5-54-60.Necula B.S., Fratila-Apachitei L.E., Zaat S.A., Apachitei I., Duszczyk J. In vitro antibacterial activity of porous TiO2-Ag composite layers against methicillin-resistant Staphylococcus aureus. Acta Biomater. 2009;5(9):3573-3580. doi: 10.1016/j.actbio.2009.05.010.Hamdan S., Pastar I., Drakulich S., Dikici E., Tomic-Canic M., Deo S. et al. Nanotechnology-Driven Therapeutic Interventions in Wound Healing: Potential Uses and Applications. ACS Cent Sci. 2017;3(3):163-175. doi: 10.1021/acscentsci.6b00371.Vijayakumar V., Samal S.K., Mohanty S., Nayak S.K. Recent advancements in biopolymer and metal nanoparticle-based materials in diabetic wound healing management. Int J Biol Macromol. 2019;122:137-148. doi: 10.1016/j.ijbiomac.2018.10.120.Szmyd R., Goralczyk A.G., Skalniak L., Cierniak A., Lipert B., Filon F.L. et al. Effect of silver nanoparticles on human primary keratinocytes. Biol Chem. 2013;394(1):113-123. doi: 10.1515/hsz-2012-0202.