ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ИМПРЕГНИРОВАННОЙ ПОЛИМЕРНОЙ КОМПОЗИЦИИ ДЛЯ ПРАКТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ОБЛАСТИ ГНОЙНОЙ ХИРУРГИИ Текст научной статьи по специальности «Биотехнологии в медицине»

УДК 617-089.844 doi:10.21685/2072-3032-2022-2-9

Исследование прочностных характеристик импрегнированной полимерной композиции для практического использования в области гнойной хирургии

И. М. Ефремов1, В. И. Мидленко2

1,2Ульяновский государственный университет, Ульяновск, Россия 1efremov-im@rambler.ru, 2kafsvmp@yandex.ru

Аннотация. Актуальность и цели. Применение антимикробной полимерной композиции на основе акрилового костного цемента (КЦ) и антибактериальных препаратов при лечении пациентов с хроническим остеомиелитом и периимплантной инфекцией широко используется в клинической практике. Цель исследования: оценить прочностные характеристики КЦ на основе полиметилметакрилата (ПММА), импрегни-рованного антибактериальными препаратами, на осевое сжатие. Материалы и методы. Выполнено 6 серий опытов in vitro с использованием КЦ на основе ПММА Syniceml (Франция). В каждой серии после смешивания компонентов полимерной композиции изготавливали вручную диск диаметром 45-50 мм, толщиной 5-7 мм. Испытания полученных образцов из акрилового КЦ проводились на электромеханической испытательной машине LFM 125 кН (Walter+Bai, Швейцария) с нагрузкой в диапазоне 10-10000 Н. Результаты. Прочность акрилового КЦ Synicem 1 превышает разрешенные по ГОСТ ISO 5833-2011. В то же время отмечено значимое снижение прочностных характеристик КЦ Synicem 1 при добавлении антимикробных препаратов в виде жидкости в сериях 4 (p < 0,0001) и 5 (p < 0,0001). Выводы. Прочностные характеристики полимеризованных образцов акрилового костного цемента Synicem 1 соответствуют ГОСТ ISO 5833-2011. Механическая прочность полимеризованных образцов акрилового костного цемента Synicem 1 значимо снижается при добавлении жидких антибактериальных компонентов, что необходимо учитывать в клинической практике.

Ключевые слова: костный цемент, полиметилметакрилат, механическая прочность, гнойная хирургия

Для цитирования: Ефремов И. М., Мидленко В. И. Исследование прочностных характеристик импрегнированной полимерной композиции для практического использования в области гнойной хирургии // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Медицинские науки. 2022. № 2. С. 83-91. doi:10.21685/2072-3032-2022-2-9

Studying strength characteristics of impregnated polymer composition for practical use in the field of purulent surgery

I.M. Efremov1, V.I. Midlenko2

1,2Ulyanovsk State University, Ulyanovsk, Russia 1efremov-im@rambler.ru, 2kafsvmp@yandex.ru

Abstract. Background. An antimicrobial polymer composition based on acrylic bone cement and antibacterial drugs in the treatment of patients with chronic osteomyelitis and peri-implant infection are widely used in clinical practice. The purpose of the study is to as-

© Ефремов И. М., Мидленко В. И., 2022. Контент доступен по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 License / This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.

sess the strength characteristics of bone cement based on polymethyl methacrylate (PMMA), impregnated with antibacterial drugs, for axial compression. Materials and methods. Six series of in vitro experiments were performed using CC based on PMMA Syniceml (France). In each series, after mixing the components of the polymer composition, a disc with a diameter of 45-50 mm and a thickness of 5-7 mm was made by hand. The samples obtained from acrylic CC were tested on an LFM 125 kN electromechanical testing machine (Walter + Bai, Switzerland) with a load in the range of 10-10000 N. Results. The strength of acrylic bone cement Synicem 1 exceeds the permitted strength in accordance with GOST ISO 5833-2011 At the same time, a significant decrease in the strength characteristics of CC Synicem 1 was noted with the addition of antimicrobial drugs in the form of a liquid in series 4 (p <0.0001) and 5 (p <0.0001). Conclusion. The strength characteristics of polymerized samples of acrylic bone cement Synicem 1 correspond to GOST ISO 58332011. The mechanical strength of polymerized samples of acrylic bone cement Synicem 1 significantly decreases with the addition of liquid antibacterial components, which must be taken into account in clinical practice.

Keywords: bone cement, polymethyl methacrylate, mechanical strength, purulent surgery

For citation: Efremov I.M., Midlenko V.I. Studying strength characteristics of impregnated polymer composition for practical use in the field of purulent surgery. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Povolzhskiy region. Meditsinskie nauki = University proceedings. Volga region. Medical sciences. 2022;(2):83-91. (In Russ.). doi:10.21685/2072-3032-2022-2-9

Введение

Применение антимикробной полимерной композиции на основе акрилового костного цемента и антибактериальных препаратов при лечении пациентов с хроническим остеомиелитом и периимплантной инфекцией широко используется в гнойной хирургии [1, 2]. При этом в качестве антибактериальных препаратов используют различные термостабильные антибиотики с учетом этого, учитывая, что температура экзотермической реакции полимеризации костного цемента (КЦ) на основе полиметилметакрилата (ПММА) превышает 80-90 °С [3-5].

Следует отметить, что самостоятельное добавление антибактериальных препаратов в КЦ на основе ПММА, ввиду снижения механической прочности получаемой полимерной композиции, вопрос дискутабельный. Так, отечественные исследователи указывают на запрет самостоятельного добавления антибиотиков к КЦ для фиксации эндопротеза в результате снижения прочностных характеристик получаемой полимерной композиции [3].

В свою очередь зарубежные авторы обсуждают возможность самостоятельного добавления антибиотика в акриловый костный цемент (с целью окончательной фиксации компонентов эндопротеза) в виде порошка массой не более 10 % от массы упаковки КЦ. При этом для изготовления спейсера можно добавлять антибактериальный препарат в объеме более 10 % от массы упаковки КЦ [6]. Последнее обусловлено тем, что механическая прочность полимерной композиции при изготовлении «бус», «спейсеров», временной фиксации компонентов суставных спейсеров или эндопротезов менее важна, чем высокая концентрация антибиотика в ПММА и окружающих тканях.

Исходя из этого актуальность изучения прочностных характеристик антимикробной полимерной композиции на основе ПММА обусловлена поиском антимикробных препаратов, введение которых в состав полимерной

композиции будет возможным для профилактики и лечения инфекционных осложнений у пациентов после травм и вмешательств на опорно-двигательном аппарате.

Цель исследования: оценить прочностные характеристики КЦ на основе ПММА, импрегнированного антибактериальными препаратами, на осевое сжатие.

Материалы и методы

Проведена серия опытов in vitro с использованием КЦ на основе ПММА Synicem 1 (Франция).

В ходе исследования проведено 6 серий по 5 опытов. В первой серии (серия 1) проводили смешивание компонентов упаковки КЦ Synicem 1 в стеклянной таре. Во второй серии (серия 2) - смешивание компонентов упаковки КЦ Synicem 1 с антибактериальным препаратом (цефотаксим) (10 % массы препарата от массы упаковки костного цемента). В третьей серии (серия 3) проводили смешивание компонентов упаковки КЦ Synicem 1 с антибактериальным препаратом (цефотаксим) (20 % массы препарата от массы упаковки костного цемента). В четвертой серии (серия 4) проводили смешивание компонентов упаковки КЦ Synicem 1 с раствором антибиотика (гента-мицин) (480 мг антибиотика). В пятой серии (серия 5) - смешивание в стеклянной таре компонентов упаковки КЦ Synicem 1 с раствором коммерческого препарата бактериофагов «Секстафаг» (серия П773, ФГУП «НПО Микроген», Россия) (50 % от объема мономера). В шестой серии (серия 6) проводилось смешивание компонентов упаковки КЦ Synicem 1, при этом количество мономера было уменьшено на 50 % и составило 10 мл, дополнительно в полимерную композицию добавляли раствор коммерческого препарата бактериофагов «Секстафаг» (10 мл).

Исследования во всех сериях эксперимента проводили in vitro в помещении с температурой окружающей среды 23 °С (±0,5 °C), измеряемой при помощи гигрометра психрометрического ВИТ-2 с поверкой РФ (Стеклопри-бор, Украина). Для проведения опыта в каждой серии после ручного смешивания компонентов полимерной композиции согласно ГОСТ ISO 5833-2011 [7] при помощи пресс-формы были изготовлены цилиндры диаметром 6 мм (±0,1 мм) длиной 12 мм (±0,1 мм) (рис. 1).

Испытания полученных образцов из акрилового костного цемента проводились в лаборатории материаловедения Научно-исследовательского технологического института им. С. П. Капицы ФГБОУ ВО «Ульяновский государственный университет» на электромеханической испытательной машине LFM 125 кН (Walter+Bai, Швейцария) при t = 23 °C (±0,5 °C). Расстояние между опорами соответствовало высоте образцов. Нагрузка на образцы была в диапазоне 10-10000 Н, скорость движения траверсы согласно ГОСТ ISO 5833-2011 - 20 мм/мин (рис. 2).

Статистическая обработка результатов проводилась с применением компьютерного пакета. Статистический анализ проводился с использованием программных пакетов StatSoft Statistica v.10.0.1011.6 (StatSoft, Inc, США). Характер распределения данных оценивали с помощью W-критерия Шапиро -Уилка (Shapiro - Wilk's W test). В зависимости от результата анализа данные представлены как M ± SD, где M - среднее арифметическое, SD - стандартное

отклонение (при нормальном распределении), либо Me (IQR), где Me - медиана, IQR - интерквартильный размах: 25 процентиль - 75 процентиль (при распределении, отличном от нормального). Для сравнения групп использовали ¿-критерий Стьюдента и ^-критерий Манна - Уитни (Mann -Whitney U test) (при распределении, отличном от нормального). Различие считали статистически значимыми при р < 0,05.

•V.'.. Ш

/■■С- ■

Рис. 1. Внешний вид пресс-форм и готовых цилиндрических образцов

Рис. 2. Характерная кривая «напряжение-позиция» при сжатии образца акрилового костного цемента Synicem 1 без добавок (серия 1)

Результаты и обсуждение

Для проведения испытаний в каждой серии опытов было изготовлено по 10 образцов цилиндров. При этом в каждой серии было отобрано по 5 образцов, визуально не имеющих дефектов в своей структуре (макрополостей, сколов или других дефектов, выявленных визуально) (рис. 3).

Согласно литературным данным во время полимеризации на поверхности антимикробной композиции формируются наноразмерные каверны, которые способствуют выходу антибактериальных препаратов [7]. Однако при ручном смешивании полимерной композиции возможно формирование макрополостей, которые приведут к разрушению антимикробного покрытия, спейсера и т.д. В нашем исследовании наличие макрополостей в исследуемых образцах (цилиндрах) могло привести к искажению полученных результатов при исследовании прочностных свойств образцов.

Следует учитывать работы, подтверждающие, что прочность КЦ на основе ПММА различных коммерческих марок значительно превышает минимальные прочностные характеристики, допустимые по ГОСТ ISO 5833-2011 «Имплантаты для хирургии. Акрилцементы» (ISO 5833:2002, IDT) [8]. Кроме того, с течением времени отмечено увеличение прочности полимеризованной полимерной композиции [8]. Однако прочность полимерной композиции ПММА, импрегнированной антибактериальными препаратами, снижается, что ставит под вопрос возможность самостоятельного добавления антибиотиков к КЦ с целью окончательной фиксации компонентов эндопротеза [9-11].

Полученные в ходе нашего исследования результаты не противоречат данным литературы (табл. 1).

Прочность акрилового КЦ Synicem 1 (серии 1) превышает разрешенные по ГОСТу ( >70 Мпа). При смешивании компонентов упаковки КЦ Synicem 1 с антибактериальным препаратом (цефотаксим) (10 % массы препарата от массы упаковки костного цемента) (серия 2) и 20 % массы препарата от массы упаковки костного цемента (серия 3) значимых различий прочностных характеристик по сравнению с серией 1 выявлено не было (р = 0,82 и р = 0,1).

В то же время отмечено достоверное снижение прочностных характеристик КЦ Synicem 1 при добавлении антимикробных препаратов в виде жидкости в сериях 4 (р < 0,0001) и 5 (р < 0,0001) по сравнению с серией 1.

Рис. 3. Макрополости в застывших образцах акрилового костного цемента (пресс-форма справа)

Таблица 1

Прочностные характеристики образцов полимерной композиции

№ серии Образец Предел текучести, МПа Среднее значение в серии, МПа; M ± SD

Серия № 1 Образец № 1 80,98 93,06 ± 6,77

Образец № 2 96,43

Образец № 3 96,58

Образец № 4 95,97

Образец № 5 95,36

Серия № 2 Образец № 1 90,9 92,33 ± 1,62

Образец № 2 94,27

Образец № 3 92,98

Образец № 4 90,4

Образец № 5 93,1

Серия № 3 Образец № 1 86,07 87,45 ± 1,04

Образец № 2 88,16

Образец № 3 87,86

Образец № 4 86,64

Образец № 5 88,5

Серия № 4 Образец № 1 54,84 55,1 ± 0,89

Образец № 2 56,43

Образец № 3 54,27

Образец № 4 54,42

Образец № 5 55,56

Серия № 5 Образец № 1 58,6 57,48 ± 2,23

Образец № 2 59,81

Образец № 3 53,9

Образец № 4 57,12

Образец № 5 57,99

Серия № 6 Образец № 1 75 76,12 ± 1,28

Образец № 2 77,7

Образец № 3 74,7

Образец № 4 76,2

Образец № 5 77

Необходимо отметить парадокс полученных результатов в серии 6. При добавлении жидкого антимикробного препарата и удалении 50 % исходного объема мономера прочностные характеристики антимикробной композиции на сжатие значимо снижаются по сравнению с серией 1 (р = 0,0006), однако соответствуют ГОСТу ( > 70 Мпа) (рис. 4).

Несмотря на полученные экспериментальные данные, мы не рекомендуем использовать данную полимерную композицию в клинической практике для окончательной фиксации компонентов эндопротеза, учитывая высокий процент удаления исходного объема мономера [6] и необходимость дальнейших исследований.

Заключение

Прочностные характеристики полимеризованных образцов акрилового костного цемента Synicem 1 соответствует ГОСТ ISO 5833-2011. Механиче-

ская прочность полимеризованных образцов акрилового костного цемента

Synicem 1 значимо снижается при добавлении жидких антибактериальных

компонентов, что необходимо учитывать в клинической практике.

110.00

1 05.00

100.00

95.00

90.00

85.00

80.00

_ 75.00

£ 70.00

2 55.00

1> №.00 X

I 55.00 % 50.00 О. 45.00 я 40.00 1 35.00 30.00 25.00 20.00 15.00 10.00 5.00 0.00

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.60 4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00

Позиция [ тт ]

Рис. 4. Характерная кривая «напряжение-позиция» при сжатии образца акрилового костного цемента 8утсет 1 в серии 6

Список литературы

1. Ефименко Н. А. Грицюк А. А., Середа А. П. [и др.]. Профилактика инфекций области хирургического вмешательства в травматологии и ортопедии: использование антибиотиков в костном цементе // Инфекции в хирургии. 2009. № 2. С. 15-27.

2. Конев В. А., Божкова С. А., Нетылько Г. И. [и др.]. Результаты применения фосфо-мицина для импрегнации остеозамещающих материалов при лечении хронического остеомиелита // Травматология и ортопедия России. 2016. Т. 22, № 2. С. 43-56. doi:10.21823/2311-2905-2016-0-2-43-56

3. Тихилов Р. М., Шаповалов В. М. Руководство по эндопротезированию тазобедренного сустава. СПб. : РНИИТО им. Р. Р. Вредена, 2008. 324 с.

4. Загородний Н. В. Эндопротезирование тазобедренного сустава. Основы и практика : руководство. М. : ГЭОТАР-Медиа, 2012. 704 с.

5. Куропаткин Г. В., Ахтямов И. Ф. Костный цемент в травматологии и ортопедии. 2-е изд. доп. перераб. Казань, 2014. 188 с.

6. Окснер Петер Е. [и др.]. Инфекции опорно-двигательного аппарата. Основные принципы, профилактика, диагностика и лечение : монография / пер. с англ. под ред. Л. Г. Григоричевой. Барнаул, 2017. 250 с.

7. Самохин А. Г., Козлова Ю. Н., Корнеев Д. В. [и др.]. Экспериментальное исследование антибактериальной активности литического стафилококкового бактериофага рк20 и литического бактериофага синегнойной палочки рИ57 при моделировании их импрегнации в ортопедические полимерные конструкции из поли-метилметакрилата (костного цемента) // Вестник Российской академии медицинских наук. 2018. Т. 73, № 1. С. 59-68. doi:10.15690/vramn905

8. Лоскутов О. А., Васильченко Е. В., Амбражей М. Ю. Жесткостные и прочностные характеристики различных марок костного цемента на основе полиметилметакри-лата и их изменение со временем // Травма. 2014. Т. 15, № 1. С. 114-117.

9. Божкова С. А., Полякова Е. М., Афанасьев А. В. [и др.]. Фосфомицин - возможности применения для локальной терапии перипротезной инфекции // Клиническая микробиология и антимикробная химиотерапия. 2016. Т. 18, № 3. С. 104-112.

10. Бессонов О. В., Вест Н. С., Солиман М. Н. А. Испытание образцов акрилатного костного цемента на износ // Тенденции развития науки и образования. 2017. № 33-1. С. 32-35. doi:10.18411/lj-31-08-2017-2

11. Страхов А. В., Тимохин Д. К., Евстигнеев С. А. [и др.]. Оценка прочностных характеристик акрилатных костных цементов // Тенденции развития науки и образования. 2017. № 33-1. С. 54-56. doi:10.18411/lj-25-12-2017-22

References

1. Efimenko N.A. Gritsyuk A.A., Sereda A.P. [et al.]. Prevention of surgical site infections in traumatology and orthopedics: the use of antibiotics in bone cement. Infektsii v khi-rurgii = Infections in surgery. 2009;(2):15-27. (In Russ.)

2. Konev V.A., Bozhkova S.A., Netyl'ko G.I. [et al.]. Results of the use of fosfomycin for the impregnation of osteoreplacement materials in the treatment of chronic osteomyelitis. Travmatologiya i ortopediya Rossii = Traumatology and orthopedics in Russia. 2016;22(2):43-56. (In Russ.). doi:10.21823/2311-2905-2016-0-2-43-56

3. Tikhilov R.M., Shapovalov V.M. Rukovodstvo po endoprotezirovaniyu tazobed-rennogo sustava = Guidelines for hip arthroplasty. Saint Petersburg: RNIITO im. R. R. Vredena, 2008:324. (In Russ.)

4. Zagorodniy N.V. Endoprotezirovanie tazobedrennogo sustava. Osnovy i praktika: rukovodstvo = Endoprosthetics of the hip joint. Fundamentals and practice: textbook. Moscow: GEOTAR-Media, 2012:704. (In Russ.)

5. Kuropatkin G.V., Akhtyamov I.F. Kostnyy tsement v travmatologii i ortopedii = Bone cement in traumatology and orthopedics. 2nd ed. add. and rev. Kazan, 2014:188. (In Russ.)

6. Oksner Peter E. [et al.]. Infektsii oporno-dvigatel'nogo apparata. Osnovnye printsipy, profilaktika, diagnostika i lechenie: monografiya. Per. s angl. pod red L. G. Grigorichevoy = Infections of the musculoskeletal system. Basic principles, prevention, diagnosis and treatment: monograph. Translated from English, edited by L. G. Grigoricheva. Barnaul, 2017:250. (In Russ.)

7. Samokhin A.G., Kozlova Yu.N., Korneev D.V. [et al.]. Experimental study of the antibacterial activity of lytic staphylococcal bacteriophage ph20 and lytic staphylococcal bacteriophage Pseudomonas aeruginosa ph57 when modeling their impregnation into orthopedic polymer structures made of polymethyl methacrylate (bone cement). Vestnik Rossiyskoy akademii meditsinskikh nauk = Bulletin of the Russian Academy of Medical Sciences. 2018;73(1):59-68. (In Russ.). doi:10.15690/vramn905

8. Loskutov O.A., Vasil'chenko E.V., Ambrazhey M.Yu. Rigidity and strength characteristics of various grades of bone cement based on polymethyl methacrylate and their change over time. Travma = Trauma. 2014;15(1):114-117. (In Russ.)

9. Bozhkova S.A., Polyakova E.M., Afanas'ev A.V. [et al.]. Fosfomycin - possibilities of application for local therapy of periprosthetic infection. Klinicheskaya mikrobiologiya i antimikrobnaya khimioterapiya = Clinical microbiology and antimicrobial chemotherapy. 2016;18(3):104-112. (In Russ.)

10. Bessonov O.V., Vest N.S., Soliman M.N.A. Wear testing of acrylate bone cement samples. Tendentsii razvitiya nauki i obrazovaniya = Trends in the development of science and education. 2017;(33-1):32-35. (In Russ.). doi:10.18411/lj-31-08-2017-2

11. Strakhov A.V., Timokhin D.K., Evstigneev S.A. [er al.]. Evaluation of strength characteristics of acrylate bone cements. Tendentsii razvitiya nauki i obrazovaniya = Trends in the development of science and education. 2017;(33-1):54-56. (In Russ.). doi:10.18411/lj-25-12-2017-22

Информация об авторах / Information about the authors

Иван Михайлович Ефремов

кандидат медицинских наук, доцент кафедры госпитальной хирургии, анестезиологии, реаниматологии, урологии, травматологии и ортопедии, Ульяновский государственный университет (Россия, г. Ульяновск, ул. Льва Толстого, 42)

E-mail: efremov-im@rambler.ru

Ivan M. Efremov

Candidate of medical sciences, associate professor of the sub-department of hospital surgery, anesthesiology, resuscitation, urology, traumatology and orthopedics, Ulyanovsk State University (42 L'va Tolstogo street, Ulyanovsk, Russia)

Владимир Ильич Мидленко доктор медицинских наук, профессор, директор Института медицины, экологии и физической культуры, заведующий кафедрой госпитальной хирургии, анестезиологии, реаниматологии, урологии, травматологии, ортопедии, Ульяновский государственный университет (Россия, г. Ульяновск, ул. Льва Толстого, 42)

E-mail: kafsvmp@yandex.ru

Vladimir I. Midlenko Doctor of medical sciences, professor, director of Institute of medicine, ecology and physical culture, head of the subdepartment of hospital surgery, anesthesiology, resuscitation, urology, traumatology and orthopedics, Ulyanovsk State University (42 L'va Tolstogo street, Ulyanovsk, Russia)

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов / The authors declare no conflicts of interests.

Поступила в редакцию / Received 21.02.2022

Поступила после рецензирования и доработки / Revised 16.03.2022 Принята к публикации / Accepted 17.04.2022