Эффективность использования антибактериальных покрытий титановых имплантатов при лечении огнестрельных переломов

Введение. Высокий риск инфекционных осложнений при огнестрельных ранениях остается актуальной проблемой военной медицины. Анализ структуры санитарных потерь показывает, что ранения конечностей составляют от 55 % до 81,4 %, при этом около 35 % из них сопровождаются переломами костей. Выполнение операций по окончательной стабилизации данных переломов в условиях первичной микробной контаминации ассоциируется с высоким риском развития инфекционных осложнений. Однако использование антибактериальных покрытий на внутренних имплантатах значительно снижает риски развития таких осложнений.

Цель работы — на основании анализа российских и зарубежных литературных источников определить эффективность использования антибактериальных покрытий титановых имплантатов при огнестрельных переломах.

Материалы и методы. Поиск научных публикации осуществляли в поисковых системах eLibrary, PubMed и Connected Papers по ключевым словам: antibacterial coatings, gunshot fractures, implantassociated infection, internal osteosynthesis, infectious complications, антибактериальное покрытие, огнестрельные переломы, инфекционные осложнения, периимплантная инфекция. Источники отобраны исходя из гипотезы о возможности применения антибактериальных покрытий в клинической практике. Глубина поиска — с 2009 по 2025 гг.

Результаты и обсуждение. Существующие системы доставки антибактериальных препаратов в зону проведения оперативного вмешательства демонстрируют высокую клиническую эффективность в профилактике периимплантной инфекции. На сегодняшний день наиболее изученными агентами для создания покрытий являются ионы металлов, полимеры, а также композиты, содержащие в своем составе антибактериальные/антисептические препараты. При этом наиболее эффективными являются многофункциональные и интеллектуальные покрытия, оказывающие комбинированное воздействие на микробные биопленки благодаря выраженным антиадгезивным и биоцидным свойствам. Отмечен дефицит исследований по применению многофункциональных покрытий в травматологии и ортопедии. В настоящее время отсутствуют публикации, посвященные использованию антибактериальных покрытий при лечении огнестрельных переломов и их последствий.

Заключение. Применение полимерных и многофункциональных антибактериальных покрытий, гидрогелей, оксидов серебра, йода и цинка демонстрируют высокую эффективность в профилактике инфекционных осложнений после проведения внутреннего остеосинтеза, и могут быть использованы в клинической практике при лечении пострадавших с огнестрельными переломами костей конечностей.

1. Оприщенко А.А., Штутин А.А., Коктышев И.В. Тактика пластического закрытия огнестрельных раневых дефектов нижней конечности. Университетская клиника. 2019;(1(30)):48-53. doi: 10.26435/uc.v0i1(30).290.

2. Оприщенко А.А., Штутин А.А. Клинико-эпидемиологическая характеристика открытых боевых повреждений нижних конечностей в условиях военного конфликта в Донбассе. Университетская клиника. 2018;(1(26):20-25. doi: 10.26435/uc.v0i1(26).131.

3. Король С.А., Матвейчук Б.В., Доманский А.Н. Объем хирургической помощи раненым с огнестрельными переломами костей предплечья на этапах медицинской эвакуации во время антитеррористической операции. Травма. 2016;17(6):76-80. doi: 10.22141/1608-1706.6.17.2016.88621.

4. Овденко А.Г. Современные методы лечения гнойных осложнений в травматологии и ортопедии. Церковь и медицина. 2017;(1(17)):65-73.

5. Хоминец В.В., Щукин А.В., Михайлов С.В., Фоос И.В. Особенности лечения раненых с огнестрельными переломами длинных костей конечностей методом последовательного внутреннего остеосинтеза. Политравма. 2017;(3):12-22.

6. Lee C, Brodke DJ, Engel J, et al. Low-energy Gunshot-induced Tibia Fractures: What Proportion Develop Complications? Clin Orthop Relat Res. 2021;479(8):1793-1801. doi: 10.1097/CORR.0000000000001736.

7. Крюков Е.В., Головко К.П., Маркевич В.Ю. и др. Характеристика антибиотикорезистентности возбудителей инфекционных осложнений у раненых. Вестник Российской Военно-медицинской академии. 2023;25(2):193-202. doi: 10.17816/brmma207771.

8. Брижань Л.К., Хоминец В.В., Шаповалов В.М. и др. Современное лечение раненых с огнестрельными ранениями конечностей. Opinion Leader. 2018;2(8(16):48-56.

9. Guda T, Stukel Shah JM, Lundquist BD, et al. An In Vivo Assessment of Different Mesenchymal Stromal Cell Tissue Types and Their Differentiation State on a Shape Memory Polymer Scaffold for Bone Regeneration. J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 2024;112(12):e35516. doi: 10.1002/jbm.b.35516.

10. Kozelskaya AI, Früh A, Rutkowski S, et all. Antibacterial double-layer calcium phosphate/chitosan composite coating on metal implants for tissue engineering. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2025;705(Part 2):135652. doi: 10.1016/j.colsurfa.2024.135652.

11. Huang CY, Hsieh RW, Yen HT, et al. Short- versus long-course antibiotics in osteomyelitis: A systematic review and meta-analysis. Int J Antimicrob Agents. 2019;53(3):246-260. doi: 10.1016/j.ijantimicag.2019.01.007.

12. Baumfeld D, Brito ASP, Torres MS, et al. Firearm-Related Fractures: Epidemiology and Infection Rate. Rev Bras Ortop (Sao Paulo). 2020;55(5):625-628. doi: 10.1055/s-0040-1702960.

13. Мурылев В., Куковенко Г., Елизаров П. и др. Перипротезная инфекция при эндопротезировании тазобедренного сустава. Врач. 2018;(3):17-22. doi: 10.29296/25877305-2018-03-04.

14. Cooper C, Horner C, Barlow G, et al. A survey of practice and opinions on the use of topical antibiotics to prevent surgical site infection: more confusion than consensus. J Antimicrob Chemother. 2018;73(7):1978-1983. doi: 10.1093/jac/dky097.

15. Amin Yavari S, Castenmiller SM, van Strijp JAG, Croes M. Combating Implant Infections: Shifting Focus from Bacteria to Host. Adv Mater. 2020;32(43):e2002962. doi: 10.1002/adma.202002962.

16. Coppola GA, Onsea J, Moriarty TF, et al. An Improved 2-Aminoimidazole Based Anti-Biofilm Coating for Orthopedic Implants: Activity, Stability, and in vivo Biocompatibility. Front Microbiol. 2021;12:658521. doi: 10.3389/fmicb.2021.658521.

17. Zheng Y, He L, Asiamah TK, Otto M. Colonization of medical devices by staphylococci. Environ Microbiol. 2018;20(9):3141-3153. doi: 10.1111/1462-2920.14129.

18. Rupp M, Baertl S, Walter N, et al. Is There a Difference in Microbiological Epidemiology and Effective Empiric Antimicrobial Therapy Comparing Fracture-Related Infection and Periprosthetic Joint Infection? A Retrospective Comparative Study. Antibiotics (Basel). 2021;10(8):921. doi: 10.3390/antibiotics10080921.

19. Mirzaei R, Mohammadzadeh R, Alikhani MY, et al. The biofilm-associated bacterial infections unrelated to indwelling devices. IUBMB Life. 2020;72(7):1271-1285. doi: 10.1002/iub.2266.

20. Бесчастнов В.В. Особенности лечения боевой травмы конечностей у военнослужащих блока НАТО в период вооруженных конфликтов на территории Ирака и Афганистана (обзор литературы). Раны и раневые инфекции. Журнал имени проф. Б.М. Костючёнка. 2021:8(3):8-12. doi: 10.25199/2408-9613-2021-8-3-6-10.

21. Kaspiris A, Vasiliadis E, Pantazaka E, et al. Current Progress and Future Perspectives in Contact and Releasing-Type Antimicrobial Coatings of Orthopaedic Implants: A Systematic Review Analysis Emanated from In Vitro and In Vivo Models. Infect Dis Rep. 2024;16(2):298-316. doi: 10.3390/idr16020025.

22. Ma T, Lyu J, Ma J, et al. Comparative analysis of pathogen distribution in patients with fracture-related infection and periprosthetic joint infection: a retrospective study. BMC Musculoskelet Disord. 2023;24(1):123. doi: 10.1186/s12891-023-06210-6.

23. Dudareva M, Hotchen AJ, Ferguson J, et al. The microbiology of chronic osteomyelitis: Changes over ten years. J Infect. 2019;79(3):189198. doi: 10.1016/j.jinf.2019.07.006.

24. Vijayakumar В, Reddy Y, Suphala B, et al. Microbiological and antibiotic profile of osteomyelitis in tertiary care hospital. Int Surg J. 2021:8(3):910-914. doi: 10.18203/2349-2902.isj20210926.

25. Ardehali B, Geoghegan L, Khajuria A, et al. Microbiological and functional outcomes after open extremity fractures sustained overseas: The experience of a UK level I trauma centre. JPRAS Open. 2017;15:36-45. doi: 10.1016/j.jpra.2017.09.003.

26. Cerioli M, Batailler C, Conrad A, et al. Pseudomonas aeruginosa Implant-Associated Bone and Joint Infections: Experience in a Regional Reference Center in France. Front Med (Lausanne). 2020;7:513242. doi: 10.3389/fmed.2020.513242.

27. Knabl L, Kuppelwieser B, Mayr A, et al. High percentage of microbial colonization of osteosynthesis material in clinically unremarkable patients. Microbiologyopen. 2019;8(3):e00658. doi: 10.1002/mbo3.658.

28. Hanawa T. Titanium-Tissue Interface Reaction and Its Control With Surface Treatment. Front Bioeng Biotechnol. 2019;7:170. doi: 10.3389/fbioe.2019.00170.

29. Wang Y, Zhang Y, Miron RJ. Health, Maintenance, and Recovery of Soft Tissues around Implants. Clin Implant Dent Relat Res. 2016;18(3):618-34. doi: 10.1111/cid.12343.

30. Li B, Thebault P, Labat B, et al. Implants coating strategies for antibacterial treatment in fracture and defect models: A systematic review of animal studies. J Orthop Translat. 2024;45:24-35. doi: 10.1016/j.jot.2023.12.006.

31. Bruellhoff K, Fiedler J, Möller M, et al. Surface coating strategies to prevent biofilm formation on implant surfaces. Int J Artif Organs. 2010;33(9):646-653. doi: 10.1177/039139881003300910.

32. Nichol T, Callaghan J, Townsend R, et al. The antimicrobial activity and biocompatibility of a controlled gentamicin-releasing single-layer sol-gel coating on hydroxyapatite-coated titanium. Bone Joint J. 2021;103-B(3):522-529. doi: 10.1302/0301-620X.103B3.BJJ-2020-0347.R1.

33. Hu Y, Wang Z, Ai J, Bu S, et al. Preparation of Coating on the Titanium Surface by Micro-Arc Oxidation to Improve Corrosion Resistance. Coatings. 2021:11(2):230. doi: 10.3390/coatings11020230.

34. Ständert V, Borcherding K, Bormann N, et al. Antibiotic-loaded amphora-shaped pores on a titanium implant surface enhance osteointegration and prevent infections. Bioact Mater. 2021;6(8):2331-2345. doi: 10.1016/j.bioactmat.2021.01.012.

35. Akay S, Yaghmur A. Recent Advances in Antibacterial Coatings to Combat Orthopedic Implant-Associated Infections. Molecules. 2024;29(5):1172. doi: 10.3390/molecules29051172.

36. Harris MA, Beenken KE, Smeltzer MS, et al. Phosphatidylcholine Coatings Deliver Local Antimicrobials and Reduce Infection in a Murine Model: A Preliminary Study. Clin Orthop Relat Res. 2017;475(7):1847-1853. doi: 10.1007/s11999-016-5211-7.

37. Metsemakers WJ, Emanuel N, Cohen O, et al. A doxycycline-loaded polymer-lipid encapsulation matrix coating for the prevention of implant-related osteomyelitis due to doxycycline-resistant methicillin-resistant Staphylococcus aureus. J Control Release. 2015;209:47-56. doi: 10.1016/j.jconrel.2015.04.022.

38. Aguilera-Correa JJ, Garcia-Casas A, Mediero A, et al. A New Antibiotic-Loaded Sol-Gel Can Prevent Bacterial Prosthetic Joint Infection: From in vitro Studies to an in vivo Model. Front Microbiol. 2020;10:2935. doi: 10.3389/fmicb.2019.02935.

39. Gulcu A, Akman A, Demirkan AF, et al. Fosfomycin Addition to Poly(D,L-Lactide) Coating Does Not Affect Prophylaxis Efficacy in Rat Implant-Related Infection Model, But That of Gentamicin Does. PLoS One. 2016;11(11):e0165544. doi: 10.1371/journal.pone.0165544.

40. Попов А.В., Шастов А.Л., Шипицына И.В. и др. Бактерицидная активность экспериментальных образцов имплантатов из титанового сплава с кальций-фосфатным покрытием и антибактериальным компонентом в отношении грамотрицательных патогенов (экспериментальное исследование). Вестник травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова. 2024;31(4):517-526. doi: 10.17816/vto630216.

41. Winkler H, Haiden P. Allograft Bone as Antibiotic Carrier. J Bone Jt Infect. 2017;2(1):52-62. doi: 10.7150/jbji.17466.

42. Иванов П.А., Соколов В.А. и др. Применение интрамедуллярных блокируемых штифтов с активным антибактериальным покрытием при лечении тяжелых открытых переломов и их осложнений. Вестник травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова. 2009;16(1):13-18.

43. Zhou D, Yuan H, Han T, et al. Open Distal Femur Fractures Treated with Bone Cement Intramedullary Support Combined with Locked Plate Fixation. Altern Ther Health Med. 2024;30(9):72-77.

44. Меликова Р.Э., Цискарашвили А.В. Локальные антибактериальные депо-системы в лечении костно-суставной инфекции (обзор литературы). Вестник травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова. 2024;31(4):677-695. doi: 10.17816/vto632032.

45. Lollobrigida M, Filardo S, Sessa R, et al. Antibacterial Activity and Impact of Different Antiseptics on Biofilm-Contaminated Implant Surfaces (2019). Appl. Sci. 2019;9(24):5467. doi: 10.3390/app9245467.

46. Raghunath A, Perumal E. Metal oxide nanoparticles as antimicrobial agents: a promise for the future. Int J Antimicrob Agents. 2017;49(2):137-152. doi: 10.1016/j.ijantimicag.2016.11.011.

47. Gold K, Slay B, Knackstedt M, Gaharwar AK. Antimicrobial Activity of Metal and Metal-Oxide Based Nanoparticles. Adv Therap. 2018;(1):1700033. doi: 10.1002/adtp.201700033.

48. Zhang E, Zhao X, Hu J, et al. Antibacterial metals and alloys for potential biomedical implants. Bioact Mater. 2021;6(8):2569-2612. doi: 10.1016/j.bioactmat.2021.01.030.

49. Jia Z, Zhou W, Yan J, et al. Constructing Multilayer Silk Protein/Nanosilver Biofunctionalized Hierarchically Structured 3D Printed Ti6Al4 V Scaffold for Repair of Infective Bone Defects. ACS Biomater Sci Eng. 2019;5(1):244-261. doi: 10.1021/acsbiomaterials.8b00857.

50. Matai I, Sachdev A, Dubey P, et al. Antibacterial activity and mechanism of Ag-ZnO nanocomposite on S. aureus and GFP-expressing antibiotic resistant E. coli. Colloids Surf B Biointerfaces. 2014;115:359-367. doi: 10.1016/j.colsurfb.2013.12.005.

51. Yang Q, Chen L. Antibacterial surface coatings of fracture fixation implants. Materials Express. 2022;12(8):1013-1019. doi: 10.1166 mex.2022.2255.

52. Hao W, Xiong C, Yu Z, et al. Research Progress on Antibacterial Coatings for Preventing Implant-Related Infection in Fractures: A Literature Review. Coatings. 2022:12(12):1921. doi: 10.3390/coatings12121921.

53. Tukkaram M, Cools P, Nikiforov A, et al. Antibacterial activity of a porous silver doped TiO2 coating on titanium substrates synthesized by plasma electrolytic oxidation. Appl Surf Sci. 2019;(500):144235. doi: 10.1016/j.apsusc.2019.144235.

54. Zhu WQ, Shao SY, Xu LN, et al. Enhanced corrosion resistance of zinc-containing nanowires-modified titanium surface under exposure to oxidizing microenvironment. J Nanobiotechnology. 2019;17(1):55. doi: 10.1186/s12951-019-0488-9.

55. Wang LJ, Ni XH, Zhang F, et al. Osteoblast Response to Copper-Doped Microporous Coatings on Titanium for Improved Bone Integration. Nanoscale Res Lett. 2021;16(1):146. doi: 10.1186/s11671-021-03602-2.

56. Tran PA, O'Brien-Simpson N, Palmer JA, et al. Selenium nanoparticles as anti-infective implant coatings for trauma orthopedics against methicillin-resistant Staphylococcus aureus and epidermidis: in vitro and in vivo assessment. Int J Nanomedicine. 2019; 14:4613-4624. doi: 10.2147/IJN.S197737.

57. Zhou J, Wang X. The osteogenic, anti-oncogenic and antibacterial activities of selenium-doped titanium dioxide coatings on titanium. Surf Coat Technol. 2020;403:126408. doi: 10.1016/j.surfcoat.2020.126408.

58. Ohtsu N, Yuko K, Ohtsuki T. Antibacterial effect of zinc oxide/hydroxyapatite coatings prepared by chemical solution deposition. Appl Surf Sci. 2017;445:596-600. doi: 10.1016/j.apsusc.2017.09.101.

59. Shirai T, Tsuchiya H, Terauchi R, et al. A retrospective study of antibacterial iodine-coated implants for postoperative infection. Medicine (Baltimore). 2019;98(45):e17932. doi: 10.1097/MD.0000000000017932.

60. Inoue D, Kabata T, Kajino Y, et al. Iodine-supported titanium implants have good antimicrobial attachment effects. J Orthop Sci. 2019;24(3):548-551. doi: 10.1016/j.jos.2018.10.010.

61. Yamaguchi S, Le PTM, Shintani SA, et al. Iodine-Loaded Calcium Titanate for Bone Repair with Sustainable Antibacterial Activity Prepared by Solution and Heat Treatment. Nanomaterials (Basel). 2021;11(9):2199. doi: 10.3390/nano11092199.

62. Katunar MR, Pastore JI, Cisilino AP, et al. Early osseointegration of strontium-doped coatings on titanium implants in an osteoporotic rat model. Surf Coat Technol. 2022;433(SUPPL.4):128159. doi: 10.1016/j.surfcoat.2022.128159.

63. Zhao Q, Yi L, Jiang L, et al. Surface functionalization of titanium with zinc/strontium-doped titanium dioxide microporous coating via microarc oxidation. Nanomedicine. 2019;(16):149-161. doi: 10.1016/j.nano.2018.12.006.

64. Arcos D, Vallet-Regí M. Substituted hydroxyapatite coatings of bone implants. J Mater Chem B. 2020;8(9):1781-1800. doi: 10.1039/c9tb02710f.

65. Batebi K, Khazaei BA, Afshar A. Characterization of sol-gel derived silver/fluor-hydroxyapatite composite coatings on titanium substrate. Surf Coat Technol. 201;352:522-528. doi: 10.1016/j.surfcoat.2018.08.021.

66. Turkoz M, Atilla AO, Evis Z. Silver and fluoride doped hydroxyapatites: Investigation by microstructure, mechanical and antibacterial properties. Ceram Int. 2013:39( 8):8925-8931. doi: 10.1016/j.ceramint.2013.04.088.

67. 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.

68. Pogorielov M, Husak E, Solodivnik A, Zhdanov S. Magnesium-based biodegradable alloys: Degradation, application, and alloying elements. Interv Med Appl Sci. 2017;9(1):27-38. doi: 10.1556/1646.9.2017.1.04.

69. Drayton M, Kizhakkedathu JN, Straus SK. Towards Robust Delivery of Antimicrobial Peptides to Combat Bacterial Resistance. Molecules. 2020;25(13):3048. doi: 10.3390/molecules25133048.

70. Caselli L, Parra-Ortiz E, Micciulla S, et al. Boosting Membrane Interactions and Antimicrobial Effects of Photocatalytic Titanium Dioxide Nanoparticles by Peptide Coating. Small. 2024;20(30):e2309496. doi: 10.1002/smll.202309496.

71. Keikhosravani P, Jahanmard F, Bollen T, et al. (2023). Antibacterial CATH-2 Peptide Coating to Prevent Bone Implant-Related Infection. Adv Mater Technol. 2023;8(18): 2300500. doi: 10.1002/admt.202300500.

72. Ozdil D, & Aydin HM. Polymers for Medical and Tissue Engineering Applications. J Chem Technol Biotechnol. 2014;89(12):1793-1810. doi: 10.1002/jctb.4505.

73. Kaleli-Can G, Ozguzar HF, Kahriman S, et al. Improvement in antimicrobial properties of titanium by diethyl phosphite plasma-based surface modification, Mater Today Commun. 2020;25:101565. doi: 10.1016/j.mtcomm.2020.10156.

74. Peng J, Liu P, Peng W, et al. Poly(hexamethylene biguanide) (PHMB) as high-efficiency antibacterial coating for titanium substrates. J Hazard Mater. 2021;411:125110. doi: 10.1016/j.jhazmat.2021.125110.

75. Peng ZX, Tu B, Shen Y, et al. Quaternized chitosan inhibits icaA transcription and biofilm formation by Staphylococcus on a titanium surface. Antimicrob Agents Chemother. 2011;55(2):860-866. doi: 10.1128/AAC.01005-10.

76. Li B, Thebault P, Labat B, et al. Implants coating strategies for antibacterial treatment in fracture and defect models: A systematic review of animal studies. J Orthop Translat. 2024;45:24-35. doi: 10.1016/j.jot.2023.12.006.

77. Zhang Y, Hu K, Xing X, et al. Smart Titanium Coating Composed of Antibiotic Conjugated Peptides as an Infection-Responsive Antibacterial Agent. Macromol Biosci. 2021;21(1):e2000194. doi: 10.1002/mabi.202000194.

78. Zhang F, Hu Q, Wei Y, Meng W et al. Surface modification of titanium implants by pH-Responsive coating designed for Self-Adaptive antibacterial and promoted osseointegration. Chem Eng J. 2022:435(Part 2):134802, doi: 10.1016/j.cej.2022.134802.

79. Pressato D, Battista A, Govoni M, et al. The Intraoperative Use of Defensive Antibacterial Coating (DAC®) in the Form of a Gel to Prevent Peri-Implant Infections in Orthopaedic Surgery: A Clinical Narrative Review. Materials (Basel). 2023;16(15):5304. doi: 10.3390/ma16155304.

80. 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.

81. Koptyug A, Rännar LE, Bäckström M et al. Additive manufacturing technology applications targeting practical surgery. IJLSR. 2013;3(1):15-24. doi: 10.5963/LSMR0301003.

82. Головко К.П., Юдин В.Е., Овчинников Д.В. и др. Антибактериальное раневое покрытие на основе хитозана и повидона, полученное методом 3D-печати. Известия Российской военно-медицинской академии. 2024;43(1):23-34. doi: 10.17816/rmmar626501.

83. Inzana JA, Trombetta RP, Schwarz EM, et al. 3D printed bioceramics for dual antibiotic delivery to treat implant-associated bone infection. Eur Cell Mater. 2015;30:232-247. doi: 10.22203/ecm.v030a16.

84. Hameed S, Sharif S, Ovais M, Xiong H. Emerging trends and future challenges of advanced 2D nanomaterials for combating bacterial resistance. Bioact Mater. 2024;38:225-257. doi: 10.1016/j.bioactmat.2024.04.033.

85. He X, Guo C, Liu X, et al. Progress in antibacterial coatings of titanium implants surfaces. Sheng Wu Yi Xue Gong Cheng Xue Za Zhi. 2024;41(1):191-198. Chinese. doi: 10.7507/1001-5515.202209051.