Treating Periprosthetic Joint Infection With Silver-Impregnated Carbon-Coated Spacers: Mid-Term Outcomes

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Background. Periprosthetic joint infection (PJI) is a severe complication of arthroplasty. The widely accepted treatment standard for PJI is a two-stage revision arthroplasty involving the articulating spacers. The implant surface provides an ideal environment for bacterial adhesion, facilitating mature biofilm formation. To prevent bacterial adhesion effectively, the surface of the implanted device must be modified with an efficient coating. The ability of a modified coating based on two-dimensional linear carbon chains (2D LCC) with silver (Ag) impregnation to inhibit biofilm formation and provide efficient bacterial eradication has been investigated in several experimental studies. However, there is a lack of publications on clinical studies evaluating the effectiveness of such coatings.

The aim of the study — to assess mid-term outcomes of knee and hip PJI treatment using spacers coated with two-dimensional linear carbon chains impregnated with silver.

Methods. This study is based on the results of the examination and two-stage revision arthroplasty of 144 patients with newly diagnosed knee and hip PJI. Patients were divided into two groups: the first (main) group received articulating spacers coated with 2D LCC+Ag, while the second (control) group received articulating spacers with antibiotics. Anamnestic, clinical, laboratory, microbiological, and statistical methods were used in this study. The evaluation of short-term results was performed using the KSS, Harris, VAS, and EQ-5D-5L scales at 3 months after surgery, and mid-term results were assessed at 2 years.

Results. The study confirmed the high antibiofilm activity and safety of spacers coated with 2D LCC+Ag. Both groups showed a reduction in inflammation markers during treatment. Before the second stage of treatment, both groups experienced a statistically significant decrease in CRP, procalcitonin, and presepsin levels, as well as synovial cytosis and neutrophil content. The frequency of recurrences after two-stage treatment was significantly lower in the first group compared to the second group. In the mid-term period, the first group had higher scores on the KSS and Harris scales by 20.5 and 7.0 points, respectively. Results on the EQ-5D-5L were 10/0.08 points higher, and the intensity of pain according to VAS was three times lower in the first group.

Conclusion. The use of spacers coated with 2D LCC+Ag allows for a faster resolution of the inflammatory process, reduces the incidence of PJI recurrences, and predicts active protection of the implant surface from microbial colonization and biofilm formation. This, combined with antibiotic prophylaxis, provides a favorable therapeutic and preventive effect against PJI recurrence.

About the authors

Leonid I. Malyuchenko

Federal Center of Traumatology, Orthopedics and Arthroplasty (Cheboksary)

Author for correspondence.
Email: leonidmalyuchenko@icloud.com
ORCID iD: 0000-0003-4199-7954
Russian Federation, Cheboksary

Nikolay S. Nikolaev

Federal Center of Traumatology, Orthopedics and Arthroplasty (Cheboksary); Chuvash State University named after I.N. Ulyanov

Email: nikolaevns@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1560-470X

Dr. Sci. (Med.), Professor

Russian Federation, Cheboksary; Cheboksary

Vadim V. Yakovlev

Federal Center of Traumatology, Orthopedics and Arthroplasty (Cheboksary)

Email: yvv-doc@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-3467-1959
Russian Federation, Cheboksary

Elena V. Preobrazhenskaya

Federal Center of Traumatology, Orthopedics and Arthroplasty (Cheboksary)

Email: alenka_22@bk.ru
ORCID iD: 0000-0003-3556-145X
Russian Federation, Cheboksary

References

  1. Bilgen S., Eken G. Surgical site infection after total knee arthroplasty: a descriptive study. Int Multispecialty J Heal. 2016;2(2). Available from: https://www.researchgate.net/publication/301520334_Surgical_Site_Infection_After_Total_Knee_Arthroplasty_A_Descriptive_Study.
  2. NiemeläInen M.J., MäKelä K.T., Robertsson O., W-Dahl A., Furnes O., Fenstad A.M. et al. Different incidences of knee arthroplasty in the Nordic countries. Acta Orthop. 2017;88(2):173-178. doi: 10.1080/17453674.2016.1275200.
  3. Tande A.J., Patel R. Prosthetic joint infection. Clin Microbiol Rev. 2014;27(2):302-345. doi: 10.1128/CMR.00111-13.
  4. Fuchs M., von Roth P., Pfitzner T., Kopf S., Sass F.A., Hommel H. Contamination of irrigation fluid during primary total knee arthroplasty. J Am Acad Orthop Surg Glob Res Rev. 2018;2(5):e027. doi: 10.5435/JAAOSGlobal-D-17-00027.
  5. Grammatopoulos G., Kendrick B., McNally M., Athanasou N.A., Atkins B., McLardy-Smith P. et al. Outcome Following Debridement, Antibiotics, and Implant Retention in Hip Periprosthetic Joint Infection-An 18-Year Experience. J Arthroplasty. 2017;32(7):2248-2255. doi: 10.1016/j.arth.2017.02.066.
  6. Jhan S.W., Lu Y.D., Lee M.S., Lee C.H., Wang J.W., Kuo F.C. The risk factors of failed reimplantation arthroplasty for periprosthetic hip infection. BMC Musculoskelet Disord. 2017;18(1):255. doi: 10.1186/s12891-017-1622-1.
  7. Akgün D., Müller M., Perka C., Winkler T. An often-unrecognized entity as cause of recurrent infection after successfully treated two-stage exchange arthroplasty: hematogenous infection. Arch Orthop Trauma Surg. 2018;138(9):1199-1206. doi: 10.1007/s00402-018-2972-3.
  8. Koseki H., Yonekura A., Shida T., Yoda I., Horiuchi H., Morinaga Y. et al. Early staphylococcal biofilm formation on solid orthopaedic implant materials: in vitro study. PLoS One. 2014;9(10):e107588. doi: 10.1371/journal.pone.0107588.
  9. Zimmerli W., Moser C. Pathogenesis and treatment concepts of orthopaedic biofilm infections. FEMS Immunol Med Microbiol. 2012;65(2):158-168. doi: 10.1111/j.1574-695X.2012.00938.x.
  10. Шпиняк С.П., Барабаш А.П., Лясникова А.В. Применение спейсеров в лечении инфекционных осложнений тотального эндопротезирования коленного сустава. Современные проблемы науки и образования. 2015;5. Режим доступа: https://science-education.ru/ru/article/view?id=21443. (дата обращения: 22.03.2023). Shpinyak S.P., Barabash A.P., Lyasnikova A.V. The use of spacers in the treatment of infectious complications of total knee arthroplasty. Modern problems of science and education.2015;5. (In Russian). Available from: https://science-education.ru/ru/article/view?id=21443. (date of the application: 22.03.2023).
  11. Комаров Р.Н., Новиков А.В., Митрофанов В.Н., Акулов М.М., Корыткин А.А. Применение спейсеров в лечении периимплантной инфекции после эндопротезирования тазобедренного сустава. Современные проблемы науки и образования. 2014;5. Режим доступа: https://science-education.ru/ru/article/view?id=14954. (дата обращения: 22.03.2023). Komarov R.N., Novikov A.V., Mitrofanov V.N., Akulov M.M., Korytkin A.A. The use of spacers during peri-implant infection after hip arthroplasty. Modern problems of science and education. 2014;5. (In Russian). Available from: https://science-education.ru/ru/article/view?id=14954. (date of the application: 22.03.2023).
  12. Leung D., Spratt D.A., Pratten J., Gulabivala K., Mordan N.J., Young A.M. Chlorhexidine-releasing methacrylate dental composite materials. Biomaterials. 2005;26(34):7145-7153. doi: 10.1016/j.biomaterials.2005.05.014.
  13. Evans A., Kavanagh K.A. Evaluation of metal-based antimicrobial compounds for the treatment of bacterial pathogens. J Med Microbiol. 2021;70(5):001363. doi: 10.1099/jmm.0.001363.
  14. Ермаков А.М., Клюшин Н.М., Абабков Ю.В., Тряпичников А.С., Коюшков А.Н. Одноэтапное ревизионное эндопротезирование при лечении перипротезной инфекции тазобедренного сустава. Гений ортопедии. 2019;25(2):172-179. doi: 10.18019/1028-4427-2019-25-2-172-179. Ermakov A.M., Klyushin N.M., Ababkov Yu.V., Triapichnikov A.S., Koiushkov A.N. One-stage revision arthroplasty for management of periprosthetic hip infection. Genij Ortopedii. 2019;25(2):172-179. (In Russian). doi: 10.18019/1028-4427-2019-25-2-172-179.
  15. Kose N., Otuzbir A., Pekşen C., Kiremitçi A., Doğan A. A silver ion-doped calcium phosphate-based ceramic nanopowder-coated prosthesis increased infection resistance. Clin Orthop Relat Res. 2013;471(8):2532-2539. doi: 10.1007/s11999-013-2894-x.
  16. Arciola C.R., Campoccia D., Speziale P., Montanaro L., Costerton J.W. Biofilm formation in Staphylococcus implant infections. A review of molecular mechanisms and implications for biofilm-resistant materials. Biomaterials. 2012;33(26):5967-5982. doi: 10.1016/j.biomaterials.2012.05.031.
  17. Bazaka K., Jacob M.V., Crawford R.J., Ivanova E.P. Efficient surface modification of biomaterial to prevent biofilm formation and the attachment of microorganisms. Appl Microbiol Biotechnol. 2012;95: 299-311. doi: 10.1007/s00253-012-4144-7.
  18. Grill A., Meyerson B.S. Development and status of diamond-like carbon. In: Synthetic Diamond: Emerging CVD Science and Technology. Ed. by К.E. Spear, J.P. Dismukes. New York: Wiley; 1994. р. 91-141.
  19. Казбанов В.В., Баталов М.С., Вишневский А.А. Особенности биосовместимости и перспективы применения титановых имплантатов с алмазоподобными покрытиями на основе модифицированного углерода. Проблемы здоровья и экологии. 2015;(2):16-23. doi: 10.51523/2708-6011.2015-12-2-4. Kazbanov V.V., Batalov M.S., Vishnevsky A.A. The peculiarities of biocompatibility and potential applications of titanium implants with diamond-like coatings based on modified carbon. Health Ecology Issues. 2015;(2):16-23. (In Russian). doi: 10.51523/2708-6011.2015-12-2-4.
  20. Бабаев В.Г., Новиков Н.Д., Гусева М.Б., Хвостов В.В., Савченко Н.Ф., Коробова Ю.Г. и др. Пленки линейно-цепочечного углерода — упорядоченные ансамбли квантовых нитей — материал для наноэлектроники. Нанотехнологии: разработка, применение — XXI век. 2010;2(1):53-68. Babaev V.G., Novikov N.D., Guseva M.B., Khvostov V.V., Savchenko N.F., Korobova Yu.G. et al. Films of linear-chain carbon — ordered ensembles of quantum wires — material for nanoelectronics. Nanotechnology: development and applications — XXI century. 2010;2(41):53-68. (In Russian).
  21. Тапальский Д.В., Николаев Н.С., Овсянкин А.В., Кочаков В.Д., Головина Е.А., Матвеенков М.В. и др. Покрытия на основе двумерно упорядоченного линейно-цепочечного углерода для защиты титановых имплантатов от микробной колонизации. Травматология и ортопедия России. 2019;25(2):111-120. doi: 10.21823/2311-2905-2019-25-2-111-120. Tapal’skii D.V., Nikolaev N.S., Ovsyankin A.V., Kochakov V.D., Golovina E.A., Matveenkov M.V. et al. Coatings based on two-dimensionally ordered linear chain carbon for protection of titanium implants from microbial colonization. Traumatology and Orthopedics in Russia. 2019;25(2):111-120. (In Russian). doi: 10.21823/2311-2905-2019-25-2-111-120.
  22. Parvizi J., Gehrke T., Chen A.F. Proceedings of the International Consensus on Periprosthetic Joint Infection. Bone Joint J. 2013;95-B(11):1450-1452. doi: 10.1302/0301-620X.95B11.33135.
  23. Fiore M., Sambri A., Zucchini R. et al. Silver-coated megaprosthesis in prevention and treatment of periprosthetic infections: a systematic review and meta-analysis about efficacy and toxicity in primary and revision surgery. Eur J Orthop Surg Traumatol. 2021;31:201-220. doi: 10.1007/s00590-020-02779-z.
  24. Павлов В.В., Петрова Н.В., Шералиев Т.У. Среднесрочные результаты двухэтапного лечения перипротезной инфекции. Травматология и ортопедия России. 2019;25(4):109-116. doi: 10.21823/2311-2905-2019-25-4-109-116. Pavlov V.V., Petrova N.V., Sheraliev T.U. Two-stage treatment of periprostetic infection: mid-term results. Traumatology and Orthopedics of Russia. 2019;25(4):109-116. (In Russian). doi: 10.21823/2311-2905-2019-25-4-109-116.
  25. Иванцов В.А., Лашковский В.В., Богданович И.П., Лазаревич С.Н. Лечение глубокой перипротезной инфекции коленного сустава. Журнал Гродненского государственного медицинского университета. 2018; 16(1):96-100. doi: 10.25298/2221-8785-2018-16-1-96-100. Ivantsov V.A., Lashkovsky V.V, Bogdanovich I.P, Lazarevich S.N. Treatment of deep periprosthetic infection of knee joint. Journal of the Grodno State Medical University. 2018;16(1):96-100. doi: 10.25298/2221-8785-2018-16-1-96-100.
  26. Schwolow F., Füchtmeier B., Müller F. Factors associated with infection recurrence after two-stage exchange for periprosthetic hip infection. Int Orthop. 2022;46(5): 953-961. doi: 10.1007/s00264-022-05333-0.
  27. Steinicke A.C., Schwarze J., Gosheger G., Moellenbeck B., Ackmann T., Theil C. Repeat two-stage exchange arthroplasty for recurrent periprosthetic hip or knee infection: what are the chances for success? Arch Orthop Trauma Surg. 2023;143(4):1731-1740. doi: 10.1007/s00402-021-04330-z.
  28. Shirai T., Tsuchiya H., Terauchi R., Tsuchida S., Mizoshiri N., Mori Y. et al. A retrospective study of antibacterial iodine-coated implants for postoperative infection. Medicine (Baltimore). 2019;98(45):e17932. doi: 10.1097/MD.0000000000017932.
  29. Kim D.Y., Seo Y.C., Kim C.W., Lee C.R., Jung S.H. Factors affecting range of motion following two-stage revision arthroplasty for chronic periprosthetic knee infection. Knee Surg Relat Res. 2022;34(1):33. doi: 10.1186/s43019-022-00162-2.
  30. Golgelioglu F., Oguzkaya S., Misir A., Guney A. The effect of time spent with a dynamic spacer on clinical and functional outcomes in two-stage revision knee arthroplasty. Indian J Orthop. 2020;54(6):824-830. doi: 10.1007/s43465-020-00247-8.
  31. Cahill J.L., Shadbolt B., Scarvell J.M., Smith P.N. Quality of life after infection in total joint replacement. J Orthop Surg (Hong Kong). 2008;16(1):58-65. doi: 10.1177/230949900801600115.
  32. Poulsen N.R., Mechlenburg I., Søballe K., Lange J. Patient-reported quality of life and hip function after 2-stage revision of chronic periprosthetic hip joint infection: a cross-sectional study. Hip Int. 2018;28(4):407-414. doi: 10.5301/hipint.5000584.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Study flowchart

Download (129KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 Eco-Vector

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».