Ulyanovsk Medico-biological Journal

CLINICAL MEDICINE

Download article

DOI 10.34014/2227-1848-2022-1-56-64

STUDY OF PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF POLYMER-IMPREGNATED COMPOSITION IN CLINICAL PURULENT OSTEOLOGY

I.M. Efremov, V.I. Midlenko

Ulyanovsk State University, Ulyanovsk, Russia

 

Bone cement, or PMMA (polymethyl methacrylate) is often used in purulent surgery. Scientific literature contains very contradictory data on the physical and mechanical properties of polymer-impregnated compositions, in particular, on the temperature of the PMMA polymerization process and the ways to reduce it, such as introduction of antimicrobial drugs for prevention and treatment of infectious complications in patients after injuries and musculoskeletal surgery.

The aim of the study is to conduct an in vitro experiment and to evaluate the temperature of the exothermic polymerization reaction of bone cement (PMMA) and possible ways to reduce it.

Materials and Methods. The authors conducted 8 series of experiments in vitro. In each series, a disk (45–50 mm in diameter, 5–7 mm thick) was made by hand after mixing the components of the polymer composition. The temperature of the ongoing exothermic reaction was measured on the disk surface using a non-contact infrared thermometer ADA TemPro 300 in a continuous scanning mode.

Results. The temperature of the exothermic polymerization reaction of PMMA Synicem 1-based bone cement was 92.8±1.6 °C (min 91.2 °C, max 94.9 °C), and Palacos®MV+G-based bone cement 92.7±1.2 °С (min 91.1 °C, max 93.8 °C). Reducing the monomer amount by 50 % (polymer / monomer ratio was equal to 4:1) and simultaneously introducing “Sextaphage” (10 ml) led to a sharp temperature decrease of the exothermic reaction by more than 30 °C.

Conclusions. One of the ways to reduce the temperature of the exothermic reaction in vitro is to change the ratio of polymer powder and liquid monomer, reducing the amount of monomer introduced into the polymer composition.

Key words: bone cement, bacteriophages, polymethyl methacrylate, exothermic reaction.

 

References

  1. Kuropatkin G.V., Akhtyamov I.F. Kostnyy tsement v travmatologii i ortopedii [Bone cement in traumatology and orthopedics]. 2-e izd., dop. i pererab. Kazan'; 2014. 188 (in Russian).

  2. Efimenko N.A., Gritsyuk A.A., Sereda A.P., Davydov D.V., Samoylov A.S. Profilaktika infektsiy oblasti khirurgicheskogo vmeshatel'stva v travmatologii i ortopedii: ispol'zovanie antibiotikov v kostnom tsemente [Prevention of surgical site infections in traumatology and orthopedics: Antibiotics in bone cement]. Infektsii v khirurgii. 2009; 2: 15–27 (in Russian).

  3. Ivanov P.A., Sokolov V.A., Byalik E.I., Didenko O.A., Nevedrov A.V. Primenenie intramedullyarnykh shtiftov s aktivnym antibakterial'nym pokrytiem pri lechenii tyazhelykh otkrytykh perelomov i ikh posledstviy [Intramedullary nails with an active antibacterial coating in the treatment of severe open fractures and their after-effects]. Vestnik travmatologii i ortopedii im. N.N. Priorova. 2009; 1: 13–18 (in Russian).

  4. Pakhomov I.A. Rekonstruktivno-plasticheskoe khirurgicheskoe lechenie khronicheskogo osteomielita pyatochnoy kosti, oslozhnennogo kollapsom myagkikh tkaney [Reconstructive and plastic surgical treatment of chronic calcaneal osteomyelitis complicated by soft tissue collapse]. Geniy ortopedii. 2011; 3: 28–32 (in Russian).

  5. Konev V.A., Bozhkova S.A., Netyl'ko G.I., Afanas'ev A.V., Rumakin V.P., Polyakova E.M., Rukina A.N., Parfeev D.G. Rezul'taty primeneniya fosfomitsina dlya impregnatsii osteozameshchayushchikh materialov pri lechenii khronicheskogo osteomielita [Results of fosfomycin application for impregnation of bone replacement materials in the treatment of chronic osteomyelitis]. Travmatologiya i ortopediya Rossii. 2016; 22 (2): 43–56. DOI: 10.21823/2311-2905-2016-0-2-43-56 (in Russian).

  6. Reinhard Schnettler, Hans-Ulrich Steinau. Septic Bone and Joint Surgery. 2010. 313.

  7. Komarov R.N., Mitrofanov V.N., Novikov A.V., Korolev S.B. Taktika lecheniya infektsionnykh oslozhneniy posle endoprotezirovaniya tazobedrennogo sustava [Treatment of infectious complications after hip replacement]. Travmatologiya i ortopediya Rossii. 2016; 22 (4): 25–34. DOI: 10.21823/2311-2905-2016-22-4-25-34 (in Russian).

  8. Pavlov V.V., Sadovoy M.A., Prokhorenko V.M. Sovremennye aspekty diagnostiki i khirurgicheskogo lecheniya patsientov s periproteznoy infektsiey tazobedrennogo sustava (obzor literatury) [Modern aspects of diagnostic and surgical treatment of patients with hip periprosthetic infection (review)]. Travmatologiya i ortopediya Rossii. 2015; 1: 116–128. DOI: 10.21823/2311-2905-2015-0-1-116-128 (in Russia).

  9. Preobrazhenskiy P.M., Bozhkova S.A., Kazemirskiy A.V., Goncharov M.Yu. Rezul'taty etapnogo lecheniya patsientov s periproteznoy infektsiey posle endoprotezirovaniya kolennogo sustava [Results of two-staged reimplementation in patients with periprosthetic joint infection after knee arthroplasty]. Travmatologiya i ortopediya Rossii. 2017; 23 (1): 98–107. DOI: 10.21823/2311-2905-2017-23-1-98-107 (in Russian).

  10. Bozhkova S.A., Novokshonova A.A., Konev V.A. Sovremennye vozmozhnosti lokal'noy antibiotikoterapii periproteznoy infektsii i osteomielita (obzor literatury) [Current trends in local antibacterial therapy of periprosthetic infection and osteomyelitis (review)]. Travmatologiya i ortopediya Rossii. 2015; 3 (77): 92–107. DOI: 10.21823/2311-2905-2015-0-3-92-107 (in Russian).

  11. Grigoricheva L.G., red. Infektsii oporno-dvigatel'nogo apparata. Osnovnye printsipy, profilaktika, diagnostika i lechenie [Infections of the musculoskeletal system. Basic principles, prevention, diagnosis and treatment]. Barnaul; 2017. 250 (in Russian).

  12. Tikhilov R.M., Shapovalov V.M. Rukovodstvo po endoprotezirovaniyu tazobedrennogo sustava [Guidelines for hip arthroplasty]. St. Petersburg: RNIITO im. R.R. Vredena; 2008. 324 (in Russian).

  13. Zagorodniy N.V. Endoprotezirovanie tazobedrennogo sustava. Osnovy i praktika: rukovodstvo [Endoprosthetics of the hip joint. Fundamentals and practice: Manual]. Moscow: GEOTAR-Media; 2012. 704 (in Russian).

  14. Loskutov A.E., Vasil'chenko E.V. Kostnyy tsement v endoprotezirovanii tazobedrennogo sustava (obzor literatury) [Bone cement in hip arthroplasty (review)]. Lіtopis travmotologії ta ortopedії. 2013; 1-2: 25–26 (in Russian).

  15. Samokhin A.G., Kozlova Yu.N., Korneev D.V., Taranov O.S., Fedorov E.A., Pavlov V.V., Morozova V.V., Tikunova N.V. Eksperimental'noe issledovanie antibakterial'noy aktivnosti liticheskogo stafilokokkovogo bakteriofaga ph20 i liticheskogo bakteriofaga sinegnoynoy palochki ph57 pri modelirovanii ikh impregnatsii v ortopedicheskie polimernye konstruktsii iz polimetilmetakrilata (kostnogo tsementa) [Experimental study of the antibacterial activity of lytic staphylococcal aureus bacteriophage ph20 and lytic pseudomonas aeruginosa bacteriophage ph57 when modeling impregnation into poly (methylmetacrylate) orthopedic implants (bone cement)]. Vestnik Rossiyskoy akademii meditsinskikh nauk. 2018: 73 (1): 59–68. DOI: 10.15690/vramn905 (in Russian).

  16. Voznesenskiy N.K., Bogdanov V.N., Dorokhovich S.D., Zabaryanskiy Yu.G., Kurachenko Yu.A., Matusevich E.S., Levchenko V.A., Mardynskiy Yu.S., Voznesenskaya N.N. Modelirovanie temperaturnykh poley v kostnoy tkani pozvonkov pri stabiliziruyushchey vertebroplastike [Modeling of temperature fields in vertebrae bone tissue under stabilizing vertebroplasty]. Radiatsionnaya onkologiya i yadernaya meditsina. 2012; 2: 37–45 (in Russian).

  17. Tikhilova R.M., Bozhkovoy S.A., Shubnyakova I.I., red. Materialy Vtoroy Mezhdunarodnoy soglasitel'noy konferentsii po skeletno-myshechnoy infektsii [Proceedings of the 2nd International Conference on Musculoskeletal Infection]. St. Petersburg: RNIITO im. R.R. Vredena; 2019. 314 (in Russian).

  18. Bozhkova S.A., Polyakova E.M., Afanas'ev A.V., Labutin D.V., Vaganov G.V., Yudin V.E. Fosfomitsin – vozmozhnosti primeneniya dlya lokal'noy terapii periproteznoy infektsii [Fosfomycin: Application for local therapy of periprosthetic infection]. Klinicheskaya mikrobiologiya i antimikrobnaya khimioterapiya. 2016; 18 (3): 104–112 (in Russian).

Received 01 October 2021; accepted 03 February 2022.

 

Information about the authors

Efremov Ivan Mikhaylovich, Candidate of Sciences (Medicine), Associate Professor, Chair of Hospital Surgery, Anesthesiology, Resuscitation, Urology, Traumatology and Orthopedics, Ulyanovsk State University. 432017, Russia, Ulyanovsk, L. Tolstoy St., 42; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0002-4625-8424

Midlenko Vladimir Il'ich, Doctor of Sciences (Medicine), Professor, Head of the Chair of Hospital Surgery, Anesthesiology, Resuscitation, Urology, Traumatology and Orthopedics, Ulyanovsk State University. 432017, Russia, Ulyanovsk, L. Tolstoy St., 42; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: http://orcid.org/0000-0003-4358-8484

 

For citation

Efremov I.M., Midlenko V.I. Issledovanie fiziko-mekhanicheskikh svoystv impregnirovannoy polimernoy kompozitsii v aspekte klinicheskogo primeneniya v gnoynoy osteologii [Study of physical and mechanical properties of polymer-impregnated composition in clinical purulent osteology]. Ul'yanovskiy mediko-biologicheskiy zhurnal. 2022; 1: 56–64. DOI: 10.34014/2227-1848-2022-1-56-64 (in Russian).

 

Скачать статью

УДК 617-089.844

DOI 10.34014/2227-1848-2022-1-56-64

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ИМПРЕГНИРОВАННОЙ ПОЛИМЕРНОЙ КОМПОЗИЦИИ В АСПЕКТЕ КЛИНИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ В ГНОЙНОЙ ОСТЕОЛОГИИ

И.М. Ефремов, В.И. Мидленко

ФГБОУ ВО «Ульяновский государственный университет», г. Ульяновск, Россия

 

В области гнойной хирургии использование костного цемента на основе полиметилметакрилата (ПММА) является общепризнанным. В научной литературе содержатся весьма противоречивые данные о физико-механических свойствах импрегнированной полимерной композиции, в частности о температуре процесса полимеризации ПММА и путях ее снижения, в т.ч. за счет введения антимикробных препаратов для профилактики и лечения инфекционных осложнений у пациентов после травм и оперативных вмешательств на опорно-двигательном аппарате.

Цель исследования: оценить в эксперименте in vitro температуру экзотермической реакции полимеризации костного цемента на основе ПММА и возможные пути ее снижения.

Материалы и методы. Выполнено 8 серий опытов in vitro. В каждой серии после смешивания компонентов полимерной композиции изготавливали вручную диск диаметром 45–50 мм, толщиной 5–7 мм. Измерение температуры протекающей экзотермической реакции проводили на поверхности диска при помощи бесконтактного инфракрасного термометра ADA TemPro 300 в режиме постоянного сканирования.

Результаты. Температура экзотермической реакции полимеризации костного цемента на основе ПММА Synicem 1 составила 92,8±1,6 °С (min – 91,2 °C, max – 94,9 °C), а на основе Palacos®MV+G – 92,7±1,2 °С (min – 91,1 °C, max – 93,8 °C). Уменьшение количества мономера до 50 % от исходного значения (соотношение полимера и мономера 4:1) с одновременным добавлением препарата «Секстафаг» (10 мл) привело к резкому снижению температуры экзотермической реакции более чем на 30 °С.

Выводы. Одним из способов уменьшения температуры экзотермической реакции in vitro является изменение соотношения порошка полимера и жидкого мономера в сторону уменьшения количества вводимого в состав полимерной композиции мономера.

Ключевые слова: костный цемент, бактериофаги, полиметилметакрилат, экзотермическая реакция.

 

Литература

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

  2. Ефименко Н.А., Грицюк А.А., Середа А.П., Давыдов Д.В., Самойлов А.С. Профилактика инфекций области хирургического вмешательства в травматологии и ортопедии: использование антибиотиков в костном цементе. Инфекции в хирургии. 2009; 2: 15–27.

  3. Иванов П.А., Соколов В.А., Бялик Е.И., Диденко О.А., Неведров А.В. Применение интрамедуллярных штифтов с активным антибактериальным покрытием при лечении тяжелых открытых переломов и их последствий. Вестник травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова. 2009; 1: 13–18.

  4. Пахомов И.А. Реконструктивно-пластическое хирургическое лечение хронического остеомиелита пяточной кости, осложненного коллапсом мягких тканей. Гений ортопедии. 2011; 3: 28–32.

  5. Конев В.А., Божкова С.А., Нетылько Г.И., Афанасьев А.В., Румакин В.П., Полякова Е.М., Рукина А.Н., Парфеев Д.Г. Результаты применения фосфомицина для импрегнации остеозамещающих материалов при лечении хронического остеомиелита. Травматология и ортопедия России. 2016; 22 (2): 43–56. DOI: 10.21823/2311-2905-2016-0-2-43-56.

  6. Reinhard Schnettler, Hans-Ulrich Steinau. Septic Bone and Joint Surgery. 2010. 313.

  7. Комаров Р.Н., Митрофанов В.Н., Новиков А.В., Королев С.Б. Тактика лечения инфекционных осложнений после эндопротезирования тазобедренного сустава. Травматология и ортопедия России. 2016; 22 (4): 25–34. DOI: 10.21823/2311-2905-2016-22-4-25-34.

  8. Павлов В.В., Садовой М.А., Прохоренко В.М. Современные аспекты диагностики и хирургического лечения пациентов с перипротезной инфекцией тазобедренного сустава (обзор литературы). Травматология и ортопедия России. 2015; 1: 116–128. DOI: 10.21823/2311-2905-2015-0-1-116-128.

  9. Преображенский П.М., Божкова С.А., Каземирский А.В., Гончаров М.Ю. Результаты этапного лечения пациентов с перипротезной инфекцией после эндопротезирования коленного сустава. Травматология и ортопедия России. 2017; 23 (1): 98–107. DOI: 10.21823/2311-2905-2017-23-1-98-107.

  10. Божкова С.А., Новокшонова А.А., Конев В.А. Современные возможности локальной антибиотикотерапии перипротезной инфекции и остеомиелита (обзор литературы). Травматология и ортопедия России. 2015; 3 (77): 92–107. DOI: 10.21823/2311-2905-2015-0-3-92-107.

  11. Григоричева Л.Г., ред. Инфекции опорно-двигательного аппарата. Основные принципы, профилактика, диагностика и лечение. Барнаул; 2017. 250.

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

  13. Загородний Н.В. Эндопротезирование тазобедренного сустава. Основы и практика: руководство. М.: ГЭОТАР-Медиа; 2012. 704.

  14. Лоскутов А.Е., Васильченко Е.В. Костный цемент в эндопротезировании тазобедренного сустава (обзор литературы). Літопис травмотології та ортопедії. 2013; 1-2: 25–26.

  15. Самохин А.Г., Козлова Ю.Н., Корнеев Д.В., Таранов О.С., Федоров Е.А., Павлов В.В., Морозова В.В., Тикунова Н.В. Экспериментальное исследование антибактериальной активности литического стафилококкового бактериофага ph20 и литического бактериофага синегнойной палочки ph57 при моделировании их импрегнации в ортопедические полимерные конструкции из полиметилметакрилата (костного цемента). Вестник Российской академии медицинских наук. 2018: 73 (1): 59–68. DOI: 10.15690/vramn905.

  16. Вознесенский Н.К., Богданов В.Н., Дорохович С.Д., Забарянский Ю.Г., Кураченко Ю.А., Матусевич Е.С., Левченко В.А., Мардынский Ю.С., Вознесенская Н.Н. Моделирование температурных полей в костной ткани позвонков при стабилизирующей вертебропластике. Радиационная онкология и ядерная медицина. 2012; 2: 37–45.

  17. Тихилова Р.М., Божковой С.А., Шубнякова И.И., ред. Материалы Второй Международной согласительной конференции по скелетно-мышечной инфекции. СПб.: РНИИТО им. Р.Р. Вредена; 2019. 314.

  18. Божкова С.А., Полякова Е.М., Афанасьев А.В., Лабутин Д.В., Ваганов Г.В., Юдин В.Е. Фосфомицин – возможности применения для локальной терапии перипротезной инфекции. Клиническая микробиология и антимикробная химиотерапия. 2016; 18 (3): 104–112.

Поступила в редакцию 01.10.2021; принята 03.02.2022.

 

Авторский коллектив

Ефремов Иван Михайлович – кандидат медицинских наук, доцент кафедры госпитальной хирургии, анестезиологии, реаниматологии, урологии, травматологии и ортопедии, ФГБОУ ВО «Ульяновский государственный университет». 432017, Россия, г. Ульяновск, ул. Л. Толстого, 42; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0002-4625-8424

Мидленко Владимир Ильич – доктор медицинских наук, профессор, заведующий кафедрой госпитальной хирургии, анестезиологии, реаниматологии, урологии, травматологии и ортопедии, ФГБОУ ВО «Ульяновский государственный университет». 432017, Россия, г. Ульяновск, ул. Л. Толстого, 42; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: http://orcid.org/0000-0003-4358-8484

 

Образец цитирования

Ефремов И.М., Мидленко В.И. Исследование физико-механических свойств импрегнированной полимерной композиции в аспекте клинического применения в гнойной остеологии. Ульяновский медико-биологический журнал. 2022; 1: 56–64. DOI: 10.34014/2227-1848-2022-1-56-64.