Системи доставки антибактеріальних агентів з альгінатом натрію для ортопедії та травматології: систематичний огляд

Abstract

Objective. To systematize studies on the use of sodium alginate (Alg) as a carrier for antibacterial agents (AAs) in titanium implant systems and bone infection models. Methods. A search for original studies published in English between 2014 and 2026 was conducted in Web of Science, Scopus, PubMed, and Google Scholar. The inclusion criteria were studies in which Alg was incorporated into an AA delivery system combined with a titanium substrate or evaluated in a bone infection model. Results. Nineteen studies were included (all with in vitro design): 10 combined in vitro and in vivo designs, 2 were ex vivo studies, and 1 used all three approaches. Alg-based systems were predominantly coatings (n = 13), and less frequently hydrogels (n = 4) or scaffolds (n = 2). The AAs included antibiotics (n = 9), metal ions (n = 4), biological antibacterial agents (n = 3), chlorhexidine (n = 2), and combined approaches (n = 2). Among the 13 publications using different forms of titanium substrates (pure titanium (n = 6), TiO2 (n = 5), Ti-6Al-4V alloy (n = 1), and Ti-NH2 discs (n = 1)), Alg was predominantly used to produce multilayer coatings (n = 8), half of which contained antibiotics. An initial burst release of AAs during the first 24 h was reported in 8 of 19 studies (26–40%); however, only two studies assessed whether the released concentrations corresponded to the minimum inhibitory concentration. The release rate of AAs was pH-dependent: an alkaline environment promoted faster release of teicoplanin, whereas zinc ions and chlorhexidine were released under acidic conditions. All Alg-based systems containing antibiotics were effective against S. aureus; two systems containing teicoplanin or vancomycin were also effective against MRSA and MSSA. Alg-based systems containing metal ions or chlorhexidine also demonstrated activity against MRSA, MRSE, E. coli, S. epidermidis, and A. baumannii. Conclusions. The antibacterial efficacy of alginate-based systems under preclinical conditions has been demonstrated predominantly in vitro. However, their activity in vivo in models of acute bone infection and chronic osteomyelitis supports further investigation of their integration with 3D-printed titanium implants.

Мета. Систематизувати дослідження щодо використання альгінату натрію (Alg) як носія антибактеріальних агентів (АА) у структурі титанових імплантатів та в моделях кісткової інфекції. Методи. Пошук оригінальних досліджень опублікованих у 2014–2026 р. англійською мовою проведено у Web of Science, Scopus, PubMed, GoogleScholar. Критерії включення: статті, де Alg був у складі системи доставки АА в поєднанні з титановим носієм або в моделі кісткової інфекції. Результати. Відібрано 19 досліджень, за дизайном in vitro, з них 10 — поєднували in vitro та in vivo, 2 — ex vivo, 1 — всі три варіанти. Системи з Alg переважно були покриттями (n = 13), рідше г ідрогелем ( n = 4 ) а бо к аркасом ( n = 2 ). Як АА, крім антибіотиків (n = 9), а втори використовували іони металів (n = 4), біологічні АА (n = 3), хлоргексидин (n = 2), та комбіновані підходи (n = 2). У 13 публікаціях, де були використані різні форми титанового субстрату (чистий (n = 6), з TiO2 (n = 5), сплав Ti-6Al-4V (n = 1), Ti-NH2 д иски (n = 1)), Alg переважно застовували для створення багатошарових покриттів (n = 8), половина з них містила антибіотики. У 8 з 19 статей було вибухове вивільнення АА в першу добу (26– 40 %), лише у двох перевірено відповідність мінімальної інгібуючої концентрації. Швидкість вивільнення АА залежала від рН: лужне середовище сприяло швидшому вивільненню тейкопланіна, а в кислому — вивільнялися іони цинку та хлоргексидин. Усі системи з Alg та антибіотиками були ефективні проти S. aureus, дві з них із тейкопланіном або ванкоміцином — проти MRSA, MSSA. Системи з Alg та іонами металів або хлоргексидином також показали ефективність проти MRSA, MRSE, E. coli, S. epidermidis, A. baumannii. Висновки. Антибактеріальна ефективність альгінатних систем у доклінічних умовах підтверджена переважно in vitro, але їх дія в in vivo умовах у моделях гострої кісткової інфекції та хронічного остеомієліту є підставою для їх подальших досліджень їхнього поєднання з титановими 3D-друкованими імплантатами.