How Does Hydrogen Peroxide Application to the Wound Following Surgical Incision Affect C. Acnes Cultures in Primary Shoulder Arthroplasty?
Phase: NA
Conditions: Primary Anatomic or Reverse Total Shoulder Arthroplasty
Sponsor: University of Florida

PI Version:  2/25/21 
1 
Protocol 
 
   
1. Project Title:   
How does Hydrogen Peroxide Application to the Wound Following Surgical Incision Affect C. 
Acnes Cultures in Primary Shoulder Arthroplasty? 
 
 
2. Investigators: 
Thomas Wright, MD 
Kevin Farmer, MD 
Joseph King, MD 
Jonathan Wright, MD 
Alaina Ritter, MD 
 
 
3. Abstract: 
 
Cutibacterium acnes has been the focus of much recent shoulder literature, as it has been 
found to be both a common cause of periprosthetic joint infection as well as a common 
contaminant  in  shoulder  surgery.    Standard  skin  preparations  have  been  found  to  be 
ineffective  at  eradicating  C.  acnes  colonization  on  the  skin  and  deep  dermis  of  patients 
undergoing surgery.  Recent literature has shown that skin preparation with 3% hydrogen 
peroxide solution is effective for decreasing the rate of cultures positive for C. acnes in both 
dermal  and  deep  cultures;  however,  a  positive  rate  of  10%‐17%  has  still  been  reported 
despite this skin preparation.  The current theory is that standard skin preparation does not 
remove C. acnes from the deep dermis which subsequently contaminates the deep tissue.  
We  hypothesize  that  application  of  3%  hydrogen  peroxide  to  the  deep  dermal  layer 
immediately  following  the  skin  incision  will  even  further  decrease  the  rate  of  C.  acnes 
contamination during surgery. 
 
 
4. Background and Significance: 
 
Over 50,000 people in the United States have shoulder replacement surgery each year.  Of 
these, it is reported that 0.4%‐2.9% of anatomic total shoulder arthroplasties (aTSA) and 1‐
10%  of  reverse  shoulder  arthroplasties  (rTSA)  are  complicated  by  periprosthetic  joint 
infection (PJI).1,2 
 
Cutibacterium Acnes (C. acnes), an indolent organism found on the skin and in the sebaceous 
glands  around  the  shoulder  and  back,  makes  the  diagnosis  of  shoulder  PJI  particularly 
challenging.  Multiple studies have shown that C. acnes can be isolated from deep cultures in 
up to 40% of patients without prior surgery undergoing primary total shoulder arthroplasty,3 
although whether this indicates actual colonization of the joint or contamination is an area 

PI Version:  2/25/21 
2 
of debate.  Regardless of the source of the bacteria, the fact that it was found in the joint 
prior to implantation of a shoulder arthroplasty is concerning from the viewpoint of PJI risk.  
This is particularly a problem in male patients, as studies have shown a sexual dimorphism 
with C. acnes cultures, with males having a 14‐fold increased risk of being colonized by the 
bacteria.4,5  Several centers have evaluated the possibility of the bacteria being present due 
to contamination from the skin edges, and it has been shown that standard skin preparation 
is unable to clear C. acnes from the skin in up to 50% of patients6 and is even less successful 
at clearing the organism from the deep dermis, with up to 73% of dermal swabs from male 
patients immediately following the incision culturing positive for C. acnes.5,7 
 
A recent development in shoulder surgery is the use of hydrogen peroxide to decrease the C. 
acnes  load  in  the  deep  dermis  sebaceous  glands,  with  the  hope  that  this  will  prevent 
contamination  of  the  joint.    Application  of  a  widely  commercially‐available  3%  topical 
Hydrogen peroxide in water solution in vitro has been found to completely eradicate C. acnes 
growth within 5 minutes8 and has been shown in clinical trials when used as part of the skin 
preparation to decrease the rate of positive cultures for C. acnes from 35% to 10% for deep 
cultures9 and from 34% to 17% for superficial dermal cultures.10  While these results show 
marked improvement compared to standard skin preparations, the 17% with positive dermal 
cultures is still concerning given the significant morbidity associated with a PJI. 
 
Our hypothesis is that an additional application of hydrogen peroxide to the dermis itself, 
immediately  following  the  skin  incision,  will  be  even  more  effective  at  eradicating  this 
potential source of contamination deep in the joint. 
 
 
5. Specific Aims: 
 
Specific Aim 1: Evaluate whether the hydrogen peroxide (H2O2) applied directly to the dermal 
tissue after the skin incision decreases the rate of dermal swabs positive for C. acnes. 
 
Summary:    Following  our  standard  protocols  for  skin  preparation  (which  includes  an 
application of 3% H2O2, alcohol, and then Chloraprep in sequence) and draping (with Ioban 
applied over the skin), we will start the procedure as normal.  The skin incision will be made 
in standard fashion, and the knife used will be removed from the surgical field.  For the 
experimental cohort, a lap sponge soaked in 3% H2O2 will be applied to the incision and 
allowed to sit for 3 minutes.  Following the 3 minutes, the sponge will be removed, the wound 
will be flushed with 100 mL of normal saline, and the exposed dermis will be swabbed and 
sent for culture.  In the control cohort, the dermis will be swabbed and sent for culture 
immediately after the skin incision is made and the knife is removed from the field. 
 
Hypothesis:    We  hypothesize  that  the  control  cohort  will  show  results  similarly  to  that 
published in the literature, with 35‐70% of the cultures positive whereas the experimental 
cohort will have a significantly decreased rate of positivity, close to the negative control rate, 
likely less than 10%. 

PI Version:  2/25/21 
3 
 
Specific Aim 2: Determine if H2O2 applied to the dermal tissue after skin incision will also 
decreases the rate of deep cultures of capsular tissue that are positive for C. acnes. 
 
Summary:  Following the procedure summarized for specific aim 1, the surgery will be carried 
out in a standard fashion in both cohorts.  Bone, capsule, and labral tissue from around the 
glenoid that is routinely excised during the surgical procedure will be collected and sent for 
culture as described below. 
 
Hypothesis:  If the H2O2 is successful at decreasing the amount of contamination present at 
the deep dermal tissue, the rate of deep cultures positive for C. acnes will also decrease, 
supporting  the  hypothesis  that  unexpected  positive  deep  cultures  in  primary  shoulder 
arthroplasty are likely associated with contamination from the skin edge rather than due to 
colonization of the arthritic joint. 
 
 
6. Research Plan: 
 
Subjects:  Once IRB approval has been obtained, up to 50 sequential male patients seen in 
the  Hand  &  Upper  Extremity  and  Sports  Divisions  in  the  Department  of  Orthopaedics  & 
Rehabilitation  who  meet  inclusion/exclusion  criteria  and  who  are  boarded  for  primary 
anatomic or reverse total shoulder arthroplasty will be recruited into the study.   
 
Inclusion Criteria: 
 Male patients, age 40‐90 
 Undergoing primary anatomic or reverse total shoulder arthroplasty for glenohumeral 
osteoarthritis or rotator cuff arthropathy 
 
Exclusion Criteria: 
 Prior arthroscopic or open shoulder surgery on the ipsilateral shoulder 
 Prior diagnosis of septic shoulder of the ipsilateral shoulder 
 Corticosteroid injection within 3 months of the procedure 
 Recently on antibiotics (within 2 weeks) prior to surgery  
 
Assuming a rate of dermal cultures positive for C. acnes in the control group of 60% and a 
false positive rate of 10%, power analysis calculations were performed and resulted in a 
sample size of 13 patients per cohort needed to obtain a β = 0.2 and an α = 0.05, for a total 
of 26 patients. 
 
Data Collection: Under an approved HIPAA waver, potential subjects will have their medical 
record and our clinical database reviewed by a member of the study staff.  The following data 
points and information be collected for later analysis: 
 Name 

PI Version:  2/25/21 
4 
 Medical Record Number 
 Date of Birth (to determine age) 
 Gender (to determine eligibility) 
 Diagnoses  
 Shoulder surgical history 
 Date of surgery 
 Laterality 
 Number of previous corticosteroid injections into the enrolled shoulder 
 Past medical history of an acne breakout on the back/shoulders 
 History of using prescription medications to treat acne 
 Current anticoagulant or immunomodulatory medications 
 
Additional data will be obtained during and after surgery: 
 Type of implant placed (anatomic or reverse shoulder arthroplasty) 
 Length of surgery  
 Surgical complications 
 Notes of difficulty obtaining the specified cultures   
 Notes of any need to extend the skin incision during the procedure 
 Postoperative wound complications 
 
Methods:    
Prior  to  surgery,  enrolled  subjects  will  be  asked  to  complete  a  short  medical  history 
questionnaire.  Subjects will then be randomized 1:1 into Experimental or Control cohorts. 
Randomization order will be determined by using a commercial random number generator 
that will be made into a log that will track group assignments.  Subjects will added to the 
randomization log once they have received their final surgical clearance and the surgery order 
is determined for their surgery date. The result of the randomization will be reported by a 
member of the study team to the surgeon on the day of surgery prior to the start of the first 
procedure.   
 
Following the standard protocol for skin preparation in shoulder arthroplasty surgery which 
includes an application of 3% H2O2 with gauze, isopropyl rubbing alcohol 70% USP with 
gauze, and then Chloraprep in sequence, and draping with Ioban applied over the skin, the 
procedure will start as normal.   
 
The skin incision will be made in standard fashion, and the knife used will be removed from 
the surgical field.  Next, for the Experimental cohort, a lap sponge soaked in 3% H2O2 will be 
applied to the incision and allowed to sit for 3 minutes.  Following the 3 minutes, the sponge 
will be removed, the wound will be flushed with 100 mL of normal saline, any brisk bleeding 
will be controlled with electrocautery, and then the exposed dermis will then be swabbed 
and sent for culture.  In the Control cohort, the dermis will be swabbed and sent for culture 
after the skin incision is made, the knife is removed from the field, and any brisk bleeding is 
controlled with electrocautery. 

PI Version:  2/25/21 
5 
 
Each  subject  will  have  the  following  cultures  taken  during  the  procedure,  using  clean 
instruments for each culture:  
1. Negative control:  Before draping the patient, a culture swab will be opened on the 
back  table  and  placed  in  the  culture  tube.    This  is  essential  to  evaluate  the  false 
positivity rate of our lab, as other studies have reported rates of sterile, negative 
control cultures having a 9% positivity rate.11 
2. Superficial  culture  #1:    Following  control  of  brisk  bleeding  with  electrocautery  as 
noted above, the exposed dermis will be swabbed (starting at the apex of the incision 
and going along the entire exposed dermis in a circular pattern twice). 
3. Deep culture #1:  Osteophytes are routinely removed from the humeral head after 
dislocation of the joint.  These will be crushed and sent for culture. 
4. Deep culture #2:  After exposure of the glenoid, the stump of the long head of the 
biceps tendon is routinely excised with a portion of the labrum.  We will do this in the 
normal fashion, and this tissue will be sent for culture. 
5. Deep culture #3:  Posterior and inferior labral tissue is also routinely excised and will 
be sent for culture following routine excision in the standard fashion. 
6. Superficial culture #2:  After the deltopectoral interval has been closed in standard 
fashion, the exposed dermis will again be swabbed as noted above. 
 
All cultures will be sent to the lab blinded, with only the subject number and above‐noted 
culture numbers reported to the lab rather than the location of each culture to avoid any 
potential bias regarding deep cultures and the negative control.  We will order the standard 
14‐day OR hardware culture (aerobic and anaerobic) that has been recently set up at the 
University of Florida, which follows the recommendations of the consensus definition for 
periprosthetic shoulder infection published in 2019.2   
 
Data Analysis:   
Descriptive statistics will be used to describe both the experimental and control cohort’s 
demographic characteristics. The two cohorts’ demographics and culture results will then be 
compared for differences with use of standard statistical tests appropriate for the data and 
study results.  The Student T‐test will be used for continuous variables and the Fisher Exact 
test will be used for the categorical variables.  Univariate analysis will be performed between 
the two groups given the small number of patients in each group and the randomized design 
of this study.   
 
Confidentiality: 
Once all subject data is collected and verified, subject PHI will be removed from the data 
sheet and the data will be maintained by using assigned research identification numbers that 
uniquely identify each individual. A separate key code will be kept until the end of the study. 
Dates will also be converted to time frames. Coded data will be stored in an Excel file on a 
password‐protected  encrypted  server  located  in  the  Department  of  Orthopaedics  and 

PI Version:  2/25/21 
6 
Rehabilitation.  Data  analysis  will  also  be  stored  on  this  server  with  only  the  study  team 
members having access to these files. Data will be used only in aggregate and no identifying 
characteristics of individuals will be published or presented. After the study is completed, the 
key  code  will  be  destroyed  and  local  data  will  be  stored  with  other  completed  research 
studies in a secured storage room until the appropriate time when the research files may be 
purged according to university policy.  
 
 
5. Possible Discomforts and Risks: 
 
The only additional risk is the possible effect that application of H2O2 could have on wound 
healing. While some studies have shown that low‐dose application of H2O2 to wounds can 
improve healing, there is some concern that the 3% H2O2 that will be used in this study is a 
high enough concentration that it can be detrimental to healing. This risk will be mitigated by 
rinsing  away  the  residual  H2O2  after  applying  it  for  3  minutes  to  the  deep  dermis. 
Additionally, we consider this risk to be low as we often apply 3% H2O2 to surgical sites during 
primary and revision shoulder arthroplasty procedures after implantation of the components 
already to decrease the C. acnes bacterial burden within the joint on a case‐by‐case basis.   
 
There will be no additional risk factors from culture techniques, and tissue that is routinely 
removed and discarded will be sent as the intraoperative deep cultures. 
 
Data Safety & Monitoring Plan: 
A Data and Safety Monitoring Plan (DSMP) will be implemented to ensure the safety of all 
participants involved in the study and to ensure the validity and integrity of the data. The 
Principal  Investigator,  with  the  advice  and  assistance  of  the  study  team,  will  monitor  all 
aspects of safety.  As part of standard of care, all patients undergoing shoulder arthroplasty 
receive  wound  education  as  part  of  their  discharge  instructions.  Patients  also  receive 
continuous monitoring of their wound at post‐operative Day 1 and at each clinic visit.  As part 
of the safety monitoring program for this study, subjects will have their wound evaluated for 
6 weeks post‐operatively to both assure real‐time participant care and unbiased monitoring 
of  adverse  outcomes.    Signs  of  delayed  wound  healing,  including  drainage,  erythema, 
induration, and wound dehiscence will be documented by the study team.  
 
The Study Coordinator will meet weekly with the PI to review all events related to the study.  
Reports of the event will include a description of the event, a classification of seriousness, 
assessment  of  potential  relationship  to  the  study,  assessment  of  need  for  change  in  the 
consent or the study activities, a summary of known prior health issues, event outcome and 
a classification of the main organ system involved. The classification of potential relationship 
to the intervention is as follows: 
 
 Definitely ‐ Temporal pattern + Known or expected AE response pattern  

PI Version:  2/25/21 
7 
 Possibly ‐ Temporal pattern + Known or expected AE response pattern + Could 
not have been produced by a number of other factors 
 Unlikely – No Temporal pattern + Known or no AE response pattern + Could 
have been produced by a number of other factors 
 Definitely Not ‐ AE for which sufficient information exists to indicate that the 
cause is unrelated to the study intervention 
 
Serious Adverse Events (SAE), as defined by the FDA, will be reviewed to determine their 
expectedness and relatedness to the study procedures.  Any SAE’s that are unexpected and 
related will be promptly reported to the IRB according to the guidelines outlined in the UF 
IRB‐01 "Reporting – Adverse Events, Unanticipated Problems Involving Risks to Subjects or 
Others, Protocol Deviations, and Other Problems".   All other events, including non‐serious 
events, will be tracked and monitored using the logs provided by the IRB.  A summary of these 
non‐serious  events  will  be  reported  to  the  PI  and  IRB.    All  events  will  be  assessed  and 
monitored by the study team until their conclusion. 
 
 
6. Possible Benefits: 
 
There will not be a benefit to study participants assigned to the Control group; however, those 
assigned to the Experimental group could see a benefit.  Our hypothesized benefit is that by 
eliminating C. acnes from the deep dermis sebaceous glands, we can lower the incidence of 
C.  acnes  being  seeded  into  the  joint  during  the  arthroplasty  procedure,  and,  therefore, 
decrease the risk of developing a periprosthetic joint infection.   
 
 
7. Conflict of Interest: 
 
None 
 
 
8. References:  
 
1.  
Cofield  RH,  Edgerton  BC.  Total  shoulder  arthroplasty:  complications  and  revision 
surgery. 
Instr 
Course 
Lect. 
1990;39:449‐462. 
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/2186136. 
2.  
Garrigues GE, Zmistowski B, Cooper AM, Green A, ICM Shoulder Group. Proceedings 
from the 2018 International Consensus Meeting on Orthopedic Infections: evaluation 
of  periprosthetic  shoulder  infection.  J  shoulder  Elb  Surg.  2019;28(6S):S32‐S66. 
doi:10.1016/j.jse.2019.04.016 
3.  
Levy O, Iyer S, Atoun E, et al. Propionibacterium acnes: an underestimated etiology in 
the  pathogenesis  of  osteoarthritis?  J  Shoulder  Elbow  Surg.  2013;22(4):505‐511. 

PI Version:  2/25/21 
8 
doi:10.1016/j.jse.2012.07.007 
4.  
Patel  A,  Calfee  RP,  Plante  M,  Fischer  S  a,  Green  A.  Propionibacterium  acnes 
colonization  of  the  human  shoulder.  J  Shoulder  Elbow  Surg.  2009;18(6):897‐902. 
doi:10.1016/j.jse.2009.01.023 
5.  
Falconer  TM,  Baba  M,  Kruse  LM,  et  al.  Contamination  of  the  surgical  field  with 
propionibacterium acnes in primary shoulder arthroplasty. J Bone Jt Surg ‐ Am Vol. 
2016;98(20):1722‐1728. doi:10.2106/JBJS.15.01133 
6.  
Heckmann  N,  Sivasundaram  L,  Heidari  KS,  et  al.  Propionibacterium  Acnes  Persists 
Despite  Various  Skin  Preparation  Techniques.  Arthroscopy.  2018;34(6):1786‐1789. 
doi:10.1016/j.arthro.2018.01.019 
7.  
Lee  MJ,  Pottinger  PS,  Butler‐Wu  S,  Bumgarner  RE,  Russ  SM,  Matsen  FA. 
Propionibacterium persists in the skin despite standard surgical preparation. J Bone Jt 
Surg ‐ Am Vol. 2014;96(17):1447‐1450. doi:10.2106/JBJS.M.01474 
8.  
Hernandez P, Sager B, Fa A, Liang T, Lozano C, Khazzam M. Bactericidal efficacy of 
hydrogen  peroxide  on  Cutibacterium  acnes.  Bone  Joint  Res.  2019;8(1):3‐10. 
doi:10.1302/2046‐3758.81.BJR‐2018‐0145.R1 
9.  
Chalmers PN, Beck L, Stertz I, Tashjian RZ. Hydrogen peroxide skin preparation reduces 
Cutibacterium acnes in shoulder arthroplasty: a prospective, blinded, controlled trial. 
J Shoulder Elb Surg. 2019;28(8):1554‐1561. doi:10.1016/j.jse.2019.03.038 
10.  
Stull  JD,  Nicholson  TA, Davis  DE,  Namdari  S.  Addition  of  3%  hydrogen  peroxide  to 
standard  skin  preparation  reduces  Cutibacterium  acnes–positive  culture  rate  in 
shoulder  surgery:  a  prospective  randomized  controlled  trial.  J  Shoulder  Elb  Surg. 
2020;29(2):212‐216. doi:10.1016/j.jse.2019.09.038 
11.  
Mook  WR,  Klement  MR,  Green  CL,  Hazen  KC,  Garrigues  GE.  The  Incidence  of 
Propionibacterium acnes in Open Shoulder Surgery: A Controlled Diagnostic Study. J 
Bone Joint Surg Am. 2015;97(12):957‐963. doi:10.2106/JBJS.N.00784