Сравнительная оценка остеоинтеграции новых чрескожных имплантатов из ультрамелкозернистого сплава Ti Grade 4

Введение. Показано, что титановые имплантаты из материалов со структурированной поверхностью обеспечивают повышенную скорость остеоинтеграции, что делает их применение достаточно перспективным.

Цель. Провести сравнительную оценку эффективности остеоинтеграции новых чрескожных имплантатов для протезирования, изготовленных из ультрамелкозернистого сплава Ti Grade 4.

Материалы и методы. Исследование выполнено на 12 кроликах самцах породы Советская шиншилла. 6-ти кроликам контрольной группы в большеберцовую кость были остеоинтегрированы имплантаты, изготовленные по технологии селективного лазерного сплавления из порошка Ti6Al4V, 6-ти кроликам опытной группы устанавливали имплантаты, изготовленные из прутка Ti Grade 4 со смешанной нанокристаллической и ультрамелкозернистой структурой, полученной интенсивной пластической деформацией методом равноканального углового прессования. Формирование блока «кость-имплантат» исследовалось через 26 недель после имплантации.

Результаты. Гистологически через 26 недель эксперимента у животных опытной группы на всем протяжении культи в компактной пластинке не выявлено порозных изменений, расширения гаверсовых каналов, выраженной остеокластической резорбции. Вокруг имплантата формировался повторяющий его форму костный футляр, представленный пластинчатой костной тканью. Методом рентгеновского электронно-зондового микроанализа обнаружено, что в субстрате формирующегося на поверхности имплантата у кроликов опытной группы кальция было достоверно больше во всех областях имплантата относительно животных группы контроля. У животных группы контроля относительно опытной группы дольше удерживался повышенный уровень С-реактивного белка сыворотки крови. Осложнений и значительных клинико-лабораторных отклонений у животных обеих групп в ходе всего эксперимента не обнаружено.

Обсуждение. Полученные нами данные согласуются с результатами других экспериментальных исследований, в которых однозначно отмечено, что титановые имплантаты со структурированной поверхностью в сравнительных исследованиях показывают повышенные характеристики остеоинтеграции относительно имплантатов без модификации структуры материала резьбовой поверхности. Отсутствие осложнений и нежелательных реакции организма животных также говорит о приемлемой безопасности тестированных изделий.

Заключение. Остеоинтеграция чрескожного имплантата со смешанной нанокристаллической и ультрамелкозернистой структурой была более эффективна относительно изделия сравнения. Это делает перспективным применение таких имплантатов для решения клинических задач протезирования.

1. Sánchez-Bodón J, Andrade Del Olmo J, Alonso JM, et al. Bioactive Coatings on Titanium: A Review on Hydroxylation, Self-Assembled Monolayers (SAMs) and Surface Modification Strategies. Polymers (Basel). 2021;14(1):165. doi: 10.3390/polym1401016

2. Xu J, Zhang J, Shi Y, et al. Surface Modification of Biomedical Ti and Ti Alloys: A Review on Current Advances. Materials (Basel). 2022;15(5):1749. doi: 10.3390/ma15051749

3. Jain S, Parashar V. Analytical review on the biocompatibility of surface-treated Ti-alloys for joint replacement applications. Expert Rev Med Devices. 2022;19(9):699-719. doi: 10.1080/17434440.2022.2132146

4. Kaur M, Singh K. Review on titanium and titanium based alloys as biomaterials for orthopaedic applications. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2019;102:844-862. doi: 10.1016/j.msec.2019.04.064

5. Su EP, Justin DF, Pratt CR, et al. Effects of titanium nanotubes on the osseointegration, cell differentiation, mineralisation and antibacterial properties of orthopaedic implant surfaces. Bone Joint J. 2018;100-B(1 Supple A):9-16. doi: 10.1302/0301-620X.100B1.BJJ-2017-0551.R1

6. Zhan X, Li S, Cui Y, et al. Comparison of the osteoblastic activity of low elastic modulus Ti-24Nb-4Zr-8Sn alloy and pure titanium modified by physical and chemical methods. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2020;113:111018. doi: 10.1016/j.msec.2020.111018

7. Чекишева Т.Н. Наноматериалы и их роль в регенерации костной ткани. Клиническая и экспериментальная морфология. 2019;8(4):19-24. doi: 10.31088/CEM2019.8.4.19-24

8. Souza JCM, Sordi MB, Kanazawa M, et al. Nano-scale modification of titanium implant surfaces to enhance osseointegration. Acta Biomater. 2019;94:112-131. doi: 10.1016/j.actbio.2019.05.045

9. Шулятникова О.А., Рогожников Г.И., Порозова С.Е. и др. Функциональные наноструктурированные материалы на основе диоксида титана для использования в ортопедической стоматологии. Проблемы стоматологии. 2020;16(1):171-177. doi: 10.18481/2077-7566-20-16-1-171-177

10. Wang C, Gao S, Lu R, et al. In Vitro and In Vivo Studies of Hydrogenated Titanium Dioxide Nanotubes with Superhydrophilic Surfaces during Early Osseointegration. Cells. 2022;11(21):3417. doi: 10.3390/cells11213417

11. Zhang Y, Gulati K, Li Z, et al. Dental Implant Nano-Engineering: Advances, Limitations and Future Directions. Nanomaterials (Basel). 2021;11(10):2489. doi: 10.3390/nano11102489

12. Darter BJ, Syrett ED, Foreman KB, et al. Changes in frontal plane kinematics over 12-months in individuals with the Percutaneous Osseointegrated Prosthesis (POP). PLoS One. 2023;18(2):e0281339. doi: 10.1371/journal.pone.0281339

13. Hagberg K, Ghasemi Jahani SA, Omar O, Thomsen P. Osseointegrated prostheses for the rehabilitation of patients with transfemoral amputations: A prospective ten-year cohort study of patient-reported outcomes and complications. J Orthop Translat. 2022;38:56-64. doi: 10.1016/j.jot.2022.09.004

14. Sinclair S, Beck JP, Webster J, et al. The First FDA Approved Early Feasibility Study of a Novel Percutaneous Bone Anchored Prosthesis for Transfemoral Amputees: A Prospective 1-year Follow-up Cohort Study. Arch Phys Med Rehabil. 2022;103(11):2092-2104. doi: 10.1016/j. apmr.2022.06.008

15. Еманов А.А., Горбач Е.Н., Стогов М.В. и др. Выживаемость чрескожных имплантатов в условиях различной механической нагрузки на кость. Гений ортопедии. 2018;24(4):500-506. doi: 10.3390/10.18019/1028-4427-2018-24-4-500-506

16. Кузнецов В.П., Горгоц В.Г., Аникеев А.В., Еманов А.А. Производство новых внутрикостных остеоинтегрируемых имплантатов методом аддитивных технологий. Вестник Курганского государственного университета. Серия «Технические науки». 2017;(2):120-125.

17. Каплан М.А., Смирнов М.А., Кирсанкин А.А., Севостьянов М.А. Свойства изделий из титанового сплава Ti6-Al4-V, полученных методом селективного лазерного плавления. Физика и химия обработки материалов. 2019;(3):46-57. doi: 10.30791/0015-3214-2019-3-46-57

18. Almeida D, Sartoretto SC, Calasans-Maia JA, et al. In vivo osseointegration evaluation of implants coated with nanostructured hydroxyapatite in low density bone. PLoS One. 2023;18(2):e0282067. doi: 10.1371/journal.pone.0282067

19. Cao NJ, Zhu YH, Gao F, et al. Gradient nanostructured titanium stimulates cell responses in vitro and enhances osseointegration in vivo. Ann Transl Med. 2021;9(7):531. doi: 10.21037/atm-20-7588

20. Das S, Dholam K, Gurav S, et al. Accentuated osseointegration in osteogenic nanofibrous coated titanium implants. Sci Rep. 2019;9(1):17638. doi: 10.1038/s41598-019-53884-x

21. Hasegawa M, Saruta J, Hirota M, et al. A Newly Created Meso-, Micro-, and Nano-Scale Rough Titanium Surface Promotes Bone-Implant Integration. Int J Mol Sci. 2020;21(3):783. doi: 10.3390/ijms21030783

22. He W, Yin X, Xie L, et al. Enhancing osseointegration of titanium implants through large-grit sandblasting combined with micro-arc oxidation surface modification. J Mater Sci Mater Med. 2019;30(6):73. doi: 10.1007/s10856-019-6276-0

23. Hoornaert A, Vidal L, Besnier R, et al. Biocompatibility and osseointegration of nanostructured titanium dental implants in minipigs. Clin Oral Implants Res. 2020;31(6):526-535. doi: 10.1111/clr.13589

24. Salou L, Hoornaert A, Stanovici J, et al. Comparative bone tissue integration of nanostructured and microroughened dental implants. Nanomedicine (Lond). 2015;10(5):741-51. doi: 10.2217/nnm.14.223

25. Farrell BJ, Prilutsky BI, Ritter JM, et al. Effects of pore size, implantation time, and nano-surface properties on rat skin ingrowth into percutaneous porous titanium implants. J Biomed Mater Res A. 2014;102(5):1305-15. doi: 10.1002/jbm.a.34807

26. Van den Borre CE, Zigterman BGR, Mommaerts MY, Braem A. How surface coatings on titanium implants affect keratinized tissue: A systematic review. J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 2022;110(7):1713-1723. doi: 10.1002/jbm.b.35025

27. Jones CF, Quarrington RD, Tsangari H, et al. A Novel Nanostructured Surface on Titanium Implants Increases Osseointegration in a Sheep Model. Clin Orthop Relat Res. 2022;480(11):2232-2250. doi: 10.1097/CORR.0000000000002327

28. Morandini Rodrigues L, Lima Zutin EA, Sartori EM, et al. Nanoscale hybrid implant surfaces and Osterix-mediated osseointegration. J Biomed Mater Res A. 2022;110(3):696-707. doi: 10.1002/jbm.a.37323

29. Asri RIM, Harun WSW, Samykano M, et al. Corrosion and surface modification on biocompatible metals: A review. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2017;77:1261-1274. doi: 10.1016/j.msec.2017.04.102

30. Ding M, Shi J, Wang W, et al. Early osseointegration of micro-arc oxidation coated titanium alloy implants containing Ag: a histomorphometric study. BMC Oral Health. 2022;22(1):628. doi: 10.1186/s12903-022-02673-6

31. Li X, Wang M, Zhang W, et al. A Magnesium-Incorporated Nanoporous Titanium Coating for Rapid Osseointegration. Int J Nanomedicine. 2020;15:6593-6603. doi: 10.2147/IJN.S255486

32. Gulati K, Scimeca JC, Ivanovski S, Verron E. Double-edged sword: Therapeutic efficacy versus toxicity evaluations of doped titanium implants. Drug Discov Today. 2021;26(11):2734-2742. doi: 10.1016/j.drudis.2021.07.004

33. Jayasree A, Ivanovski S, Gulati K. ON or OFF: Triggered therapies from anodized nano-engineered titanium implants. J Control Release. 2021;333:521-535. doi: 10.1016/j.jconrel.2021.03.020