Современное состояние и перспективы использования имплантатов из циркониевых керамических материалов в травматологии и ортопедии

Введение. Керамические материалы в настоящее время широко востребованы в разных областях медицины. Циркониевая керамика демонстрирует исключительные механические свойства и биосовместимость, не вызывает цитотоксические эффекты или аллергические реакции в окружающих тканях.

Цель работы – на основе данных литературы определить перспективы применения циркониевой керамики в качестве остеозамещающего материала в травматологии и ортопедии.

Материалы и методы. Поиск публикаций проведен в базе данных PubMed и электронной научной библиотеке eLIBRARY на двух языках: русский и английский. При поиске использовали ключевые слова: биокерамика, кость, костный дефект, цирконат, циркониевая керамика, инженерия костной ткани, имплантат, скаффолд, аугмент, биоинтеграция, биоактивность (bioceramics, bone, bone defect, zirconate, zirconium ceramics, bone tissue engineering, implant, scaffold, augment, biointegration, bioactivity). Глубина поиска – с 2000 по 2023 год включительно.

Результаты и обсуждение. Диоксид циркония является основным керамическими биоинертным материалом. Представлена характеристика ZrO₂ в качестве остеозамещающего материала, дано сравнение с титановыми имплантатами. Приведены данные о различных стратегиях совершенствования циркониевой биокерамики: улучшение поверхности материала физическими и химическими методами, получение объемной пористости, в том числе с помощью аддитивных технологий, создание композитных материалов, разработка биоактивных покрытий. Активно изучаются новые способы создания совместимой с живыми тканями циркониевой керамики, содержащей биоактивные ионы, способствующие как остеоинтеграции, так и регенерации костной ткани.

Заключение. Использование керамики на основе диоксида циркония представляется многообещающей альтернативой титановым имплантатам в плане механической прочности, биологической функциональности, химической стабильности, остеоинтеграции и антибактериальных свойств. Дальнейшие экспериментальные и клинические исследования будут способствовать совершенствованию циркониевой керамики.

1. Schade AT, Mbowuwa F, Chidothi P, et al. Epidemiology of fractures and their treatment in Malawi: Results of a multicentre prospective registry study to guide orthopaedic care planning. PLoS One. 2021;16(8):e0255052. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0255052

2. Laurencin C, Khan Y, El-Amin SF. Bonegraftsubstitutes. Expert Rev Med Devices.2006;3(1):49-57. https://doi.org/10.1586/17434440.3.1.49

3. Ялочкина Т.О., Белая Ж.Е. Низкотравматичные переломы и костное ремоделирование при сахарном диабете 2 типа. Ожирение и метаболизм. 2017;14(3):11-18. https://doi.org/10.14341/OMET2017311-18

4. Khan SN, Cammisa FP Jr, Sandhu HS, et al. The biology of bone grafting. J Am Acad Orthop Surg. 2005;13(1):77-86.

5. McKee MD. Management of segmental bony defects: the role of osteoconductive orthobiologics. J Am Acad Orthop Surg. 2006;14(10 Spec No.):S163-167. https://doi.org/10.5435/00124635-200600001-00036

6. Amini AR, Laurencin CT, Nukavarapu SP. Bone tissue engineering: recent advances and challenges. Crit Rev Biomed Eng. 2012;40(5):363-408. https://doi.org/10.1615/critrevbiomedeng.v40.i5.10

7. Taniguchi N, Fujibayashi S, Takemoto M, et al. Effect of pore size on bone ingrowth into porous titanium implants fabricated by additive manufacturing: An in vivo experiment. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2016;59:690-701. https://doi.org/10.1016/j.msec.2015.10.069

8. Chauhan A, Bhatt AD. A review on design of scaffold for osteoinduction: Toward the unification of independent design variables. Biomech Model Mechanobiol. 2023;22(1):1-21. https://doi.org/10.1007/s10237-022-01635-9

9. Гилев М.В., Зайцев Д.В., Измоденова М.Ю., и др. Сравнительная характеристика методов аттестации деформированной микроструктуры трабекулярной костной ткани. Российский журнал биомеханики. 2019;23(2):242-250. https://doi.org/10.15593/RZhBiomeh/2019.2.06

10. Parikh SN. Bone graft substitutes: past, present, future. J Postgrad Med. 2002;48(2):142-148.

11. Muscolo DL, Ayerza MA, Aponte-Tinao LA. Massive allograft use in orthopedic oncology. Orthop Clin North Am. 2006;37(1):65-74. https://doi.org/10.1016/j.ocl.2005.08.003

12. Yi S, Xu L, Gu X. Scaffolds for peripheral nerve repair and reconstruction. Exp Neurol. 2019;319:112761. https://doi.org/10.1016/j.expneurol.2018.05.016

13. Kaur G, Kumar V, Baino F, et al. Mechanical properties of bioactive glasses, ceramics, glass-ceramics and composites: State-of-the-art review and future challenges. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2019;104:109895. https://doi.org/10.1016/j.msec.2019.109895

14. Vaiani L, Boccaccio A, Uva AE, et al. Ceramic Materials for Biomedical Applications: An Overview on Properties and Fabrication Processes. J Funct Biomater. 2023;14(3):146. https://doi.org/10.3390/jfb14030146

15. Jitaru S, Hodisan I, Timis L, et al. The use of bioceramics in endodontics-literature review. Clujul Med. 2016;89(4):470-473. https://doi.org/10.15386/cjmed-612

16. Кульбакин Д.Е., Чойнзонов Е.Л., Буякова С.П. и др. Выбор реконструктивного материала в восстановлении костных дефектов челюстно-лицевой области в онкологической практике. Голова и шея. 2018;6(4):64-69.

17. Hench LL, Thompson I. Twenty-first century challenges for biomaterials. J R Soc Interface. 2010;7 Suppl 4(Suppl 4): S379-S391. https://doi.org/10.1098/rsif.2010.0151.focus

18. de Ruiter A, Dik E, van Es R, et al. Micro-structured calcium phosphate ceramic for donor site repair after harvesting chin bone for grafting alveolar clefts in children. J Craniomaxillofac Surg. 2014;42(5):460-468. https://doi.org/10.1016/j.jcms.2013.05.042

19. Whitehouse MR, Dacombe PJ, Webb JC, Blom AW. Impaction grafting of the acetabulum with ceramic bone graft substitute: high survivorship in 43 patients with a mean follow-up period of 4 years. Acta Orthop. 2013;84(4):371-376. https://doi.org/10.3109/17453674.2013.824801

20. Warreth A, Elkareimi Y. All-ceramic restorations: A review of the literature. Saudi Dent J. 2020;32(8):365-372. https://doi.org/10.1016/j.sdentj.2020.05.004

21. Collins MN, Ren G, Young K, et al, Oliveira J.M. Scaffold fabrication technologies and structure/function properties in bone tissue engineering. Adv Func Mater. 2021;31(21):2010609. https://doi.org/10.1002/adfm.202010609

22. Yanyan S, Guangxin W, Guoqing S, et al. Effects of amino acids on conversion of calcium carbonate to hydroxyapatite. RSC Adv. 2020;10(61):37005-37013. https://doi.org/10.1039/d0ra07636h

23. Yu X, Tang X, Gohil SV, Laurencin CT. Biomaterials for Bone Regenerative Engineering. Adv Healthc Mater. 2015;4(9):1268-85. https://doi.org/10.1002/adhm.201400760

24. De Aza AH, Chevalier J, Fantozzi G, et al. Crack growth resistance of alumina, zirconia and zirconia toughened alumina ceramics for joint prostheses. Biomaterials. 2002;23(3):937-45. https://doi.org/10.1016/s0142-9612(01)00206-x

25. Chevalier J. What future for zirconia as a biomaterial? Biomaterials. 2006;27(4):535-43. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2005.07.034

26. Абызов А.М. Оксид алюминия и алюмооксидная керамика (Обзор). Часть 1. Свойства Al2O3 и промышленное производство дисперсного Al2O3. Новые огнеупоры. 2019;(1):16-23. https://doi.org/10.17073/1683-4518-2019-1-16-23

27. Vult von Steyern P. All-ceramic fixed partial dentures. Studies on aluminum oxide- and zirconium dioxide-based ceramic systems. Swed Dent J Suppl. 2005;(173):1-69.

28. Hernigou P, Bahrami T. Zirconia and alumina ceramics in comparison with stainless-steel heads. Polyethylene wear after a minimum ten-year follow-up. J Bone Joint Surg Br. 2003;85(4):504-509. https://doi.org/10.1302/0301-620x.85b4.13397

29. Denry I, Abdelaal M, Dawson DV, et al. Effect of crystalline phase assemblage on reliability of 3Y-TZP. J Prosthet Dent. 2021;126(2):238-247. https://doi.org/10.1016/j.prosdent.2020.05.023

30. Yin L, Nakanishi Y, Alao AR, et al. A review of engineered zirconia surfaces in biomedical applications. Procedia CIRP. 2017;65:284-290. https://doi.org/10.1016/j.procir.2017.04.057

31. Ульянов Ю.А., Зарипова Э.М., Мингазова Э.Н. К вопросу о биосовместимости керамических имплантатов при оказании ортопедической помощи. Менеджер здравоохранения. 2023;(9):18-22. https://doi.org/10.21045/1811-0185-2023-9-18-22

32. Depprich R, Zipprich H, Ommerborn M, et al. Osseointegration of zirconia implants compared with titanium: an in vivo study. Head Face Med. 2008;4:30. https://doi.org/10.1186/1746-160X-4-30

33. Gahlert M, Roehling S, Sprecher CM, et al. In vivo performance of zirconia and titanium implants: a histomorphometric study in mini pig maxillae. Clin Oral Implants Res. 2012;23(3):281-286. https://doi.org/10.1111/j.1600-0501.2011.02157.x

34. Han JM, Hong G, Lin H, et al. Biomechanical and histological evaluation of the osseointegration capacity of two types of zirconia implant. Int J Nanomedicine. 2016;11:6507-6516. https://doi.org/10.2147/IJN.S119519

35. Kohal RJ, Weng D, Bächle M, Strub JR. Loaded custom-made zirconia and titanium implants show similar osseointegration: an animal experiment. J Periodontol. 2004;75(9):1262-8. https://doi.org/10.1902/jop.2004.75.9.1262

36. Scarano A, Di Carlo F, Quaranta M, Piattelli A. Bone response to zirconia ceramic implants: an experimental study in rabbits. J Oral Implantol. 2003;29(1):8-12. https://doi.org/10.1563/1548-1336(2003)029<0008:BRTZCI>2.3.CO;2

37. Roehling S, Astasov-Frauenhoffer M, Hauser-Gerspach I, et al. In Vitro Biofilm Formation on Titanium and Zirconia Implant Surfaces. J Periodontol. 2017;88(3):298-307. https://doi.org/10.1902/jop.2016.160245

38. Gahlert M, Gudehus T, Eichhorn S, et al. Biomechanical and histomorphometric comparison between zirconia implants with varying surface textures and a titanium implant in the maxilla of miniature pigs. Clin Oral Implants Res. 2007;18(5):662-668. https://doi.org/10.1111/j.1600-0501.2007.01401.x

39. Bacchelli B, Giavaresi G, Franchi M, et al. Influence of a zirconia sandblasting treated surface on peri-implant bone healing: An experimental study in sheep. Acta Biomater. 2009;5(6):2246-2257. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2009.01.024

40. Flamant Q, García Marro, Roa Rovira JJ, Anglada M. Hydrofluoric acid etching of dental zirconia. Part 1: etching mechanism and surface characterization. J Eur Ceram Soc. 2016;36(1):121-134. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2015.09.021

41. Vu VT, Oh GJ, Yun KD, et al. Acid etching of glass-infiltrated zirconia and its biological response. J Adv Prosthodont. 2017;9(2):104-109. https://doi.org/10.4047/jap.2017.9.2.104

42. Henningsen A, Smeets R, Heuberger R, et al. Changes in surface characteristics of titanium and zirconia after surface treatment with ultraviolet light or non-thermal plasma. Eur J Oral Sci. 2018;126(2):126-134. https://doi.org/10.1111/eos.12400

43. Brezavšček M, Fawzy A, Bächle M, et al. The Effect of UV Treatment on the Osteoconductive Capacity of Zirconia-Based Materials. Materials (Basel). 2016;9(12):958. https://doi.org/10.3390/ma9120958

44. Yang Y, Zhou J, Liu X, et al. Ultraviolet light-treated zirconia with different roughness affects function of human gingival fibroblasts in vitro: the potential surface modification developed from implant to abutment. J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 2015;103(1):116-24. https://doi.org/10.1002/jbm.b.33183

45. Кирилова И.А., Садовой М.А., Подорожная В.Т. и др. Керамические и костно-керамические имплантаты: перспективные направления. Хирургия позвоночника. 2013;(4):052-062. https://doi.org/10.14531/ss2013.4.52-62

46. Калинина М.В., Ковалько Н.Ю., Суслов Д.Н. и др. Влияние высокопористой биокерамики на основе системы ZrO2 - Y2O3 - CeO2 на биологические ткани экспериментальных животных. Перспективные материалы. 2020;(7):29-39. https://doi.org/10.30791/1028-978X-2020-7-29-39. EDN: UFWBLV.

47. Рогожников А.Г. Способ получения и физико-механические испытания отечественных керамических материалов на основе диоксида циркония из наноструктурированных порошков. Уральский медицинский журнал. 2015;(10):113-119. EDN: VLMTEH.

48. Ковалько Н.Ю., Калинина М.В., Суслов Д.Н. и др. Исследование влияния биокерамических образцов на основе t-ZrO2 на состояние мышечной и соединительной тканей экспериментальных животных при внутримышечном введении. Перспективные материалы. 2019;(5):41-49. https://doi.org/10.30791/1028-978X-2019-5-41-49. EDN: WOHJSY.

49. Буякова С.П., Хлусов И.А., Кульков С.Н. Пористая циркониевая керамика для эндопротезирования костной ткани. Физическая мезомеханика. 2004;7(Спец 2):127-130. https://doi.org/10.24411/1683-805X-2004-00097

50. Li T, Chang J, Zhu Y, Wu C. 3D Printing of Bioinspired Biomaterials for Tissue Regeneration. Adv Healthc Mater. 2020:e2000208. https://doi.org/10.1002/adhm.202000208

51. Zafar MJ, Zhu D, Zhang Z. 3D Printing of Bioceramics for Bone Tissue Engineering. Materials (Basel). 2019;12(20):3361. https://doi.org/10.3390/ma12203361

52. Ma H, Feng C, Chang J, Wu C. 3D-printed bioceramic scaffolds: From bone tissue engineering to tumor therapy. Acta Biomater. 2018;79:37-59. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2018.08.026

53. Lughi V, Sergo V. Low temperature degradation -aging-of zirconia: A critical review of the relevant aspects in dentistry. Dent Mater. 2010;26(8):807-820. https://doi.org/10.1016/j.dental.2010.04.006

54. Ricco Pa, de Carvalho Ramos N, Bastos Campos TM, et al. The roles of microstructure and surface energy on subcritical crack growth in glass-ceramics. Ceramics International. 2021;47(5)6827-6833. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.11.025

55. Chevalier J, Deville S, Münch E, et al. Critical effect of cubic phase on aging in 3mol% yttria-stabilized zirconia ceramics for hip replacement prosthesis. Biomaterials. 2004;25(24):5539-5545. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2004.01.002

56. Gremillard L, Chevalier J, Martin L, et al. Sub-surface assessment of hydrothermal ageing in zirconia-containing femoral heads for hip joint applications. Acta Biomater. 2018;68:286-295. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2017.12.021

57. Boniecki M, Sadowski T, Gołębiewski P, et al. Mechanical properties of lumina/zirconia composites. Ceramics International. 2020;46(1):1033-1039. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.09.068

58. Abbas MKG, Ramesh S, Lee KYS, et al. Effects of sintering additives on the densification and properties of alumina-toughened zirconia ceramic composites. Ceramics International. 2020;46(17): 27539-27549. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.07.246

59. Abbas MKG, Ramesh S, Tasfy SFH, Lee KYS. A state-of-the-art review on alumina toughened zirconia ceramic composites. Materials Today Communications. 2023;37:106964. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2023.106964

60. Patil S, Patil DR, Jung IC, Ryu J. Effect of cooling rates on mechanical properties of alumina-toughened zirconia composites. Ceramics International. 2022;48:21048-21053. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.04.127

61. Sequeira S, Fernandes MH, Neves N, Almeida MM. Development and characterization of zirconia-alumina composites for orthopedic implants. Ceramics International. 2017;43:693-703. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2016.09.216

62. Плющев А.Л., Гаврюшенко Н.С., Голев С.Н. Особенности применения керамики в парах трения эндопротезов тазобедренного сустава при ДКА. Московский хирургический журнал. 2008;(2):47-55. EDN: QZPZXF.

63. Aboushelib MN, Shawky R. Osteogenesis ability of CAD/CAM porous zirconia scaffolds enriched with nanohydroxyapatite particles. Int J Implant Dent. 2017 Dec;3(1):21. https://doi.org/10.1186/s40729-017-0082-6

64. Pardun K, Treccani L, Volkmann E, et al. Mixed zirconia calcium phosphate coatings for dental implants: tailoring coating stability and bioactivity potential. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2015;48:337-346. https://doi.org/10.1016/j.msec.2014.12.031

65. Пантелеенко Ф.И., Оковитый В.А., Кулак А.И., Оковитый В.В. Композиционный порошок для нанесения плазменных покрытий, полученный на основе совместного осаждения гидроксиапатита и гидратированного диоксида циркония. Упрочняющие технологии и покрытия. 2015; (6):38-40. EDN TXQDWB.

66. Yang J, Sultana R, Ichim P, et al. Micro-porous calcium phosphate coatings on load-bearing zirconia substrate: Processing, property and application. Ceramics International. 2013;39(6):6533-6542. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2013.01.086

67. Silva ADR, Pallone EMJA, Lobo AO. Modification of surfaces of alumina-zirconia porous ceramics with Sr2+ after SBF. J Aust Ceram Soc. 2020;56:517-524. https://doi.org/10.1007/s41779-019-00360-4

68. Kou W, Akasaka T, Watari F, Sjögren G. An in vitro evaluation of the biological effects of carbon nanotube-coated dental zirconia. ISRN Dent. 2013;2013:296727. https://doi.org/10.1155/2013/296727

69. Fabris D, Souza JCM, Silva FS, et al. The bending stress distribution in bilayered and graded zirconia-based dental ceramics. Ceramics International. 2016;42(9):11025-11031. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2016.03.245

70. Li H, Xie Y, Li K, L. et al Microstructure and wear behavior of graphene nanosheets-reinforced zirconia coating. Ceramics International. 2014;40(8):12821-12829. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2014.04.136

71. Brokesh AM, Gaharwar AK. Inorganic Biomaterials for Regenerative Medicine. ACS Appl Mater Interfaces. 2020;12(5):5319-5344. https://doi.org/10.1021/acsami.9b17801

72. Zhao Y, Zhang Z, Pan Z, Liu Y. Advanced bioactive nanomaterials for biomedical applications. Exploration (Beijing). 2021;1(3):20210089. https://doi.org/10.1002/EXP.20210089

73. Schünemann FH, Galárraga-Vinueza ME, Magini R, et al. Zirconia surface modifications for implant dentistry. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2019;98:1294-1305. https://doi.org/10.1016/j.msec.2019.01.062

74. Yin L, Nakanishi Y, Alao AR, et al. A review of engineered zirconia surfaces in biomedical applications. Procedia CIRP. 2017;65:284-290. https://doi.org/10.1016/j.procir.2017.04.057

75. Pardun K, Treccani L, Volkmann E, et al. Magnesium-containing mixed coatings on zirconia for dental implants: mechanical characterization and in vitro behavior. J Biomater Appl. 2015;30(1):104-118. https://doi.org/10.1177/0885328215572428

76. Mushahary D, Wen C, Kumar JM, et al. Collagen type-I leads to in vivo matrix mineralization and secondary stabilization of Mg-Zr-Ca alloy implants. Colloids Surf B Biointerfaces. 2014;122:719-728. https://doi.org/10.1016/j.colsurfb.2014.08.005

77. Измоденова М.Ю., Гилев М.В., Ананьев М.В. и др. Характеристика костной ткани при имплантации керамического материала на основе цирконата лантана в эксперименте. Травматология и ортопедия России. 2020;26(3):130-140. https://doi.org/10.21823/2311-2905-2020-26-3-130-140

78. Tarasova N, Galisheva A, Belova K, et al. Ceramic materials based on lanthanum zirconate for the bone augmentation purposes: materials science approach. Chimica Techno Acta. 2022;9(2), No. 20229209. https://doi.org/10.15826/chimtech.2022.9.2.09.

79. Ulitko M, Antonets Y, Antropova I, et al. Ceramic materials based on lanthanum zirconate for the bone augmentation purposes: cytocompatibility in a cell culture model. Chimica Techno Acta. 2023;10(4), No. 202310402. https://doi.org/10.15826/chimtech.2023.10.4.02