Остеоинтегративные характеристики и биологическая совместимость имплантатов из циркониевой керамики при восполнении диафизарных дефектов

Введение. Разработка новых керамических материалов, обладающих высокими остеоинтегративными характеристиками, и экспериментальное обоснование их применения является актуальной проблемой для современной травматологии.
Цель работы — определение остеоинтегративных характеристик и биологической совместимости имплантатов из новой циркониевой керамики при восполнении диафизарных дефектов костной ткани в эксперименте.
Материалы и методы. Исследование выполнено на 18 самцах кроликов породы Шиншилла. Животным моделировали диафизарный дефект с интрамедуллярной имплантацией стержня из нового керамического пористого (ПК), непористого (НПК) материала и титанового сплава (ТС). В зависимости от вида стержня животные были разделены на три группы (по шесть в каждой). Гематологические показатели животных определяли за сутки до операции, и через восемь недель после операции перед выведением животных из эксперимента. Рентгенографию задних конечностей, забор тканей для гистологического и морфометрического исследования выполняли после выведения животных из эксперимента. Статистическую обработку данных проводили с использованием программы Statistica 10. Для сравнения исследуемых групп использовали критерий Краскела – Уоллиса с последующим межгрупповым анализом. Для оценки изменений в динамике в отдельных группах использовали критерий Вилкоксона. Результаты представлены как медиана и интерквартильный размах.
Результаты. Через восемь недель после операции уровень лейкоцитов, моноцитов и гранулоцитов был существенно ниже в группе ПК по сравнению с группами НПК и ТС (p = 0,025; p = 0,022; p = 0,005 соответственно). Толщина костной трабекулы в области имплантации в группе ПК была существенно выше по сравнению с группами ТС и НПК (86,2 [55,8; 109,9], 56,0 [47,2; 75,9] и 33,1 [19,0; 84,5] соответственно, в обоих случаях p < 0,001).
Обсуждение. Нами изучена биологическая совместимость и остеоинтегративные характеристики имплантатов из нового керамического материала в двух вариантах, — непористый и пористый (с размером пор 10–50 мкм), проведено сравнение с имплантами из титанового сплава. Ранее доказано, что легированные керамические материалы привлекательны для регенерации тканей благодаря функциональным свойствам, биологической активности и терапевтическим эффектам, обеспечиваемым вводимыми ионами. Результаты наших гистологических и морфометрических исследований подтвердили лучшую биологическую совместимость и остеоинтеграцию имплантатов из пористой циркониевой керамики (ПК), содержащей ионы иттрия, иттербия, гадолиния, в сравнении с имплантатами из НПК и ТС.
Заключение. Установлена биологическая совместимость нового керамического материала при восполнении диафизарных дефектов костной ткани в эксперименте с животными. Имплантаты с размерами пор 10–50 мкм обладают хорошими остеоинтегративными характеристиками, что определяет возможность и необходимость проведения клинических испытаний.

1. Здравоохранение в России. 2021: Стат.сб./Росстат. М.; 2021:171. Доступно по: https://youthlib.mirea.ru/ru/reader/1357. Ссылка активна на 18.03.2025.

2. Кривенко С.Н., Шпаченко Н.Н., Попов С.В. Экстренная медицинская помощь на догоспитальном этапе и прогноз исходов при сочетанных повреждениях, компонентом которых является позвоночно-спинномозговая травма. Гений ортопедии. 2015;(3):22-25. doi: 10.18019/1028-4427-2015-3-22-25.

3. Цискарашвили А.В., Жадин А.В., Кузьменков К.А. и др. Биомеханически обоснованный чрескостный остеосинтез у пациентов с ложными суставами бедренной кости, осложненными хроническим остеомиелитом. Вестник травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова. 2018;(3-4):71-78. doi: 10.17116/vto201803-04171.

4. Борзунов Д.Ю., Моховиков Д.С., Колчин С.Н. и др. Проблемы и успехи комбинированного применения технологий Илизарова и Masquelet. Гений ортопедии. 2022;28(5):652-658. doi: 10.18019/1028-4427-2022-28-5-652-658.

5. Мухаметов У.Ф., Люлин С.В., Борзунов Д.Ю. и др. Аллопластические и имплантационные материалы для костной пластики: обзор литературы. Креативная хирургия и онкология. 2021;11(4):343-353. doi: 10.24060/2076-3093-2021-11-4-343-353.

6. Волокитина Е.А., Антропова И.П., Тимофеев К.А., Труфаненко Р.A. Современное состояние и перспективы использования имплантатов из циркониевых керамических материалов в травматологии и ортопедии. Гений ортопедии. 2024;30(1):114-123. doi: 10.18019/1028-4427-2024-30-1-114-123.

7. Archunan MW, Petronis S. Bone Grafts in Trauma and Orthopaedics. Cureus. 2021;13(9):e17705. doi: 10.7759/cureus.17705.

8. Rodríguez-Merchán EC. Bone Healing Materials in the Treatment of Recalcitrant Nonunions and Bone Defects. Int J Mol Sci. 2022;23(6):3352. doi: 10.3390/ijms23063352.

9. Bohner M, Santoni BLG, Döbelin N. β-tricalcium phosphate for bone substitution: Synthesis and properties. Acta Biomater. 2020;113:23-41. doi: 10.1016/j.actbio.2020.06.022.

10. Padhye NM, Calciolari E, Zuercher AN, et al. Survival and success of zirconia compared with titanium implants: a systematic review and meta-analysis. Clin Oral Investig. 2023;27(11):6279-6290. doi: 10.1007/s00784-023-05242-5.

11. Chen Y, Roohani-Esfahani SI, Lu Z, et al. Zirconium ions up-regulate the BMP/SMAD signaling pathway and promote the proliferation and differentiation of human osteoblasts. PLoS One. 2015;10(1):e0113426. doi: 10.1371/journal.pone.0113426.

12. 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):09. doi: 10.15826/chimtech.2022.9.2.09.

13. Willbold E, Gu X, Albert D, et al. Effect of the addition of low rare earth elements (lanthanum, neodymium, cerium) on the biodegradation and biocompatibility of magnesium. Acta Biomater. 2015;11:554-562. doi: 10.1016/j.actbio.2014.09.041.

14. Jiang C, Shang J, Li Z, et al. Lanthanum Chloride Attenuates Osteoclast Formation and Function Via the Downregulation of RanklInduced Nf-κb and Nfatc1 Activities. J Cell Physiol. 2016;231(1):142-151. doi: 10.1002/jcp.25065.

15. Niu Y, Du T, Liu Y. Biomechanical Characteristics and Analysis Approaches of Bone and Bone Substitute Materials. J Funct Biomater. 2023;14(4):212. doi: 10.3390/jfb14040212.

16. 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. doi: 10.1016/j.msec.2019.109895.

17. 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. doi: 10.3390/jfb14030146.

18. Bai L, Song P, Su J. Bioactive elements manipulate bone regeneration. Biomater Transl. 2023;4(4):248-269. doi: 10.12336/biomatertransl.2023.04.005.

19. Chen Z, Zhou X, Mo M, et al. Systematic review of the osteogenic effect of rare earth nanomaterials and the underlying mechanisms. J Nanobiotechnology. 2024;22(1):185. doi: 10.1186/s12951-024-02442-3.

20. Li H, Xia P, Pan S, et al. The Advances of Ceria Nanoparticles for Biomedical Applications in Orthopaedics. Int J Nanomedicine. 2020;15:7199-7214. doi: 10.2147/IJN.S270229.

21. 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. doi: 10.21823/2311-2905-2020-26-3-130-140.

22. Bhowmick A, Pramanik N, Jana P, et al. Development of bone-like zirconium oxide nanoceramic modified chitosan based porous nanocomposites for biomedical application. Int J Biol Macromol. 2017;95:348-356. doi: 10.1016/j.ijbiomac.2016.11.052.

23. Антропова И.П., Волокитина Е.А., Удинцева М.Ю. и др. Влияние керамического материала на основе цирконата лантана на динамику гематологических показателей и маркеров ремоделирования костной ткани: экспериментальное исследование. Травматология и ортопедия России. 2022;28(1):79-88. doi: 10.17816/2311-2905-1704.

24. Mohseni P, Soufi A, Chrcanovic BR. Clinical outcomes of zirconia implants: a systematic review and meta-analysis. Clin Oral Investig. 2023;28(1):15. doi: 10.1007/s00784-023-05401-8.

25. Pantulap U, Arango-Ospina M, Boccaccini AR. Bioactive glasses incorporating less-common ions to improve biological and physical properties. J Mater Sci Mater Med. 2021;33(1):3. doi: 10.1007/s10856-021-06626-3.

26. Liao F, Peng XY, Yang F, et al. Gadolinium-doped mesoporous calcium silicate/chitosan scaffolds enhanced bone regeneration ability. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2019;104:109999. doi: 10.1016/j.msec.2019.109999.

27. Zhu DY, Lu B, Yin JH, et al. Gadolinium-doped bioglass scaffolds promote osteogenic differentiation of hBMSC via the Akt/GSK3β pathway and facilitate bone repair in vivo. Int J Nanomedicine. 2019;14:1085-1100. doi: 10.2147/IJN.S193576.

28. Wang Z, Zhang M, Liu Z, et al. Biomimetic design strategy of complex porous structure based on 3D printing Ti-6Al-4V scaffolds for enhanced osseointegration. Mater. Des. 2022;218:110721. doi: 10.1016/j.matdes.2022.110721.

29. Jin HW, Noumbissi S, Wiedemann TG. Comparison of Zirconia Implant Surface Modifications for Optimal Osseointegration. J Funct Biomater. 2024;15(4):91. doi: 10.3390/jfb15040091.

30. 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. doi: 10.1563/1548-1336(2003)029<0008:BRTZCI>2.3.CO;2.

31. 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. doi: 10.1111/j.1600-0501.2011.02157.x.

32. 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):1262-1268. doi: 10.1902/jop.2004.75.9.1262.