Биологическое тестирование in vivo титановых сплавов с добавлением редкоземельных элементов для оценки возможности их использования в медицинских изделиях

Введение. Медицинские имплантируемые изделия для травматологии и ортопедии часто изготавливают из титана и его сплавов. Улучшить их физико-химические характеристике, в том числе замедлить процессы коррозии, можно путем добавления редкоземельных элементов.

Цель работы — на экспериментальной модели подкожной имплантации in vivo оценить безопасность новых материалов на основе сплава титана Ti6Al7Nb, легированного иттрием, лантаном и церием.

Материалы и методы. Крысам-самцам линии Вистар подкожно имплантировали образцы из титана и титановых сплавов: ВТ1-00 (контроль, n = 10); Ti6Al7Nb0,3Y (группа 1, n = 12); Ti6Al7Nb0,3La (группа 2, n = 12); Ti6Al7Nb0,3Се (группа 3, n = 12). Срок эксперимента — 28 суток. Оценивали общее состояние, поведенческие реакции животных, визуально отмечали область имплантации. Регистрировали массу и общую температуру тела, локальную температуру в области имплантации. Проводили гематологический и биохимический анализ крови, анатомическим методом оценивали внутренние органы и состояние тканей вокруг имплантата.

Результаты. Во всех группах общее состояние, поведенческие реакции, масса тела, общая температура тела и локальная температура, а также ткани вокруг имплантатов патологически не изменялись, заживление кожной раны происходило первичным натяжением. Выявлено положительное влияние изучаемых редкоземельных элементов на репаративные процессы при заживлении кожной раны. В контрольной группе и группе 1 органы сохраняли нормальные размеры, цвет и анатомическую структуру. В группе 1 был незначительно повышен уровень эритроцитов и увеличена концентрация веществ низкой и средней молекулярной массы. В группах 2 и 3 выявляли изменения анатомических характеристик печени, почек и селезенки, в сыворотке крови повышалось АСТ и ЛДГ, снижался уровень С-реактивного белка, увеличивалась доля нейтрофилов, снижалось количество лимфоцитов. В группе 2 снижался уровень глюкозы, а в группе 3 повышались показатели глюкозы и мочевины.

Обсуждение. При подкожной имплантации в течение одного месяца иттрий (Y), лантан (La) и церий (Ce) по 0,3 % мас. % в сплавах титана состава Ti6Al7Nb не оказывали негативного влияния на общее состояние, процессы терморегуляции, сердечно-сосудистую систему и репродуктивные органы крыс-самцов. Сплав титана, легированный иттрием (Y), оказывал на организм токсическое действие компенсаторного характера. Сплавы титана, легированные лантаном (La) и церием (Се), оказывали гепатотоксический и нефротоксический эффекты, нарушалась функция селезенки. Полученные результаты согласуются с известными литературными данными.

Заключение. В созданных условиях безопасными можно считать материалы с добавлением иттрия и контрольные образцы. Материалы с добавлением лантана и церия при имплантации в живой организм вызывают настороженность, в связи с чем требуется более продолжительное исследование с применением гистологических методов.

1. Liu S, Shin YC. Additive manufacturing of Ti6Al4V alloy: A review. Materials & Design. 2019;164:107552. doi: 10.1016/j.matdes.2018.107552.

2. Posiyano K, Prasad RVS, Dzogbewu TC, et al. The potential of Ti-6Al-7Nb, and design for manufacturing considerations in mitigating failure of hip implants in service. Biomedical Engineering Advances. 2024;8:100136. doi: 10.1016/j.bea.2024.100136.

3. Gao Y, Jiang W, Zeng D, et al. Additive manufacturing of titanium alloys for biomedical applications: A systematic review. Review of Materials Research. 2025;1(1):100011. doi: 10.1016/j.revmat.2025.100011.

4. Pesode P, Barve S. A review – metastable β titanium alloy for biomedical applications. J Eng Appl Sci. 2023;70(1):25. doi: 10.1186/s44147-023-00196-7.

5. Hazwani MR, Lim LX, Lockman Z, Zuhailawati H. Fabrication of titanium-based alloys with bioactive surface oxide layer as biomedical implants: Opportunity and challenges. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2022;32(1);1-44. doi: 10.1016/S10036326(21)65776-X.

6. Zaffe D, Bertoldi C, Consolo U. Accumulation of aluminium in lamellar bone after implantation of titanium plates, Ti-6Al-4V screws, hydroxyapatite granules. Biomaterials. 2004;25(17):3837-3844. doi: 10.1016/j.biomaterials.2003.10.020.

7. Garg D, Wagh NP, Shinde MB, et al. A comparative study between functional outcomes of proximal humerus fracture treated using closed reduction and JESS external stabilization system and open reduction and internal fixation with PHILOS plate at a tertiary health care center. Genij Ortopedii. 2025;31(5):558-566. doi: 10.18019/1028-4427-2025-31-5-558-566.

8. Абдуллоев А.М., Гвоздев Н.С., Тропин Д.В., Попков Д.А. Результаты реконструктивной хирургии конечностей с использованием телескопического титанового стержня. Гений ортопедии. 2025;31(1):51-59. 2025;31(1):51-59. doi: 10.18019/1028-44272025-31-1-51-59.

9. Peng Xu, Florian Pyczak, Ming Yan, Fantao Kong, Thomas Ebel. Impacts of yttrium on microstructure and tensile properties of biomedical β Ti-Nb-Zr fabricated by metal injection molding. Mater Sci Eng A. 2020;792:139816. doi: 10.1016/j.msea.2020.139816.

10. Won JW, Oh JM, Kim WC, et al. Simultaneous high tensile strength and high ductility in cast Ce-alloyed Ti. Mater Sci Eng A. 2024;918:147487. doi: 10.1016/j.msea.2024.147487.

11. 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.

12. Попков А.В., Попков Д.А. Биосовместимые имплантаты в ортопедии: инженерия костной ткани. Гений ортопедии. 2023;29(6):662-668. doi: 10.18019/1028-4427-2023-29-6-662-668.

13. Baldin EK, de Castro VV, Santos PB, et al. Copper incorporation by low-energy ion implantation in PEO-coated additively manufactured Ti6Al4V ELI: surface microstructure, cytotoxicity and antibacterial behavior. J Alloy Compd. 2023;940:168735. doi: 10.1016/j.jallcom.2023.168735.

14. Quinn J, McFadden R, Chan CW, Carson L. Titanium for Orthopedic Applications: An Overview of Surface Modification to Improve Biocompatibility and Prevent Bacterial Biofilm Formation. iScience. 2020;23(11):101745. doi: 10.1016/j.isci.2020.101745.

15. Попков А.В., Шастов А.Л., Шипицына И.В. и др. Бактерицидная активность экспериментальных образцов имплантатов из титанового сплава с кальций-фосфатным покрытием и антибактериальным компонентом в отношении грамотрицательных патогенов (экспериментальное исследование). Вестник травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова. 2024;31(4):517-526. doi: 10.17816/vto630216.

16. Stich T, Alagboso F, Krenek T, et al. Implant-bone-interface: Reviewing the impact of titanium surface modifications on osteogenic processes in vitro and in vivo. Bioeng Transl Med. 2021;7(1):e10239. doi: 10.1002/btm2.10239.

17. Sun Y, Xu W, Jiang C, et al. Gold nanoparticle decoration potentiate the antibacterial enhancement of TiO2 nanotubes via sonodynamic therapy against peri-implant infections. Front Bioeng Biotechnol. 2022;10:1074083. doi: 10.3389/fbioe.2022.1074083.

18. Li J, Liu XM, Tan L, et al. Zinc-doped Prussian blue enhances photothermal clearance of Staphylococcus aureus and promotes tissue repair in infected wounds. Nat Commun. 2019;10(1):4490. doi: 10.1038/s41467-019-12429-6.

19. Chen YH, Guan SW, Xing M, et al. Ce-doped defective titanium oxide coating with antibacterial, antioxidant and anti-inflammatory properties for potential application of peri-implantitis treatment. Rare Metals. 2025;44(1):472-488. doi: 10.1007/s12598-024-02935-y.

20. Данилова Л.А. Справочник по лабораторным методам исследования. СПб.: Питер. 2003:736.

21. Baltatu MS, Vizureanu P, Sandu AV, et al. Research Progress of Titanium-Based Alloys for Medical Devices. Biomedicines. 2023;11(11):2997. doi: 10.3390/biomedicines11112997.

22. Еманов А.А., Кузнецов В.П., Горбач Е.Н. и др. Сравнительное исследование остеоинтеграции изготовленных с применением аддитивных технологий титановых и стальных имплантатов в большеберцовой кости кролика в условиях внешней фиксации. Травматология и ортопедия России. 2020;26(2):98-108. doi: 10.21823/2311-2905-2020-26-2-98-108.

23. Галиченко К.А., Сухов А.В., Тимошкин С.П. и др. Влияние топического применения наночастиц оксида церия на регенарацию тканей в эксперименте. Медико-фармацевтический журнал «Пульс». 2023;25(5):96-100. doi: 10.26787/nydha-2686-6838-2023-25-5-96-100.

24. Legon'kova OA, Ushakova TA, Savchenkova IP, et al. Experimental Study of the Effects of Nanodispersed Ceria on Wound Repair. Bull Exp Biol Med. 2017;162(3):395-399. doi: 10.1007/s10517-017-3624-2.

25. Schubert D, Dargusch R, Raitano J, Chan SW. Cerium and yttrium oxide nanoparticles are neuroprotective. Biochem Biophys Res Commun. 2006;342(1):86-91. doi: 10.1016/j.bbrc.2006.01.129.

26. Ren L, Shi W, Tian Y, et al. A Two-Generation Reproductive Toxicity Study of Cerium Nitrate in Sprague-Dawley Rats. Biol Trace Elem Res. 2024;202(2):597-614. doi: 10.1007/s12011-023-03692-2.

27. Радцева Г.Л., Минаев Б.Д., Здорнова О.В., Пискарева Е.И. Изменения в тканях и органах при экспериментальном воздействии лантана. Актуальні проблеми сучасної медицини: Вестник украинской медицинской стоматологической академии. 2011;11(4(36)):147-149.

28. Chen D, Liu Y, Chen AJ, Nie YX. Experimental study of subchronic toxicity of lanthanum nitrate on liver in rats. Nonlinearity Biol Toxicol Med. 2003;1(4):469-480. doi: 10.1080/15401420390271074.