СОВРЕМЕННОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ИМПЛАНТАТОВ НА ОСНОВЕ ПОРИСТОГО ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ ДЛЯ ЗАМЕЩЕНИЯ КОСТНЫХ ДЕФЕКТОВ


Бугаев Г.А., Антониади Ю.В., Помогаева Е.В., Шорикова А.И.

Аннотация


Титан в качестве материала для замещения дефектов кости нашел широкое применение в травматологии и ортопедии. Изучение различных сплавов титана, изменение структуры имплантата и модифицирование его поверхности позволяет быть биоэквивалентным к костной ткани.

Цель — предоставить полноценную картину об использовании титанового аугмента в качестве остеозамещающего материала, проанализировав современные литературные данные.

Материалы и методы. Произведен анализ отечественных и зарубежных статей, авторефератов и диссертаций с помощью электронных баз данных PubMed, Google Scholar, eLibrary, Science Research Portal,  Cochrane Database за период 2000-2022 гг.

Результаты и обсуждение. Представлены сравнительные биомеханические характеристики металлических имплантатов по отношению к костной ткани. Выделена классификация титановых аугментов. Определен оптимальный размер пор и степень пористости в титановом аугменте для остеоинтеграции. Приведены данные о повышении остеоинтеграции путем модифицирования поверхности имплантата, добавления различных факторов роста и мезенхимальных стволовых клеток. Репрезентированы результаты пластики костных дефектов с помощью металлических имплантатов из сплава титана.

Выводы. Титан является ценным материалом для аугментации костных дефектов за счет своих биологических, остеокондуктивных, механических и прочностных свойств, способен к полной остеоинтеграции с подлежащей костной тканью. Высокопористый титановый имплантат, полученный методом 3D-печати, является перспективным материалом для замещения импрессионных дефектов при внутрисуставных переломах. Приоритетными направлениями становятся клинические и экспериментальные исследования аугментов из композиционных материалов на составе титановой матрицы. Проблема модифицирования поверхности пористых металлических имплантатов с возможностью контролированной остеоиндукции и остеоинтеграции, а также приданием антибактериальных свойств Ме-имплантату, остается открытой для изучения в будущем.


Ключевые слова


аугментация; скаффолд; пористый титан; дефект кости; аддитивные технологии

Полный текст:

Full Text PDF

Литература


Bothe RT, Beaton LE, Davenport HA. Reaction of bone to multiple metallic implants. Surg Obstet Gynecol. 1940;71:598-602

Geetha M, Singh AK, Asokamani R, Gogia AK. Ti based biomaterials, the ultimate choice for orthopaedic implants–a review. Prog Mater Sci. 2009;54:397-425

Anselme K. Osteoblast adhesion on biomaterials. Biomaterials. 2000; 21:667-681

Kunii T, Mori Y, Tanaka H, Kogure A, Kamimura M, Mori N, et al. Improved osseointegration of a TiNbSn alloy with a low young's modulus treated with anodic oxidation. Sci Rep. 2019;9(1):13985. doi: 10.1038/s41598-019-50581-7

Longhofer LK, Chong A, Strong NM, Wooley PH, Yang SY. Specific material effects of wear-particle-induced inflammation and osteolysis at the bone-implant interface: a rat model. J Orthop Translat. 2016;8:5-11. doi: 10.1016/j.jot.2016.06.026

Lian F, Zhao C, Qu J, Lian Y, Cui Y, Shan L, et al. Icariin attenuates titanium particle-induced inhibition of osteogenic differentiation and matrix mineralization via miR-21-5p. Cell Biol Int. 2018;42(8):931-939. doi: 10.1002/cbin.10957

Amin Yavari S, van der Stok J, Chai YC, Wauthle R, TahmasebiBirgani Z, Habibovic P, et al. Bone regeneration performance of surface-treated porous titanium. Biomaterials. 2014;35(24):6172-6181. doi: 10.1016/j.biomaterials.2014.04.054

Novel Biomaterials for Regenerative Medicine, Advances in Experimental Medicine and Biology 1077. H. J. Chun et al. (eds.) Springer Nature Singapore Pte Ltd. 2018 3. https://doi.org/10.1007/978-981-13-0947-2_1

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

Hirota M, Tanaka M, Ishijima M, Iwasaki C, Park W, Ogawa T. Effect of photofunctionalization on Ti6Al4V screw stability placed in segmental bone defects in rat femurs. J Oral Maxillofac Surg. 2016;74(4):861.e1-16. doi: 10.1016/j.joms.2015.11.016

Liu PC, Yang YJ, Liu R, Shu HX, Gong JP, Yang Y, et al. A study on the mechanical characteristics of the EBM-printed Ti-6Al-4V LCP plates in vitro. J OrthopSurg Res. 2014;9:106. doi: 10.1186/s13018-014-0106-3

Shi LY, Wang A, Zang FZ, Wang JX, Pan XW, Chen HJ. Tantalum-coated pedicle screws enhance implant integration. Colloids Surf B Biointerfaces. 2017;160:22-32. doi: 10.1016/j.colsurfb.2017.08.059

Przekora A, Kazimierczak P, Wojcik M, Chodorski E, Kropiwnicki J. Mesh Ti6Al4V Material Manufactured by Selective Laser Melting (SLM) as a Promising Intervertebral Fusion Cage. Int J MolSci. 2022;23(7):3985. Published 2022 Apr 3. doi:10.3390/ijms23073985

Leo SJ, Tan MY, Yee SHX, Lee FKF, Tan KBC. Rotational load fatigue performance of titanium vs titanium-zirconium implant-abutment connections. Int J Oral Maxillofac Implants. 2022;37(4):740-747. doi: 10.11607/jomi.9260

Delgado-Ruiz R, Romanos G. Potential causes of titanium particle and ion release in implant dentistry: a systematic review. Int J MolSci. 2018; 19(11):3585. Published 2018 Nov 13. doi:10.3390/ijms19113585

Antoniadi Yu. V. Organization of specialized surgical care for patients with near- and intra-articular fractures of the bones of the lower extremities. Genius of Orthopedics. 2018. 24(2):126-133. Russian (Антониади Ю. В. Организация специализированной хирургической помощи пациентам с около- и внутрисуставными переломами костей нижних конечностей // Гений ортопедии. 2018. Т.24, № 2. С. 126- 133)

Biomaterials science: an introduction to materials in vedicine. 2nd ed. Ratner, BD, Hoffman AS, Schoen FJ, Lemons JE. (Eds.). Academic Press: San Diego, CA, USA, 2004. 864 p.

Li X, Gao P, Wan P, Pei Y, Shi L, Fan B, et al. Novel bio-functional magnesium coating on porous Ti6Al4V orthopaedic implants: in vitro and in vivo study. Sci Rep. 2017;7:40755. doi: 10.1038/srep40755

Khrunyk YY, Ehnert S, Grib SV, Illarionov AG, Stepanov SI, Popov AA, et al. Synthesis and characterization of a novel biocompatible alloy, Ti-Nb-Zr-Ta-Sn. Int J Mol Sci. 2021;22(19):10611. doi: 10.3390/ijms221910611

Lütjering G, Williams JC. Titanium : : Engineering Materials and Processes, Springer, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg 2007

S. Nadezhdin SV, Zubareva EV, Burda YE, Kolobov YR, Ivanov MB, Khramov GV, et al. Influence of implants surface properties on bone tissue formation in the ectopic osteogenesis Test. Bull Exp Biol Med. 2017;162(6):812-814. doi: 10.1007/s10517-017-3719-9

Chang B, Song W, Han T, Yan J, Li F, Zhao L, et al. Influence of pore size of porous titanium fabricated by vacuum diffusion bonding of titanium meshes on cell penetration and bone ingrowth. Acta Biomater. 2016;33:311-321. doi: 10.1016/j.actbio.2016.01.022

Mour M, Das D, Winkler T, Hoenig E, Mielke G, Morlock MM, et al. Advances in porous biomaterials for dental and orthopaedic applications. Materials. 2010; 3: 2947 - 2974

Gao C, Wang C, Jin H, Wang Z, Li Z, Shi C, et al. Additive manufacturing technique-designed metallic porous implants for clinical application in orthopedics. RSCAdv. 2018;8(44):25210-25227. doi: 10.1039/c8ra04815k

Kirmanidou Y, Sidira M, Drosou ME, Bennani V, Bakopoulou A, Tsouknidas A, et al. New ti-alloys and surface modifications to improve the mechanical Properties and the biological response to orthopedic and dental implants: a review. Biomed Res Int. 2016;2016:2908570. doi: 10.1155/2016/2908570

Dziaduszewska M, Zieliński A. Structural and material determinants influencing the behavior of porous ti and its alloys made by additive manufacturing techniques for biomedical applications. Materials (Basel). 2021;14(4):712

Sun C, Dong E, Chen J, Zheng J, Kang J, Jin Z, Liu C, et al. The promotion of mechanical properties by bone ingrowth in additive-manufactured titanium scaffolds. J Funct Biomater. 2022;13(3):127. doi: 10.3390/jfb13030127

Pałka K, Pokrowiecki R. (2018), Porous titanium implants: a review. Adv. Eng. Mater. 2018; 20: 1700648. https://doi.org/10.1002/adem.201700648

Albrektsson T, Jansson T, Lekholm U. Osseointegrated dental implants. Dent. Clin. North Am. 1986; 130:151. Doi: 10.1016/s0140-6736(86)92568-7

Furrer S, Scherer Hofmeier K, Grize L, Bircher AJ. Metal hypersensitivity in patients with orthopaedic implant complications - a retrospective clinical study. Contact Dermatitis. 2018;79(2):91-98. doi: 10.1111/cod.13032

Feng X, Chen A, Zhang Y, Wang J, Shao L, Wei L. Application of dental nanomaterials: potential toxicity to the central nervous system. Int J Nanomedicine. 2015;10:3547–3565. doi: 10.2217/nnm.15.178

Kim KT, Eo MY, Nguyen TTH, Kim SM. General review of titanium toxicity. Int J Implant Dent. 2019;5(1):10. doi: 10.1186/s40729-019-0162-x

Thukkaram M, Vaidulych M, Kylian O, Hanus J, Rigole P, Aliakbarshirazi S, et al. Investigation of Ag/a-C:Hnanocomposite coatings on titanium for orthopedic applications. ACS Appl. Mater. 2020; Interfaces 12:21. doi: 10.1021/acsami. 9b23237

Tang G, Liu Z, Liu Y, Yu J, Wang X, Tan Z, et al. Recent trends in the development of bone regenerative biomaterials. Front Cell Dev Biol. 2021;9:665813. doi: 10.3389/fcell.2021.665813

Han Q, Wang C, Chen H, Zhao X, Wang J. Porous tantalum and titanium in orthopedics: a review. ACS Biomater. Sci. Eng. 2019; 5: 5798–5824. Doi: 10.1021/acsbiomaterials.9b00493

Fraser D, Mendonca G, Sartori E, Funkenbusch P, Ercoli C, Meirelles L. Bone response to porous tantalum implants in a gap healing model. Clin. Oral Implants Res. 2019; 30: 156–168. Doi: 10.1111/clr.13402

Tang G, Tan Z, Zeng W, Wang X, Shi C, Liu Y, et al. Recent advances of chitosan-based injectable hydrogels for bone and dental tissue regeneration. Front. Bioeng. Biotechnol. 2020; 8:587658. doi: 10.3389/fbioe.2020.58 7658

Guo Y, Xie K, Jiang W, Wang L, Li G, Zhao S, et al. In vitro and in vivo study of 3D-printed porous Tantalum scaffolds for repairing bone defects. ACS Biomater. Sci. Eng. 2019; 5: 1123–1133. Doi: 10.1021/acsbiomaterials. 8b01094

Sidambe AT. Biocompatibility of advanced manufactured titanium implants: a review. Materials (Basel). 2014; 7(12):8168-8188. doi: 10.3390/ma7128168

Bartolomeu F, Sampaio M, Carvalho O, Pinto E, Alves N, Gomes JR, et al. Tribological behavior of Ti6Al4V cellular structures produced by selective laser melting. J MechBehav Biomed Mater. 2017; 69:128–134

Lietaert K, Cutolo A, Boey D, Van Hooreweder B. Fatigue life of additively manufactured Ti6Al4V scafolds under tension-tension, tension-compression and compression-compression fatigue load. SciRep. 2018;8(1):4957

Palmquist A, Snis A, Emanuelsson L, Browne M, Thomsen P. Long-term biocompatibility and osseointegration of electron beam melted, free-form-fabricated solid and porous titanium alloy: experimental studies in sheep. J. Bio Mater. Appl. 2013; 27:1003–1016

Sago JA, Broadley MW, Eckert JK. Metal injection molding of alloys for implantable medical devices. International Journal of Powder Metallurgy. 2012; 48(2): 41–49

Kreuter J. Nanoparticles and nanocapsules - new dosage forms in the nanometer size range. Pharm Acta Helv. 1978;53(2):33-39

Yang Y, Ao HY, Yang SB, Wang YG, Lin WT, Yu ZF, et al. In vivo evaluation of the anti-infection potential of gentamicin-loaded nanotubes on titania implants. Int J Nanomedicine. 2016;11:2223-2234. doi: 10.2147/IJN.S102752

Abad CL, Haleem A. Prosthetic joint infections: an update. Curr Infect Dis Rep. 2018;20(7):15. doi:10.1007/s11908-018-0622-0

Badar M, Rahim MI, Kieke M, Ebel T, Rohde M, Hauser H, et al. Controlled drug release from antibiotic-loaded layered double hydroxide coatings on porous titanium implants in a mouse model. J Biomed Mater Res A. 2015;103(6):2141-2149. doi: 10.1002/jbm.a.35358

Amin Yavari S, Loozen L, Paganelli FL, Bakhshandeh S, Lietaert K, Groot JA, et al. Antibacterial behavior of additively manufactured porous titanium with nanotubular surfaces releasing silver ions. ACS Appl Mater Interfaces. 2016;8(27):17080-17089. doi: 10.1021/acsami.6b03152

Pokrowiecki R, Zaręba T, Szaraniec B, Pałka K, Mielczarek A, Menaszek E, et al. In vitro studies of nanosilver-doped titanium implants for oral and maxillofacial surgery. Int J Nanomedicine. 2017;12:4285-4297. doi: 10.2147/IJN.S131163

Thomas MB, Metoki N, Mandler D, Eliaz N. In situ potentiostatic deposition of calcium phosphate with gentamicin-loaded chitosan nanoparticles on titanium alloy surfaces. Electrochim. Acta. 2016;222:355–360. doi: 10.1016/j.electacta.2016.10.186

Zhang E, Zhao X, Hu J, Wang R, Fu S, Qin G. Antibacterial metals and alloys for potential biomedical implants. BioactMater. 2021;6(8):2569-2612. doi:10.1016/j.bioactmat.2021.01.030

Chouirfa H, Bouloussa H, Migonney V, Falentin-Daudré C. Review of titanium surface modification techniques and coatings for antibacterial applications. Acta Biomater. 2018; 83: 37–54

Chae K, Jang WY, Park K, Lee J, Kim H, Lee K, et al. Antibacterial infection and immune-evasive coating for orthopedic implants. Sci Adv. 2020; 28;6(44):eabb0025. doi: 10.1126/sciadv.abb0025

Croes M, Bakhshandeh S, van Hengel I, Lietaert K, van Kessel K, Pouran B, et al. Antibacterial and immunogenic behavior of silver coatings on additively manufactured porous titanium. Acta Biomater. 2018; 81: 315–327

Auñón Á, Esteban J, Doadrio AL, Boiza-Sánchez M, Mediero A, Eguibar-Blázquez D, et al. Staphylococcus aureus prosthetic joint Infection is prevented by a fluorine- and phosphorus-doped nanostructured Ti-6Al-4V alloy loaded with gentamicin and vancomycin. J Orthop Res. 2020;38(3):588-597. doi: 10.1002/jor.24496

Tikhilov RM, Shubnyakov II, Denisov AO, Konev VA, Gofman I V, Mikhailova PM, et al. Bone and soft tissue integration of porous titanium implants (experimental study). Traumatology and Orthopedics of Russia. 2018; 24(2):95-107. Russian (Тихилов Р. М., Шубняков И. И., Денисов А. О., Конев В. А., Гофман И. В., Михайлова П. М., и др. Костная и мягкотканная интеграция пористых титановых имплантатов (экспериментальное исследование) // Травматология и ортопедия России. 2018. № 24(2). С. 95–107. https://doi.org/10.21823/2311-2905-2018-24-2-95-107)

Gilev MV, Volokitina EA, Antropova IP, Bazarny VV, Kutepov S M. Markers of bone remodeling during the replacement of defective trabecular bone tissue with resorbable and non-resorbable osteoplastic materials in the experiment. Genius of Ortopedics. 2020; (20):222-227. Russian (Гилев М. В., Волокитина Е. А., Антропова И. П., Базарный В. В., Кутепов С. М. Маркеры костного ремоделирования при замещении дефектатрабекулярной костной ткани резорбируемыми и нерезорбируемымиостеопластическими материалами в эксперименте // Гений ортопедии. 2020. №2. С. 222-227)

Koshelev VS, Gilev MV. Studying the effect of basic osteoplastic materials on the densitometric parameters of bone tissue // Proceedings of the IIIrd International Scientific and Practical Conference of Young Scientists and Students [Electronic resource], Yekaterinburg, April 3-5, 2018 Yekaterinburg: UGMU publishing, 2018. Vol. 3. 825-830 p. Russian (Кошелев В. С., Гилев М. В. Изучение влияния основных остеопластических материалов на денситометрические параметры костной ткани // Материалы III Международной научно-практической конференции молодых учёных и студентов [Электронный ресурс], Екатеринбург, 3-5 апреля 2018 г. Екатеринбург: Изд-во УГМУ, 2018. Т.3. С. 825-830. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=39210215&pff=1)

Eliaz N, Ritman-Hertz O, Aronov D, Weinberg E, Shenhar Y, Rosenman G, et al. The effect of surface treatments on the adhesion of electrochemically deposited hydroxyapatite coating to titanium and on its interaction with cells and bacteria. J. Mater. Sci.Mater.Med. 2011;22:1741–1752.doi: 10.1007/s10856-011-4355-y

Metoki N, Mandler D, Eliaz N. The effect of decorating titanium with different self-assembled monolayers on the electrodeposition of calcium phosphate. Cryst. Gr. Des. 2016;16:2756–2764. doi: 10.1021/acs.cgd.6b00057

Tantavisut S, Lohwongwatana B, Khamkongkaeo A, Tanavalee A, Tangpornprasert P, Ittiravivong P. The novel toxic free titanium-based amorphous alloy for biomedical application. J. Mater. Res. Technol.2017; doi: 10.1016/j.jmrt.2017.08.007

Ilea A, Vrabie OG, Băbţan AM, Miclăuş V, Ruxanda F, Sárközi M, et al. Osseointegration of titanium scaffolds manufactured by selective laser melting in rabbit femur defect model. J Mater Sci Mater Med. 2019; 30(2): 26, https://doi.org/10.1007/s10856-019-6227-9

Zhao H, Shen S, Zhao L, Xu Y, Li Y, Zhuo N. 3D printing of dual-cell delivery titanium alloy scaffolds for improving osseointegration through enhancing angiogenesis and osteogenesis. BMC MusculoskeletDisord. 2021;22(1):734. doi: 10.1186/s12891-021-04617-7

Jónsson BY, Mjöberg B. Porous titanium granules are better than autograft bone as a bone void filler in lateral tibial plateau fractures: a randomised trial. Bone Joint J. 2015;97-B(6):836-841. doi: 10.1302/0301-620X.97B6.34552


Статистика просмотров

Загрузка метрик ...

Ссылки

  • На текущий момент ссылки отсутствуют.