Preview

Травматология и ортопедия России

Расширенный поиск

Микродуговые Zn- и Ag-содержащие покрытия для имплантатов со сложной поровой архитектурой, полученных методом 3D-печати из титанового сплава

https://doi.org/10.21823/2311-2905-2020-26-2-109-119

Полный текст:

Аннотация

Актуальность. Создание пористых трехмерных материалов для возмещения дефектов кости и ее последующей регенерации является важным направлением медицинского материаловедения. Определяющими являются свойства поверхности имплантата при взаимодействии последнего с костной тканью.

Цель исследования — оценить физико-химические свойства и совместимость с тканями живого организма пористых имплантатов со сформированными методом микродугового оксидирования кальций-фосфатными Zn- и Ag-содержащими покрытиями.

Материал и методы. Имплантаты с различными типами пористой структуры получали методом прямого лазерного спекания из порошков титанового сплава Ti-6Al-4V. На поверхности имплантатов были сформированы методом микродугового оксидирования кальций-фосфатные покрытия, в том числе Zn- и Ag-содержащие.

Результаты. Покрытия, нанесенные в электролитах разных составов, равномерно распределены по сетчатой структуре имплантатов. Фазовый состав Zn-содержащих покрытий, нанесенных в кислом электролите, представлен аморфными фосфатами кальция. Ag-содержащие покрытия, нанесенные в щелочном электролите, имеют аморфно-кристаллическую структуру, в качестве кристаллической фазы в них идентифицируется трикальцийфосфат в модификации α и β. По результатам МТТ-теста была выявлена высокая метаболическая активность постнатальных фибробластов человека линии pFb при их совместном культивировании с экстрактами образцов кальций-фосфатных Zn- и Ag-содержащих покрытий в течение 48 ч. в условиях 37ºС, в 5% атмосфере СО2, в сравнении с величиной метаболической активности постнатальных фибробластов человека интактной культуры.

Заключение. В процессе исследования влияния кальций-фосфатных Zn- и Ag-содержащих покрытий на живые постнатальные фибробласты человека линии pFb выявили сохранение жизнеспособности клеток культуры, что позволяет сделать заключение о том, что изделие и его компоненты не влияли негативно на показатель клеточного дыхания, что обеспечивает сохранность жизнеспособности клеток в течение 48 ч. Однако необходимы дальнейшие исследования для определения скорости биорезорбции и степени выраженности антибактериальных свойств кальций- фосфатных Zn- и Ag-содержащих покрытий.

Об авторах

Ю. П. Шаркеев
ФГБУН «Институт физики прочности и материаловедения» СО РАН; ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
Россия

Шаркеев Юрий Петрович — д-р физ.-мат. наук, профессор, заведующий лабораторией физики наноструктурных биокомпозитов; профессор 

г. Томск



М. Б. Седельникова
ФГБУН «Институт физики прочности и материаловедения» СО РАН
Россия

Седельникова Мария Борисовна — д-р техн. наук, доцент, старший научный сотрудник лаборатории физики наноструктурных биокомпозитов

г. Томск



Т. В. Толкачева
ФГБУН «Институт физики прочности и материаловедения» СО РАН
Россия

Толкачева Татьяна Викторовна — ведущий технолог лаборатории физики наноструктурных биокомпозитов

г. Томск



Н. А. Щеглова
ООО «ЛОГИКС Медицинские Системы
Россия

Щеглова Наталья Александровна — директор по развитию 

г. Новосибирск



А. А. Панченко
ООО «ЛОГИКС Медицинские Системы
Россия

Панченко Андрей Александрович — технический директор 

г. Новосибирск



И. Б. Красовский
ООО «ЛОГИКС Медицинские Системы
Россия

Красовский Игорь Борисович — директор 

г. Новосибирск



М. В. Соломатина
ФГБНУ «Федеральный исследовательский центр фундаментальной и трансляционной медицины»
Россия

Соломатина Мария Владимировна — канд. биол. наук, научный сотрудник, лаборатория разработки и испытаний фармакологических средств

г. Новосибирск



М. В. Ефименко
ФГБУ «Новосибирский научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии им. Я.Л. Цивьяна» Минздрава России
Россия

Ефименко Максим Владимирович — травматолог- ортопед травматолого-ортопедического отделения

г. Новосибирск



В. В. Павлов
ФГБУ «Новосибирский научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии им. Я.Л. Цивьяна» Минздрава России
Россия

Павлов Виталий Викторович — д-р мед. наук, начальник научно-исследовательского отделения эндопротезирования и эндоскопической хирургии суставов

г. Новосибирск



Л. А. Черданцева
ФГБНУ «Федеральный исследовательский центр фундаментальной и трансляционной медицины»; ФГБУ «Новосибирский научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии им. Я.Л. Цивьяна» Минздрава России
Россия

Черданцева Лилия Александровна — канд. мед. наук, заведующая лабораторией заготовки и консервации тканей; ведущий научный сотрудник 

г. Новосибирск



И. А. Кирилова
ФГБУ «Новосибирский научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии им. Я.Л. Цивьяна» Минздрава России
Россия

Кирилова Ирина Анатольевна — д-р мед. наук, зам. директора по научной работе

г. Новосибирск



Список литературы

1. Bassous N.J., Jones C.L., Webster T.J. 3-D printed Ti-6Al-4V scaffolds for supporting osteoblast and restricting bacterial functions without using drugs: predictive equations and experiments. Acta Biomater. 2019;96:662-673. doi: 10.1016/j.actbio.2019.06.055.

2. Ahangar P., Cooke M.E., Weber M.H., Rosenzweig D.H. Current biomedical applications of 3D printing and additive manufacturing. Review Appl Sci. 2019;9(8):1713. doi: 10.3390/app9081713.

3. Zhang Y., Li J., Che S., Yang Z., Tia Y. Chemical leveling mechanism and oxide film properties of additively manufactured Ti–6Al–4V alloy. J Mater Sci. 2019;54:13753-13766. doi: 10.1007/s10853-019-03855-4.

4. McHugh K.J., Nguyen T.D., Linehan A.R., Yang D., Behrens A.M., Rose S. et al. Fabrication of fillable microparticles and other complex 3D microstructures. Science. 2017;357(6356):1138-1142. doi: 10.1126/science.aaf7447.

5. Arabnejad S., Johnston B., Tanzer M., Pasini D. Fully porous 3D printed titanium femoral stem to reduce stress-shielding following total hip arthroplasty. J Orthop Res. 2017;35(8):1774-1783. doi: 10.1002/jor.23445.

6. Surmenev R.A., Surmeneva M.A., Ivanova A.A. Significance of calcium phosphate coatings for the enhancement of new bone osteogenesis--areview. Acta Biomater. 2014;10(2):557-579. doi: 10.1016/j.actbio.2013.10.036.

7. Falde E.J., Yohe S.T., Colson Y.L., Grinstaff M.W. Superhydrophobic materials for biomedical applications. Biomaterials. 2016;104:87-103. doi: 10.1016/j.biomaterials.2016.06.050.

8. Otitoju T.A., Ahmad A.L., Ooi B.S. Superhydrophilic (superwetting) surfaces: A review on fabrication and application. J Industr Engineer Chemistry. 2017;47:19-40. doi: 10.1016/j.jiec.2016.12.016.

9. Denry I., Kuhn L.T. Design and characterization of calcium phosphate ceramic scaffolds for bone tissue engineering. Dent Mater. 2016;32(1):43-53. doi: 10.1016/j.dental.2015.09.008.

10. Sharma S., Verma A., Teja B.V., Pandey G., Mittapelly N., Trivedi R. et al. An insight into functionalized calcium based inorganic nanomaterials in biomedicine: Trends and transitions. Colloids Surf B Biointerfaces. 2015;133:120-139. doi: 10.1016/j.colsurfb.2015.05.014.

11. Rizwan M., Alias R., Zaidi U.Z., Mahmoodian R., Hamd M. Surface modification of valve metals using plasma electrolytic oxidation for antibacterial applications: A review. J Biomed Mater Res A. 2018;106(2):590-605. doi: 10.1002/jbm.a.36259.

12. Liu S., Li B., Liang C., Wang H., Qiao Z., Formation mechanism and adhesive strength of a hydroxyapatite/TiO2 composite coating on a titanium surface prepared by micro-arc oxidation. Applied Surf Sci. 2016;362:109-114. doi: 10.1016/j.apsusc.2015.11.086.

13. Гнеденков С.В., Шаркеев Ю.П., Синебрюхов С.Л., Хрисанова О.А., Легостаева Е.В., Завидная А.Г. и др. Кальций-фосфатные биоактивные покрытия на титане. Вестник ДВО РАН. 2010;(5):47-57.

14. Седельникова М.Б., Шаркеев Ю.П., Комарова Е.Г., Толкачева Т.В. Влияние параметров процесса микро-дугового оксидирования на формирование и свойства биопокрытий на основе волластонита и фосфатов кальция. Физика и химия обработки материалов. 2016;(6):57-63.

15. Шаркеев Ю.П., Шейкин В.В., Седельникова М.Б., Легостаева Е.В., Комарова Е.Г., Ермаков В.В. и др. Модифицирование поверхности титановых медицинских скобок для сшивающих аппаратов методом микродугового оксидирования. Перспективные материалы. 2015;(10):46-55.

16. Сафронова Т.В., Путляев В.И. Медицинское неорганическое материаловедение в России: кальцийфос-фатные материалы. Наносистемы: физика, химия, математика. 2013;4(1):24-47.

17. Dorozhkin S.V. Calcium orthophosphate deposits: Preparation, properties and biomedical applications. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2015;55:272-326. doi: 10.1016/j.msec.2015.05.033.

18. Aydogan D.T., Muhaffel F., Kilic M.M., Acar O.K, Cempura G., Baydogan M. et al. Optimization of microarc oxidation electrolyte for fabrication of antibacterial coating on titanium. Mater Technol. 2018;33(2):119-126. doi: 10.1080/10667857.2017.1391931.

19. Widmer A.F. New developments in diagnosis and treatment of infection in orthopedic implants. Clin Infect Dis. 2001;33 Suppl 2:S94-S106. doi: 10.1086/321863.

20. Morrison C., Macnair R., MacDonald C., Wykman A., Goldie I., Grant M.H. In vitro biocompatibility testing of polymers for orthopaedic implants using cultured fibroblasts and osteoblasts. Biomaterials. 1995;16(13): 987-992. doi: 10.1016/0142-9612(95)94906-2.

21. Moller B., Terheyden H., Acil Y., Purcz N.M., Hertrampf K., Tabakov A. et al. A comparison of biocompatibility and osseointegration of ceramic and titanium implants: an in vivo and in vitro study. Int J Oral Maxillofac Surg. 2012;41(5):638-645. doi: 10.1016/j.ijom.2012.02.004.

22. Sedelnikova M.B., Komarova E.G., Sharkeev Yu.P., Ugodchikova A.V., Mushtovatova L.S., Karpova M.R. et al. Zn-, Cu- or Ag-incorporated micro-arc coatings on titanium alloys: Properties and behavior in synthetic biological media. Surface Coating Technology. 2019;369:52-68. doi: 10.1016/j.surfcoat.2019.04.021.

23. Wallace S.M., Walton B.I., Kharbanda R.K., Hardy R., Wilson A.P., Swanton R.H. Mortality from infective endocarditis: clinical predictors of outcome. Heart. 2002;88(1):53-60. doi: 10.1136/heart.88.1.53.

24. Furko M., Jiang Y., Wilkins T.A., Balázsi C. Electrochemical and morphological investigation of silver and zinc modified calcium phosphate bioceramic coatings on metallic implant materials. Mater Sci Eng С. 2016;62:249-259. doi: 10.1016/j.msec.2016.01.060.

25. Евдокимов П.В., Путляев В.И., Мерзлов Д.А., Шаталова Т.Б., Сафронова Т.В., Климашина Е.С., Чурагулов Б.Р. Полиморфизм Ca3(PO4)2. Наносистемы: физика, химия, математика. 2013;4(1):48-53.


Для цитирования:


Шаркеев Ю.П., Седельникова М.Б., Толкачева Т.В., Щеглова Н.А., Панченко А.А., Красовский И.Б., Соломатина М.В., Ефименко М.В., Павлов В.В., Черданцева Л.А., Кирилова И.А. Микродуговые Zn- и Ag-содержащие покрытия для имплантатов со сложной поровой архитектурой, полученных методом 3D-печати из титанового сплава. Травматология и ортопедия России. 2020;26(2):109-119. https://doi.org/10.21823/2311-2905-2020-26-2-109-119

For citation:


Sharkeev Y.P., Sedelnikova M.B., Tolkacheva T.V., Shcheglova N.A., Panchenko A.A., Krasovsky I.B., Solomatina М.V., Efimenko M.V., Pavlov V.V., Cherdantseva L.A., Kirilova I.A. Micro-Arc Zn- and Ag-Containing Coatings for Implants with Complex Porous Architecture Obtained by 3D Printing Method from Titanium Alloy. Traumatology and Orthopedics of Russia. 2020;26(2):109-119. (In Russ.) https://doi.org/10.21823/2311-2905-2020-26-2-109-119

Просмотров: 121


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2311-2905 (Print)
ISSN 2542-0933 (Online)