Traumatology and Orthopedics of RussiaTraumatology and Orthopedics of RussiaТравматология и ортопедия России2311-29052542-0933Vreden National Medical Research Center of Traumatology and Orthopedics155110.21823/2311-2905-2021-27-1-37-52Theoretical and experimental studiesТеоретические и экспериментальные исследованияTheoretical and experimental studiesEfficiency of 3D Implants with Bioactive Properties for Treatment of Extensive Bone Defects: Experimental StudyЭффективность использования 3D-имплантатов с биоактивными свойствами для замещения обширных дефектов костей: экспериментальное исследованиеhttps://orcid.org/0000-0001-5791-1989PopkovA. V.ПопковА. В.
Russian Federation

Arnold V. Popkov — Dr. Sci. (Med.), Professor, Chief Researcher

Kurgan

Попков Арнольд Васильевич — д-р мед. наук, профессор, главный научный сотрудник

г. Курган

apopkov.46@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5990-8908KononovichN. A.КононовичН. А.
Russian Federation

Natalia A. Kononovich — Cand. Sci. (Vet.), Leading Researcher

Kurgan

Кононович Наталья Андреевна — канд. вет. наук, ведущий научный сотрудник

г. Курган

n.a.kononovich@mail.ruGorbachE. N.ГорбачЕ. Н.
Russian Federation

Elena N. Gorbach — Cand. Sci. (Biol.), Leading Researcher

Kurgan

Горбач Елена Николаевна — канд. биол. наук, ведущий научный сотрудник

г. Курган

gorbach.e@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8996-867XPopkovD. A.ПопковД. А.
Russian Federation

Dmitriy А. Popkov — Dr. Sci. (Med.), Professor RAS, Head of the Clinic for Neuro-orthopedics, Systemic Diseases and Pathology of the Foot, Traumatologist-Orthopedist of the Highest Category, Corresponding Member of the French Academy of Medical Sciences

Kurgan

Попков Дмитрий Арнольдович — д-р мед. наук, профессор РАН, член-корреспондент Французской академии медицинских наук, руководитель клиники нейроортопедии, системных заболеваний и патологии стопы

г. Курган

dpopkov@mail.ruIlizarov National Medical Research Centre for Traumatology and OrthopedicsФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии им. акад. Г.А. Илизарова» Минздрава России1504202127137520111202028122020https://journal.rniito.org/jour/article/view/1551

Background. The problem of replacing extensive bone defects remains relevant. The use of implant structures with bioactive properties can stimulate osteogenesis, which will improve the final treatment result.

The aim of the study. In an in vivo experiment, to study the possibility of replacing an extensive defect in the bone diaphysis with a personal bioactive cellular 3D implant and evaluate the long-term results of its use.

Materials and Methods. In an in vivo experiment, adult large mongrel dogs (n = 8) were modeled with an extensive segmental defect of the tibial diaphysis measuring 4 cm. The defect was replaced with a cellular bioactive 3D implant made of titanium alloy Ti6Al4V, manufactured using the additive technology. The diameter of the cells was 1.5 mm on average. The walls of the implant had pores of 100– 300 μm in size. The inner and outer surfaces were coated with a calcium phosphate layer formed by micro-arc oxidation. The primary fixation was provided with the Ilizarov apparatus. In the early postoperative period, antibiotic prophylaxis with broad-spectrum drugs was performed. Clinical, X-ray, histological and statistical methods were used to analyze the results. The main control points were considered: the end of external fixation with the Ilizarov apparatus, after 180 days and 1 year after the termination of external fixation.

Results. During the experiment, the death of animals and complications were not observed. The spatial location of the implant was preserved. The formation of a strong bone-implantation block occurred 37.2±6.3 days after the operation. During this period, the external fixation apparatus was dismantled. Osseointegration was provided under conditions of sufficient primary mechanical stability, due to the cellular structure of the implant, the presence of pores on its walls, and the osteoinductive properties of the applied calcium phosphate coating. The achieved degree of osseointegration persisted in long-term periods (6 months and 1 year after the termination of external fixation). The osteoinductive properties of the calcium phosphate coating were confirmed by the expression of osteopontin cells at all stages of the experiment. Outflow of Ca and P from bone fragments was not observed. An elastic sheath was formed on the surface of the implant, similar in structure to the periosteum. The implant cells were filled with a well-vascularized bone substrate. In the projection of the intermediate zone, compact bone tissue was formed, and in the projection of the medullary canal — reticulofibrous bone marrow. This indicates the possibility of organotypic remodeling of bone structures inside the implant.

Conclusion. The results of the study showed the effectiveness of using a bioactive cellular 3D implant to replace an extensive defect in the shaft of the bone. The architectonics and osteoinductive properties of the implant surface contributed to the formation of complete osseointegration in a short time, while maintaining the achieved result in long-term periods.

Актуальность. Проблема замещения обширных костных дефектов остается актуальной. Использование имплантационных конструкций с биоактивными свойствами может стимулировать остеогенез, что улучшит окончательный результат лечения.

Цель исследования — в эксперименте in vivo изучить возможность замещения обширного дефекта диафиза кости персональным биоактивным ячеистым 3D-имплантатом и оценить отдаленные результаты его использования.

Цель исследования — в эксперименте in vivo изучить возможность замещения обширного дефекта диафиза кости персональным биоактивным ячеистым 3D-имплантатом и оценить отдаленные результаты его использования.

Материал и методы. В эксперименте in vivo взрослым крупным беспородным собакам (n = 8) моделировали обширный сегментарный дефект диафиза большеберцовой кости величиной 4 см. Дефект замещали ячеистым биоактивным 3D-имплантатом из титанового сплава Ti6Al4V, изготовленным по аддитивной технологии. Диаметр ячеек составлял в среднем 1,5 мм. Стенки имплантата имели поры размером 100–300 мкм. Внутренние и наружные поверхности были покрыты кальций-фосфатным слоем, сформированным методом микродугового оксидирования. Первичную фиксацию обеспечивали аппаратом Илизарова. В раннем послеоперационном периоде проводили антибиотикопрофилактику препаратами широкого спектра действия. Для анализа результатов использовали клинический, рентгенографический, гистологический и статистический методы. Основными контрольными точками считали: окончание внешней фиксации аппаратом Илизарова, через 180 сут. и через 1 год после прекращения внешней фиксации.

Результаты. На протяжении эксперимента гибели животных и осложнений не наблюдали. Пространственное расположение имплантата сохранялось. Формирование прочного костно-имплантационного блока происходило через 37,2±6,3 сут. после операции. В этот период аппарат внешней фиксации демонтировали. Остеоинтеграция обеспечивалась в условиях достаточной первичной механической стабильности за счет ячеистой структуры имплантата, наличия пор на его стенках и остеоиндуктивных свойств нанесенного кальций-фосфатного покрытия. Достигнутая степень остеоинтеграции сохранялась и в отдаленные периоды (через 6 мес. и 1 год после прекращения внешней фиксации). Остеоиндуктивные свойства кальций-фосфатного покрытия подтверждались экспрессией клетками остеопонтина на всех этапах эксперимента. Оттока Са и Р из отломков кости не наблюдали. На поверхности имплантата была образована эластичная оболочка, по строению схожая с надкостницей. Ячейки имплантата были заполнены хорошо васкуляризированным костным субстратом. В проекции интермеди- арной зоны формировалась компактная костная ткань, а в проекции костномозгового канала — ретикулофиброзный костный мозг. Это свидетельствует о возможности органотипического ремоделировния структур кости внутри имплантата.

Заключение. Результаты исследования показали эффективность использования биоактивного ячеистого 3D-имплантата для замещения обширного дефекта диафиза кости. Архитектоника и остеоиндуктивные свойства поверхности имплантата способствовали формированию полной остеоинтеграции в короткие сроки с сохранением достигнутого результата в отдаленные периоды.

bone defect3D implantadditive technologiesbioactive coatingosseointegrationIlizarov apparatusдефект кости3D-имплантатаддитивные технологиибиоактивное покрытиеостеоинтеграцияаппарат Илизароваstate budgetary fundingработа выполнена в рамках программы НИР Государственного задания на 2018– 2020 гг. «Разработка и экспериментальное обоснование биоактивного кастомизированного остеосинтеза». Результаты будут использованы в качестве контроля при выполнении программы НИР Государственного задания на 2021–2023 гг. «Биоактивный остеосинтез повреждений длинных трубчатых костей»1. Какорина Е.П., Огрызко Е.В., Андреева Т.М. Информационное обеспечение статистики травматизма в Российской Федерации. Врач и информацион- ные технологии. 2014;(2):67-73.2. Крюков Е.В., Брижань Л.К., Хоминец В.В., Давыдов Д.В., Чирва Ю.В., Севастьянов В.И. и др. Опыт клинического применения тканеинженерных конструкций в лечении протяженных дефектов костной ткани. Гений ортопедии. 2019;25(1):49-57. doi: 10.18019/1028-4427-2019-25-1-49-57.3. Hernigou P., Beaujean, F. Treatment of osteonecrosis with autologous bone marrow grafting. Clin Orthop Relat Res. 2002;(405):14-23. doi: 10.1097/00003086-200212000-00003.4. Тюляев Н.В., Воронцова Т.Н., Соломин Л.Н., Скоморошко П.В. История развития и современное состояние проблемы лечения травм конечностей методом чрескостного остеосинтеза (обзор литературы). Травматология и ортопедия России. 2011;(2): 179-190. doi: 10.21823/2311-2905-2011-0-2-179-190.5. Borzunov D.Y., Shastov A.L. Mechanical solutions to salvage failed distraction osteogenesis in large bone defect management. Int Orthop. 2019;43(5):1051-1059. doi: 10.1007/s00264-018-4032-6.6. Барабаш А.П., Кесов Л.А., Барабаш Ю.А., Шпиняк С.П. Замещение обширных диафизарных дефектов длинных костей конечностей. Травматология и ортопедия России. 2014;(2):93-99.7. Morelli I., Drago L., George D.A., Romanò D., Romanò C.L. Managing large bone defects in children: a systematic review of the ‘induced membrane technique’. J Pediatr Orthop B. 2018;27(5):443-455. doi: 10.1097/BPB.0000000000000456.8. Black S.R., Kwon M.S., Cherkashin A.M., Samchukov M.L., Birch J.G., Jo C.H. Lengthening in Congenital Femoral Deficiency: A Comparison of Circular External Fixation and a Motorized Intramedullary Nail. J Bone Joint Surg Am. 2015;97(17):1432-1440. doi: 10.2106/JBJS.N.00932.9. Schiedel F., Rödl R. Spectrum of indications for intramedullary or external fixators for axis correction and limb lengthening. Orthopade. 2013;42(12):1018-1029. doi: 10.1007/s00132-012-2051-3.10. Цискарашвили А.В., Родионова С.С., Миронов С.П., Бухтин К.М., Горбатюк Д.С., Тараскин А.Ю. Метаболические нарушения костной ткани у пациентов с переломами длинных костей, осложнённых хроническим остеомиелитом. Гений ортопедии. 2019;25(2):149-155. doi: 10.18019/1028-4427-2019-25-2-149-155.11. Giannoudis P.V., Harwood P.J., Tosounidis T., Kanakaris N.K. Restoration of long bone defects treated with the induced membrane technique: protocol and outcomes. Injury. 2016;47 Suppl 6:S53-S61. doi: 10.1016/S0020-1383(16)30840-3.12. Azi M.L., Aprato A., Santi I., KfuriM.Jr., Masse A., Joeris A. Autologous bone graft in the treatment of posttraumatic bone defects: a systematic review and metaanalysis. BMC Musculoskelet Disord. 2016;17(1):465. doi: 10.1186/s12891-016-1312-4.13. Faur C.I., Niculescu B. Comparative biomechanical analysis of three implants used in bicondylartibial frac tures. Wien Med Wochenschr. 2018;168(9-10):254-260. doi: 10.1007/s10354-017-0551-9.14. Малаев И.А., Пивовар М.Л. Аддитивные технологии: применение в медицине и фармации. Вестник фармации. 2019;(2):98-107.15. Приходько А.А., Виноградов К.А., Вахрушев С.Г. Меры по развитию медицинских аддитивных технологии в Российской Федерации. Медицинские технологии. Оценка и выбор. 2019;2(36):10-15. doi: 10.31556/2219-0678.2019.36.2.010-015.16. Popovich A.A., Sufiiarov V.S., Polozov I.A., Borisov E.V., Masaylo D.V., Vopilovskiy P.N. [et al.]. Use of Additive Techniques for Preparing Individual Components of Titanium Alloy Joint Endoprostheses. Biomed Eng. 2016;50(3):202-205. doi: 10.1007/s10527-016-9619-x.17. Cai H. Application of 3D printing in orthopedics: status quo and opportunities in China. Ann Transl Med. 2015;3 (Suppl 1):S12. doi: 10.3978/j.issn.2305-5839.2015.01.38.18. Федорова М.З., Надеждин С.В., Семихин А.С., Лазебная М.А., Храмов Г.В., Колобов Ю.Р. и др. Экспериментальная оценка композиционного материала на основе белково-минеральных компонентов и рекомбинантного костного морфогенетического белка-2 в качестве покрытия титановых имплантатов. Травматология и ортопедия России. 2011;(2):101-106. doi: 10.21823/2311-2905-2011-0-2-101-106.19. Kozelskaya A.I., Bolbasov E.N., Golovkin A.S., Mishanin A.I., Viknianshchuk A.N., Shesterikov E.V. et al. Modification of the ceramic implant surfaces from zirconia by the magnetron sputtering of different calcium phosphate targets: A comparative study. Materials (Basel). 2018;11(10):1949. doi: 10.3390/ma11101949.20. Morice A., Kolb F., Picard A., Kadlub N., Puget S. Reconstruction of a large calvarial traumatic defect using a custom-made porous hydroxyapatite implant covered by a free latissimusdorsi muscle flap in an 11-yearold patient. J Neurosurg Pediatr. 2017;19(1):51-55. doi: 10.3171/2016.8.PEDS1653.21. Гилев М.В., Волокитина Е.А., Антропова И.П., Базарный В.В., Кутепов С.М. Маркеры костного ре- моделирования при замещении дефектатрабекулярной костной ткани резорбируемыми и нерезорбируемымиостеопластическими материалами в эксперименте. Гений ортопедии. 2020;26(2):222-227. doi: 10.18019/1028-4427-2020-26-2-222-227.22. Kononovich N.A., Petrovskaia N.V., Krasnov V.V. Treating dogs with tibial shaft fractures using the transosseous osteosynthesis method according to Ilizarov. Eur J Comp Anim Prac. 2014;24(2):51-58.23. Williams D.L., Isaacson B.M. The 5 hallmarks of biomaterials success: an emphasis on orthopaedics. Adv Biosc Biotech. 2014;5(4):11. doi: 10.4236/abb.2014.54035.24. Николаев Н.С., Малюченко Л.И., Преображенская Е.В., Карпухин А.С., Яковлев В.В., Максимов А.Л. Применение индивидуальных вертлужных компонентов в эндопротезировании тазобедренного сустава при посттравматическом коксартрозе. Гений ортопедии. 2019; 25(2):207-213. doi: 10.18019/1028-4427-2019-25-2-207-213.25. Leśniewski W., Wawrylak M., Wieliczko P., Boroń Ł., Krzak I. Porous titanium materials produced using the HIP method. Key Engineering Materials. 2016;687:149-154. doi: 10.4028/www.scientific.net/KEM.687.149.26. Srivas P.K., Kapat K., Dadhich P., Pal P., Dutta J., Datta P. et al. Osseointegration assessment of extrusion printed Ti6Al4V scaffold towards accelerated skeletal defect healing via tissue in-growth. Bioprinting. 2017;6:8-17. doi: 10.1016/j.bprint.2017.04.002.27. Li X., Feng Y.F., Wang C.T., Li G.C., Lei W., Zhang Z.Y. et al. Evaluation of biological properties of electron beam melted Ti6Al4V implant with biomimetic coating in vitro and in vivo. PLoS One. 2012;7(12):e52049. doi: 10.1371/journal.pone.0052049.28. Karageorgiou V., Kaplan D. Porosity of 3D biomaterial scaffolds and osteogenesis. Biomaterials. 2005;26(27):5474-5491. doi: 10.1016/j.biomaterials.2005.02.002.29. Fujibayashi S., Neo M., Kim H.M., Kokubo T., Nakamura T. Osteoinduction of porous bioactive titanium metal. Biomaterials. 2004; 25(3):443-450. doi: 10.1016/S0142-9612(03)00551-9.30. 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;(2):95-107. doi: 10.21823/2311-2905-2018-24-2-95-107.31. Mills L.A., Simpson A. In vivo models of bone repair. J Bone Joint Surg Br. 2012;94(7):865-874. doi: 10.1302/0301-620X.94B7.27370.32. Buma P., Schreurs W., Verdonschot N. Skeletal tissue engineering - from in vitro studies to large animal models. Biomaterials. 2004;25(9):1487-1495. doi: 10.1016/S0142-9612(03)00492-7.33. Calasans-Maia M., Rossi A.M., Dias E.P., Santos S.R.A., Áscoli F., Granjeiro J.M. Stimulatory Effect on Osseous Repair of Zinc-Substituted Hydroxyapatite: Histological Study in Rabbit’s Tibia. Key Engineering Materials. 2007;361-363:1269-1272. doi: 10.4028/www.scientific.net/kem.361-363.1269.34. Blackwood D.J., Seah K.H. Influence of anodization on the adhesion of calcium phosphate coatings on titanium substrates. J Biomed Mater Res A. 2010;93(4):1551-1556. doi: 10.1002/jbm.a.32652.35. Daugaard H., Elmengaard B., Bechtold J.E., Jensen T., Soballe K. The effect on bone growth enhancement of implant coatings with hydroxyapatite and collagen deposited electrochemically and by plasma spray. J Biomed Mater Res A. 2010;92(3):913-921. doi: 10.1002/jbm.a.32303.36. Fedotkin A.Y., Bolbasov E.N., Kozelskaya A.I., Useinov A.S., Tverdokhlebov S.I. Deposition of calcium phosphate coatings using radio frequency magnetron sputtering of substituted β-tricalcium phosphate targets. J Phys: Conference Series. 2018;1115(3).032070. doi: 10.1088/1742-6596/1115/3/032070.37. Popkov A.V., Gorbach E.N., Kononovich N.A., Popkov D.A., Tverdokhlebov S.I., Shesterikov E.V. Bioactivity and osteointegration of hydroxyapatite-coated stainless steel and titanium wires used for intramedullary osteosynthesis. Strategies Trauma Limb Reconstr. 2017;12(2):107-113. doi: 10.1007/s11751-017-0282-x.38. Kononovich N.A., Stogov M.V., Popkov A.V., Gorbach, E.N., Kireeva E.A., Tushina N.V. et al. Kinetics of Calcium and Phosphate Release from the Surface of Implants Coated Using Different Techniques. Biomed Engineer. 2019;53(3):190-193. doi: 10.1007/s10527-019-09906-z.39. Шаркеев Ю.П., Седельникова М.Б., Толкачева Т.В., Щеглова Н.А., Панченко А.А., Красовский И.Б. и др. Микродуговые Zn и Ag-содержащие покрытия для имплантатов со сложной поровой архитектурой, полученных методом 3D-печати из титанового сплава. Травматология и ортопедия России. .40. Trisciuzzi R., Fracassi L., Martin H.A., Monopoli Forleo D., Amat D., Santos-Ruiz L. et al. 41 Cases of Treatment of Cranial Cruciate Ligament Rupture with Porous TTA: Three Years of Follow Up. Vet Sci. 2019;6(1):18. doi: 10.3390/vetsci6010018.41. Murr L.E. Strategies for creating living, additively manufactured, open-cellular metal and alloy implants by promoting osseointegration, osteoinduction and vascularization: An overview. J Mater Sci Tech. 2019;35(2):231-241. doi: 10.1016/j.jmst.2018.09.003.42. Chiriac A., Stan G.E., Iliescu B., Poeata I. The influence of host bone substrate in titanium mesh cranioplasty. Dig J Nanomat Biostruct. 2013;8:729-735.43. Crovace A.M., Lacitignola L., Forleo D.M., Staffieri F., Francioso E., Di Meo A. et al. 3D Biomimetic Porous Titanium (Ti6Al4V ELI) Scaffolds for Large Bone Critical Defect Reconstruction: An Experimental Study in Sheep. Animals (Basel). 2020;10(8):1389. doi: 10.3390/ani10081389.44. Kon E., Muraglia A., Corsi A., Bianco P., Marcacci M., Martin I. et al. Autologous bone marrow stromal cells loaded onto porous hydroxyapatite ceramic accelerate bone repair in critical-size defects of sheep long bones. J Biomed Mater Res. 2000;49(3):328-37. doi: 10.1002/(sici)1097-4636(20000305)49:3<328::aidjbm5>3.0.co;2-q.45. Lim K.M., Park J.W., Park S.J., Kang H.G. 3D-Printed Personalized Titanium Implant Design, Manufacturing and Verification for Bone Tumor Surgery of Forearm. Biomed J Sci Tech Res. 2018;10(3). doi: 10.26717/ BJSTR.2018.10.001950.46. Nishiguchi S., Kato H., Neo M., Oka M., Kim H.M., Kokubo T. et al. Alkali- and heat-treated porous titanium for orthopedic implants. J Biomed Mater Res. 2001;54(2): 198-208. doi: 10.1002/1097-4636(200102)54:2<198::aidjbm6>3.0.co;2-7.47. Mombelli A., Hashim D., Cionca N. What is the impact of titanium particles and biocorrosion on implant survival and complications? A critical review. Clin Oral Implants Res. 2018;29 Suppl 18:37-53. doi: 10.1111/clr.13305.48. Майбородин И.В., Шевела А.А., Тодер М.С., Шевела А.И. Особенности взаимодействия дентальных имплантатов с живыми тканями и современные методы придания антибактериальных свойств материалам для имплантации. Российская стоматология. 2017;10(4):32-41. doi: 10.17116/rosstomat201710432-40.