Экспериментальное исследование коррозионных и биосовместимых свойств биорезорбируемых имплантатов из сплава Mg-Ca-Zn

Актуальность. Магний и его сплавы используются в качестве биоразлагаемых костных имплантатов из-за высокой биосовместимости, однако проблемой их использования является быстрая биодеградация с потерей прочности.

Цель исследования. Экспериментальная оценка биорезорбируемых имплантатов из сплава Mg-CaZn in vitro и в костной ткани in vivo для определения оптимальной скорости биодеградации, биосовместимости и репаративного ответа костной ткани.

Материалы и методы. Образцы из сплава Mg-Ca-Zn покрывали в ванне микродугового оксидирования (МДО), а для дальнейшего определения оптимального фазового состава и свойств поверхности образцы выдерживали в электролите. Для оценки биоразложения образцы в асептических условиях погружали в синтетическую культуральную среду DMPI-1840. Биодеградация имплантатов оценивалась по потере массы образцов in vitro и наличию газа в костной ткани in vivo, а биосовместимость и репаративный ответ костной ткани — по ее периимплантной плотности.

Результаты. Все образцы Mg-Ca-Zn с покрытием демонстрируют снижение потери массы по сравнению с образцом без покрытия. Имплантаты из магния с 20-минутной выдержкой в электролите показали оптимальную скорость биодеградации, биосовместимости и репаративного ответа костной ткани.

Обсуждение. При использовании МДО, в нашем исследовании показана хорошая биосовместимость и низкая скорость коррозии образцов. Получены аналогичные с литературными данные о значительном 5-кратном увеличении коррозионной стойкости у имплантатов с покрытием по сравнению с образцами без него.

Заключение. Результаты экспериментальной оценки биорезорбируемых имплантатов Mg-Ca-Zn in vitro и в костной ткани in vivo показали, что образцы с покрытием демонстрируют малую потерю массы при биодеградации с минимальным выделением газа в кость. Отмечается отрицательная корреляция между длительностью выдержки образца в электролите (толщиной покрытия) со степенью биодеградации, прямая корреляция с репаративным ответом.

1. Zheng, YF, Gu, XN, Witte F. Biodegradable metals. Materials Science and Engineering: R: Reports. 2014;77:1– 34. DOI: https://doi.org/10.1016/j.mser.2014.01.001.

2. Antoniac I, Miculescu M, Mănescu Păltânea V, Stere A, Quan PH, Păltânea G, et al. Magnesium-based alloys used in orthopedic surgery. Materials. 2022;15(3):1148. DOI: https://doi.org/10.3390/ma15031148.

3. Xu C, Nakata T, Fan GH, Li XW, Tang GZ, Kamado S. Enhancing strength and creep resistance of Mg-Gd- Y-Zn-Zr alloy by substituting Mn for Zr. Journal of Magnesium and Alloys. 2019;7:388–399. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jma.2019.04.007.

4. Pan H, Qin G, Huang Y, Ren Y, Sha X, Han X, et al. Development of low-alloyed and rareearth-free magnesium alloys having ultra-high strength. Acta Materialia. 2018;149:350–363. DOI: https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.03.002.

5. Malik A, Yangwei W, Huanwu C, Nazeer F, Khan MA, Mingjun W. Microstructural evolution of ultra-fine grained Mg-6.62Zn-0.6Zr alloy on the basis of adiabatic rise in temperature under dynamic loading. Vacuum. 2019;168:108810. DOI: https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2019.108810.

6. Yu Z, Xu C, Meng J, Kamado S. Microstructure evolution and mechanical properties of a high strength Mg-11.7Gd-4.9Y-0.3Zr (wt %) alloy prepared by pre-deformation annealing, hot extrusion and ageing. Materials Science and Engineering: A. 2017;703:348–358. DOI: https://doi.org/10.1016/j.msea.2017.06.096.

7. Song J, She J, Chen D, Pan F. Latest research advances on magnesium and magnesium alloys worldwide. Journal of Magnesium and Alloys. 2020;8(1):1–41. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jma.2020.02.003.

8. Tie D, Liu H, Guan R, Holt-Torres P, Liu Y, Wang Y, et al. In vivo assessment of biodegradable magnesium alloy ureteral stents in a pig model. Acta Biomaterialia. 2020;116:415–425. DOI: https://doi.org/10.1016/j.actbio.2020.09.023.

9. Lu Y, Deshmukh S, Jones I, Chiu YL. Biodegradable magnesium alloys for orthopaedic applications. Biomaterials Translational. 2021;2(3):214–235. DOI: https://doi.org/10.12336/biomatertransl.2021.03.005.

10. Kraus T, Fischerauer SF, Hänzi AC, Uggowitzer PJ, Löffler JF, Weinberg AM. Magnesium alloys for temporary implants in osteosynthesis: In vivo studies of their degradation and interaction with bone. Acta Biomaterialia. 2012;8(3):1230–1238. DOI: https://doi.org/10.1016/j.actbio.2011.11.008.

11. Amukarimi S, Mozafari M. Biodegradable magnesium-based biomaterials: An overview of challenges and opportunities. MedComm. 2021;2(2):123–144. DOI: https://doi.org/10.1002/mco2.59.

12. Stürznickel J, Delsmann MM, Jungesblut OD, Stücker R, Knorr C, Rolvien T, et al. Magnesium-based biodegradable implants in children and adolescents. Injury. 2022;53(6):2382–2383. DOI: https://doi.org/10.1016/j.injury.2022.02.037.

13. Chen S, Wan P, Zhang B, Yang K, Li Y. Facile fabrication of the zoledronate-incorporated coating on magnesium alloy for orthopaedic implants. Journal of Orthopaedic Translation. 2020;22:2–6. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jot.2019.09.007.

14. Söntgen S, Keilig L, Kabir K, Weber A, Reimann S, Welle K, et al. Mechanical and numerical investigations of biodegradable magnesium alloy screws for fracture treatment. Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials. 2023;111(1):7–15. DOI: https://doi.org/10.1002/jbm.b.35127.

15. Dai Y, Guo H, Chu L, He Z, Wang M, Zhang S, et al. Promoting osteoblasts responses in vitro and improving osteointegration in vivo through bioactive coating of nanosilicon nitride on polyetheretherketone. Journal of Orthopaedic Translation. 2020;24:198–208. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jot.2019.10.011.

16. Baigonakova G, Marchenko E, Zhukov I, Vorozhtsov A. Structure, cytocompatibility and biodegradation of nanocrystalline coated Mg-Ca-Zn alloys. Vacuum. 2023;207:111630. DOI: https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2022.111630.

17. Khrustalyov A, Monogenov A, Baigonakova G, Akhmadieva A, Marchenko E, Vorozhtsov A. Effect of TiN coating on the structure, mechanical properties and fracture of the Mg-Ca-Zn alloy. Metals. 2022;12 (12):2140. DOI: https://doi.org/10.3390/met12122140.

18. Li L, Li T, Zhang Z, Chen Z, Chen C, Chen F. Superhydrophobic graphene/hydrophobic polymer coating on a microarc oxidized metal surface. Journal of Coatings Technology and Research. 2022;19:1449–1456. DOI: https://doi.org/10.1007/s11998-022-00618-w.

19. Yao W, Wu L, Wang J, Jiang B, Zhang D, Serdechnova M, et al. Micro‐arc oxidation of magnesium alloys: A review. Journal of Materials Science & Technology. 2022;118:158–180. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.11.053.

20. Yuan B, Chen H, Zhao R, Deng X, Chen G, Yang X, et al. Construction of a magnesium hydroxide/graphene oxide/hydroxyapatite composite coating on Mg-Ca-Zn-Ag alloy to inhibit bacterial infection and promote bone regeneration. Bioactive Materials. 2022;18:354–367. DOI: https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2022.02.030.

21. Kamrani S, Fleck C. Biodegradable magnesium alloys as temporary orthopaedic implants: A review. BioMetals. 2019;32:185–193. DOI: https://doi.org/10.1007/s10534-019-00170-y.

22. Rout PK, Roy S, Ganguly S, Rathore DK. A review on properties of magnesium-based alloys for biomedical applications. Biomedical Physics & Engineering Express. 2022;8(4):22–25. DOI: https://doi.org/10.1088/2057–1976/ac6d81.

23. Agarwal S, Curtin J, Duffy B, Jaiswal S. Biodegradable magnesium alloys for orthopaedic applications: A review on corrosion, biocompatibility and surface modifications. Materials Science and Engineering: C. 2016;68:948–963. DOI: https://doi.org/10.1016/j.msec.2016.06.020.

24. Kiani F, Wen C, Li Y. Prospects and strategies for magnesium alloys as biodegradable implants from crystalline to bulk metallic glasses and composites — A review. Acta Biomaterialia. 2020;103:1–23. DOI: https://doi.org/10.1016/j.actbio.2019.12.023.

25. Willbold E, Weizbauer A, Loos A, Seitz JM, Angrisani N, Windhagen H, et al. Magnesium alloys: A stony pathway from intensive research to clinical reality. Different test methods and approval-related considerations. Journal of Biomedical Materials Research Part A. 2017;105(1):329–347. DOI: https://doi.org/10.1002/jbm.a.35893.

26. Hamanishi C, Yoshii T, Totani Y, Tanaka S. Bone mineral density of lengthened rabbit tibia is enhanced by transplantation of fresh autologous bone marrow cells. An experimental study using dual X-ray absorptiometry. Clinical Orthopaedics and Related Research. 1994;(303):250–255. PMID:8194242.

27. Dong Y, Zhou B, Huang Z, Huang Q, Cui S, Li Y, et al. Evaluating bone remodeling by measuring Hounsfield units in a rabbit model of rhinosinusitis: Is it superior to measuring bone thickness? International Forum of Allergy & Rhinology. 2018;8(11):1342–1348. DOI: https://doi.org/10.1002/alr.22205.