ВЛИЯНИЕ МУЛЬТИОСЕВОЙ ДЕФОРМАЦИИ НА ДИНАМИКУ БИОДЕГРАДАЦИИ СПЛАВА WE43 И КОЛОНИЗАЦИЮ КЛЕТКАМИ

Введение. Разработка материалов для создания биорезорбируемых имплантатов – актуальный вопрос медицины и материаловедения. Перспективными материалами для данной цели являются магниевые сплавы, в частности сплав WE43 (Mg-Y-Nd-Zr), хорошо зарекомендовавший себя в этой области. Однако применение магниевых сплавов ограничено высокой скоростью деградации, которая часто сопровождается неравномерностью коррозии, что негативно сказывается на несущей способности изделия. Кроме того, повышенная скорость деградации может серьезно ухудшать биосовместимость магниевых сплавов. Поэтому изучение коррозионной стойкости магниевых сплавов, а также их биосовместимости является актуальной задачей.
Цель исследования – изучить влияние мультиосевой деформации (МОД), направленной на повышение механических характеристик сплава WE43, на кинетику его биодеградации, а также на колонизацию клетками.
Материалы и методы. В работе был исследован сплав WE43 в 2 состояниях: гомогенизированном (WE43 hom) и упрочненном методом МОД (WE43 MAD). Кинетику биодеградации исследовали на анализаторе xCELLigence RTCA Systems. Для  исследования газообразования был применен метод оценки объема водорода, который определяли с  помощью автоматизированного цифрового микроскопа LionheartTM FX. Коррозионной средой выступал раствор на основе Dulbecco’s Modified Eagle’s Medium. Для изучения колонизации поверхности сплава клетками использовали культуру мезенхимальных мультипотентных стромальных клеток.
Результаты. МОД сплава WE43 приводит к снижению скорости биодеградации и интенсивности газообразования. Период стабилизациибиодеградациидля сплава послеМОДсоставляет 16 ч против 3 ч для сплава после гомогенизации. При этом объем выделившегося водорода составил 65,0 ± 4,4 мм³ H₂ /мм³ сплава и 211,0 ± 21,1 мм³ H₂ /мм³ сплава для материала после МОД и гомогенизации соответственно. МОД улучшает биосовместимость сплава WE43, стимулируя колонизацию мезенхимальными мультипотентными стромальными клетками.
Заключение. МОД уменьшает биодеградацию и улучшает биосовместимость сплава WE43, что делает его перспективным медицинским материалом, в том числе для целей онкоортопедии.

1. Rajan A.V., Sundaram C.M., Rajesh A.V. Mechanical and morphological investigation of bio-degradable magnesium AZ31 alloy for an orthopedic application. Mater Today Proc 2020;21(1):272–7. DOI: 10.1016/j.matpr.2019.05.429.

2. Bin B.S.J., Tan Y.T., Fong K.S., Tan M.J. Effect of severe plastic deformation and post-annealing on the mechanical properties and bio-corrosion rate of AZ31 magnesium alloy. Proced Eng 2017;207:1475–80. DOI: 10.1016/j.proeng.2017.10.916.

3. Razavi M., Fathi M., Savabi O. et al. In vivo assessments of bioabsorbable AZ91 magnesium implants coated with nanostructured fluoridated hydroxyapatite by MAO/EPD technique for biomedical applications. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl 2015;48:21–7. DOI: 10.1016/j.msec.2014.11.020.

4. Öcal E.B., Esen Z., Aydınol K., Dericioğlu A.F. Comparison of the short and long-term degradation behaviors of as-cast pure Mg, AZ91 and WE43 alloys. Mater Chem Phys 2020;241:122350. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2019.122350.

5. Li M., Benn F., Derra T. et al. Microstructure, mechanical properties, corrosion resistance and cytocompatibility of WE43 Mg alloy scaffolds fabricated by laser powder bed fusion for biomedical applications. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl 2021;119:11623. DOI: 10.1016/j.msec.2020.111623.

6. Rahman M., Li Y., Wen C. Realization and characterization of double-layer Ca-P coating on WE43 Mg alloy for biomedical applications. Surf Coat Technol 2020;398:126091. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2020.126091.

7. Ijiri M., Shimonishi D., Tani S. et al. Improvement of corrosion resistance of magnesium alloy by high-temperature high-pressure cavitation treatment. Int J Lightweight Mater Manuf 2019;2(3):255–60. DOI: 10.1016/j.ijlmm.2019.02.001.

8. Chen J., Tan L., Yu X. et al. Mechanical properties of magnesium alloys for medical application: A review J Mech Behav Biomed Mater 2018;87:68–79. DOI: 10.1016/j.jmbbm.2018.07.022.

9. Sekar P., S N., Desai V. Recent progress in in vivo studies and clinical applications of magnesium based biodegradable implants – A review. J Magnes Alloy 2021. DOI: 10.1016/j.jma.2020.11.001.

10. Liu D., Yang D., Li X., Hu S. Mechanical properties, corrosion resistance and biocompatibilities of degradable Mg-RE alloys: A review. J Mater Res Technol 2019;8(1):1538–49. DOI: 10.1016/j.jmrt.2018.08.003.

11. Toong D.W.Y., Ng J.C.K., Huang Y. et al. Bioresorbable metals in cardiovascular stents: Material insights and progress. Materialia 2020;12:100727. DOI: 10.1016/j.mtla.2020.100727.

12. Liu C., Ren Z., Xu Y. et al. Biodegradable Magnesium Alloys Developed as Bone Repair Materials: A Review. Scanning 2018;2018:9216314. DOI: 10.1155/2018/9216314.

13. Willumeit R., Möhring A., Feyerabend F. Optimization of cell adhesion on mg based implant materials by pre-incubation under cell culture conditions. Int J Mol Sci 2014;15(5):7639–50. DOI: 10.3390/ijms15057639.

14. Cecchinato F., Agha N.A., MartinezSanchez A.H. et al. Influence of Magnesium Alloy Degradation on Undifferentiated Human Cells. PLoS One 2015;10(11):e0142117. DOI: 10.1371/journal.pone.0142117.

15. Zherebtsov S., Kudryavtsev E., Kostjuchenko S. et al. Strength and ductility-related properties of ultrafine grained two-phase titanium alloy produced by warm multiaxial forging. Mater Sci Eng A 2012;536:190–6. DOI: 10.1016/j.msea.2011.12.102.

16. Dobatkin S.V., Lukyanova E.A., Martynenko N.S. et al. Strength, corrosion resistance, and biocompatibility of ultrafine-grained Mg alloys after different modes of severe plastic deformation. IOP Conf Ser: Mater Sci Eng 2017;194:012004. DOI: 10.1088/1757-899X/194/1/012004.

17. Martynenko N., Lukyanova E., Anisimova N. et al. Improving the property profile of a bioresorbable Mg-Y-Nd-Zr alloy by deformation treatments. Materialia 2020;13:100841. DOI: 10.1016/j.mtla.2020.100841.

18. Choudhary R., Venkatraman S.K., Bulygina I. et al. Biomineralization, dissolution and cellular studies of silicate bioceramics prepared from eggshell and rice husk. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl 2021;118:111456. DOI: 10.1016/j.msec.2020.111456.

19. Imwinkelried T., Beck S., Schaller B. Pre-clinical testing of human size magnesium implants in miniature pigs: Implant degradation and bone fracture healing at multiple implantation sites. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl 2020;108:110389. DOI: 10.1016/j.msec.2019.110389.

20. Gartzke A.-K., Julmi S., Klose C. et al. A simulation model for the degradation of magnesium-based bone implants. J Mech Behav Biomed Mater 2020;101: 103411. DOI: 10.1016/j.jmbbm.2019.103411.

21. Hou R., Victoria-Hernandez J., Jiang P. et al. In vitro evaluation of the ZX11 magnesium alloy as potential bone plate: Degradability and mechanical integrity. Acta Biomateri 2019;97:608–22. DOI: 10.1016/j.actbio.2019.07.053.

22. Dobatkin S., Martynenko N., Anisimova N. et al. Mechanical properties, biodegradation, and biocompatibility of ultrafine grained magnesium alloy WE43. Materials (Basel) 2019;12(21):3627. DOI: 10.3390/ma12213627.

23. Anisimova N., Kiselevskiy M., Martynenko N. et al. Cytotoxicity of biodegradable magnesium alloy WE43 to tumor cells in vitro: Bioresorbable implants with antitumor activity? J Biomed Mater Res Part B: Appl Biomater 2020;108B:167–73. DOI: 10.1002/jbm.b.34375.