Исследование биосовместимости in vitro ультрамелкозернистых биорезорбируемых сплавов на основе Zn

Введение. В сравнении с магниевыми сплавами сплавы на основе цинка обладают преимуществами при использовании в качестве биодеградируемых имплантируемых ортопедических металлоконструкций за счет отсутствия газообразования, однако уступают по механическим свойствам.
Цель исследования – изучить влияние обработки методом кручения под высоким давлением (КВД) на прочность, пластичность, коррозионную стойкость, антимикробные свойства, поверхностную колонизацию клетками и биосовместимость сплавов на основе цинка.
Материалы и методы. В работе были исследованы сплавы системы Zn-x%Mg (где х = 0; 1 и 1,7 %) в исходном недеформированном состоянии и после КВД. Механические свойства исследовали на испытательной машине Instron 3382 при комнатной температуре. Биосовместимость сплавов оценивали по гемолитической активности и цитотоксичности. Кроме того, исследовали стимуляцию колонизации мезенхимальными мультипотентными стромальными клетками поверхности образцов, а также наличие антимикробных свойств в отношении культуры Escherichia coli. Для изучения скорости деградации образцы сплавов инкубировали в стандартной питательной среде в течение 8 сут, оценивая изменение их массы относительно исходного значения.
Результаты. Установлено, что КВД приводит к росту прочности чистого цинка в 2 раза, а сплавов Zn-1%Mg и Zn-1,7%Mg – в 3 и 5,5 раза соответственно, при увеличении их пластичности. При этом деформационная обработка практически не влияет на коррозионную стойкость исходных материалов. В ходе проведенных исследований не выявлено достоверного увеличения гемолитической активности и бактерицидности сплавов. Однако наблюдали достоверное снижение способности клеток к колонизации поверхности чистого цинка после КВД.
Заключение. КВД приводит к  существенному росту прочности изученных материалов при  одновременном увеличении их пластичности. При этом проведенные исследования не показали достоверного ухудшения биосовместимости сплавов на основе цинка после КВД. Можно предположить, что выявленный цитотоксический эффект, очевидно, был опосредован не столько методом обработки сплава, сколько его химическим составом. Это позволяет оценить обработанные КВД исследованные сплавы системы Zn-x%Mg (и в частности, сплав Zn1,7%Mg) как перспективную основу для разработки биодеградируемых ортопедических медицинских изделий.

1. Коротких Н.Г., Степанов И.В., Ларина О.Е. и др. Применение минипластин из титана с покрытием из наноструктурного гидроксиапатита в комплексном лечении переломов нижней челюсти. Вестник новых медицинских технологий 2011;18(2):356–7.

2. Медведев Ю.А., Шаманаева Л.С., Петрук П.С. и др. Применение имплантатов из тканевого никелида титана для реконструкции нижней стенки глазницы. Стоматология 2014;93(3):35–8.

3. Xiao F., Zong C., Wang W. et al. Low-temperature fabrication of titania layer on 3D-printed 316L stainless steel for enhancing biocompatibility. Surf Coat Technol 2019;367:91–9. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2019.03.071

4. Pogrel M.A. The concept of stress shielding in nonvascularized bone grafts of the mandible – a review of 2 cases. J Oral Maxillofac Surg 2021;79(1):266.e1–266.e5. DOI: 10.1016/j.joms.2020.09.024

5. Han H.-S., Loffredo S., Jun I. et al. Current status and outlook on the clinical translation of biodegradable metals. Mater Today 2019;23:57–71. DOI: 10.1016/j.mattod.2018.05.018

6. Xia D., Yang F., Zheng Y. et al. Research status of biodegradable metals designed for oral and maxillofacial applications: a review. Bioact Mater 2021;6(11):4186–208. DOI: 10.1016/j.bioactmat.2021.01.011

7. Tsakiris V., Tardei C., Clicinschi F.M. Biodegradable Mg alloys for orthopedic implants – a review. J Magnes Alloys 2021;9(6):1884–905. DOI: 10.1016/j.jma.2021.06.024

8. Киселевский М.В., Анисимова Н.Ю., Полоцкий Б.Е. и др. Биоразлагаемые магниевые сплавы – перспективные материалы медицинского назначения (обзор). Современные технологии в медицине 2019;11(3):146–57. DOI: 10.17691/stm2019.11.3.18

9. Hänzi A.C., Gerber I., Schinhammer M. et al. On the in vitro and in vivo degradation performance and biological response of new biodegradable Mg–Y–Zn alloys. Acta Biomater 2010;6(5):1824–33. DOI: 10.1016/j.actbio.2009.10.008

10. Anisimova N., Kiselevskiy M., Martynenko N. et al. Anti-tumour activity of Mg-6%Ag and Mg-10%Gd alloys in mice with inoculated melanoma. Mater Sci Eng C 2021;130:112464. DOI: 10.1016/j.msec.2021.112464

11. Kabir H., Munir K., Wen C., Li Y. Recent research and progress of biodegradable zinc alloys and composites for biomedical applications: biomechanical and biocorrosion perspectives. Bioact Mater 2021;6(3):836–79. DOI: 10.1016/j.bioactmat.2020.09.013

12. Venezuela J., Dargusch M.S. The influence of alloying and fabrication techniques on the mechanical properties, biodegradability and biocompatibility of zinc: a comprehensive review. Acta Biomater 2019;87:1–40. DOI: 10.1016/j.actbio.2019.01.035

13. Li G., Yang H., Zheng Y. et al. Challenges in the use of zinc and its alloys as biodegradable metals: perspective from biomechanical compatibility. Acta Biomater 2019;97:23–45. DOI: 10.1016/j.actbio.2019.07.038

14. Chen Y., Huang P., Chen H. et al. Assessment of the biocompatibility and biological effects of biodegradable pure zinc material in the colorectum. ACS Biomater Sci Eng 2018;4(12):4095–103. DOI: 10.1021/acsbiomaterials.8b00957

15. Xiao C., Shi X.Y., Yu W.T. et al. In vivo biocompatibility evaluation of Zn-0.05Mg-(0, 0.5, 1wt%)Ag implants in New Zealand rabbits. Mater Sci Eng C 2021;119:111435. DOI: 10.1016/j.msec.2020.111435

16. Xiao C., Wang L., Ren Y. et al. Indirectly extruded biodegradable Zn-0.05wt%Mg alloy with improved strength and ductility: in vitro and in vivo studies. J Mater Sci Technol 2018;34(9): 1618–27. DOI: 10.1016/j.jmst.2018.01.006

17. Shao X., Wang X., Xu F. et al. In vivo biocompatibility and degradability of a Zn–Mg–Fe alloy osteosynthesis system. Bioact Mater 2022;7:154–66. DOI: 10.1016/j.bioactmat.2021.05.012

18. Bednarczyk W., Kawałko J., Wątroba M. et al. Microstructure and mechanical properties of a Zn-0.5Cu alloy processed by high-pressure torsion. Mater Sci Engi A 2020;776:139047. DOI: 10.1016/j.msea.2020.139047

19. Srinivasarao B., Zhilyaev A.P., Langdon T.G., Pérez-Prado M.T. On the relation between the microstructure and the mechanical behavior of pure Zn processed by high pressure torsion. Mater Sci Eng A 2013;562:196–202. DOI: 10.1016/j.msea.2012.11.027

20. Hernández-Escobar D., Unocic R.R., Kawasaki M., Boehlert C.J. High-pressure torsion processing of Zn–3Mg alloy and its hybrid counterpart: a comparative study. J Alloys Compd 2020;831:154891. DOI: 10.1016/j.jallcom.2020.154891

21. Rybalchenko O.V., Anisimova N.Yu., Kiselevsky M.V. et al. Effect of equal-channel angular pressing on structure and properties of Fe-Mn-С alloys for biomedical applications. Mater Today Commun 2022;30:103048. DOI: 10.1016/j.mtcomm.2021.103048

22. 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 2021;118:111456. DOI: 10.1016/j.msec.2020.111456

23. ASTM G1-03-E. Standard practice for preparing, cleaning, and evaluating corrosion test specimens. West Conshohocken, PA: ASTM International, 2011.

24. Masters E.A., Ricciardi B.F., Bentley K.L.M. et al. Skeletal infections: microbial pathogenesis, immunity and clinical management. Nat Rev Microbiol 2022;20(7):385–400. DOI: 10.1038/s41579-022-00686-0

25. Bednarczyk W., Kawałko J., Rutkowski B. et al. Abnormal grain growth in a Zn-0.8Ag alloy after processing by high-pressure torsion. Acta Mater 2021;207:116667. DOI: 10.1016/j.actamat.2021.116667

26. Ren K., Zhang K., Zhang Y. et al. Effect of ECAP temperature on formation of triple heterogeneous microstructure and mechanical properties of Zn–1Cu alloy. Mater Sci Eng A 2021;826:141990. DOI: 10.1016/j.msea.2021.141990

27. García-Mintegui C., Córdoba L.C., Buxadera-Palomero J. et al. Zn-Mg and Zn-Cu alloys for stenting applications: from nanoscale mechanical characterization to in vitro degradation and biocompatibility. Bioact Mater 2021;6(12):4430–46. DOI: 10.1016/j.bioactmat.2021.04.015

28. Retegi-Carrión S., Ferrandez-Montero A., Eguiluz A. et al. The effect of Ca2+ and Mg2+ ions loaded at degradable PLA membranes on the proliferation and osteoinduction of MSCs. Polymers (Basel) 2022;14(12):2422. DOI: 10.3390/polym14122422

29. Li D., Zhang D. Yuan Q. et al. In vitro and in vivo assessment of the effect of biodegradable magnesium alloys on osteogenesis. Acta Biomater 2022;141:454–65. DOI: 10.1016/j.actbio.2021.12.032