Остеокондуктивность и биосовместимость бета-титанового сплава Ti-15Mo с биомиметическим покрытием in vitro

Введение. Одной из важнейших задач для современной ортопедии является разработка материалов для постоянных (неудаляемых) имплантатов, обладающих высокими механическими свойствами, с одной стороны, и высокой биосовместимостью и биоактивностью – с другой. В настоящей работе предлагается подход к решению данной задачи, заключающийся в формировании ультрамелкозернистой (УМЗ) структуры в низкомодульном псевдо-β-титановом сплаве Ti-15Mo и модификации его поверхности плазменно-электролитическим оксидированием (ПЭО).

Цель исследования – оценить влияние структуры и режимов ПЭО на особенности формирования пористого покрытия сплава Ti-15Mo, его биосовместимость и адгезионную активность мезенхимальных мультипотентных клеток.

Материалы и методы. Материалом исследования являлся УМЗ псевдо-β-титановый сплав Ti-15Mo с модифицированной методом ПЭО поверхностью. Для исследования биосовместимости образцов без покрытия и с ПЭО-покрытием проводили сравнительное изучение их гемолитической активности и цитотоксичности in vitro. Для оценки остеокондуктивности изучали стимуляцию образцами сплавов клеточной адгезии.

Результаты. Модификация поверхности сплава Ti-15Mo методом ПЭО привела к формированию покрытий с развитой системой пор. Такая топография покрытий близка к топографии костной ткани, что увеличивает площадь контакта «имплантат/кость», положительно влияет на остеоинтеграцию клеток-остеобластов и сокращает сроки приживаемости имплантата. Показано, что образцы из УМЗ-сплава с ПЭО-покрытиями не оказывают токсического эффекта на клетки крови и способствуют адгезии мезенхимальных мультипотентных клеток – предшественников остеобластов, что может быть расценено как показатель остеокондуктивности модифицированной поверхности сплава титана.

Заключение. Полученные результаты свидетельствуют о перспективности данной разработки создания биоимплантатов для травматологии, ортопедии и онкологии.

1. Schwartz A., Farley K., Guild G., Bradbury T. Projections and epidemiology of revision hip and knee arthroplasty in the United States to 2030. J Arthroplasty 2020;35:79–85. DOI: 10.1016/j.arth.2020.02.030

2. Anisimova N.Yu., Martynenko N.S., Rybalchenko O.V. et al. Bioimplants for the reconstructive surgery and local delivery of chemo-immunoagents. In: Interdisciplinary Cancer Research. Springer, Cham, 2024: p. 1–43. DOI: 10.1007/16833_2024_374

3. Zhang L.-C., Chen L.-Y. A review on biomedical titanium alloys: recent progress and prospect. Adv Eng Mater 2019;21:1801215. DOI:10.1002/adem.201801215

4. Campos F.O., Araujo A.C., Kapoor Sh.G. Experimental comparison of micromilling pure titanium and Ti-6Al-4V. J Micro Nano-Manuf 2019;7(2):024506. DOI: 10.1115/1.4043501

5. Cardoso G.C., Buzalaf M.A.R., Correa D.R.N., Grandini C.R. Effect of thermomechanical treatments on microstructure, phase composition, vickers microhardness, and young’s modulus of TixNb-5Mo alloys for biomedical applications. Metals 2022;12(5):788. DOI: 10.3390/met12050788

6. Gatina S., Semenova I., Ubyyvovk E., Valiev R. Phase transformations, strength, and modulus of elasticity of Ti-15Mo alloy obtained by high-pressure torsion. Inorg Mater Appl Res 2018;9:14–20. DOI: 10.1134/S2075113318010136

7. Pesode P., Barve S. A review – metastable β titanium alloy for biomedical applications. J Eng Appl Sci 2023;70:25. DOI:10.1186/s44147-023-00196-7

8. Pires L.C., Guastaldi F.P., Nogueira A.V. et al. Physicochemical, morphological, and biological analyses of Ti-15Mo alloy surface modified by laser beam irradiation. Lasers Med Sci 2019;34(3):537–46. DOI: 10.1007/s10103-018-2626-2

9. Leśniak-Ziółkowska K., Kazek-Kęsik A., Rokosz K. et al. Electrochemical modification of the Ti-15Mo alloy surface in solutions containing ZnO and Zn3(PO4)2 particles. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl 2020;115. DOI: 10.1016/j.msec.2020.111098

10. Avila G., Misch K., Galindo-Moreno P., Wang H.L. Implant surface treatment using biomimetic agents. Implant Dent 2009;18(1):17–26. DOI: 10.1097/ID.0b013e318192cb7d

11. Wang M., Castro N.J., Li J. et al. Greater osteoblast and mesenchymal stem cell adhesion and proliferation on titanium with hydrothermally treated nanocrystalline hydroxyapatite/magnetically treated carbon nanotubes. J Nanosci Nanotechnol 2012;12(10):7692–702. DOI: 10.1166/jnn.2012.6624

12. Cardoso G., Grandini C., Rau J. Comprehensive review of PEO coatings on titanium alloys for biomedical implants. J Mater Res Technol 2024;31(4):311–28. DOI: 10.1016/j.jmrt.2024.06.068

13. Semenova I.P., Gatina S.A., Zhernakov V.S., Miloš J. Improving in fatigue strength of biomedical Ti-15Mo alloy while retaining low elastic modulus through severe plastic deformation. In: Proceedings of the 13th World Conference on Titanium. USA, 2016; p. 1777–1781 DOI: 10.1002/9781119296126.ch298

14. Polyakova V.V., Gatina S.A., Stotskiy A.G. et al. Dependence of α-phase particle morphology in aged metastable β Ti-15Mo alloy on the shear deformation degree. Mater Letters 2024;14(1):39–44. DOI:10.48612/letters/2024-1-39-44

15. Мартыненко Н.С., Анисимова Н.Ю., Киселевский М.В. и др. Исследование биосовместимости in vitro ультрамелкозернистых биорезорбируемых сплавов на основе Zn. Российский биотерапевтический журнал 2022;3(21):40–9. DOI: 10.17650/1726-9784-2022-21-3-40-49

16. Chen X., Xie W., Zhang M. et.al. The emerging role of noncoding RNAs in osteogenic differentiation of human bone marrow mesenchymal stem cells. Front Cell Dev Biol 2022;10:903278. DOI: 10.3389/fcell.2022.903278

17. Souza J.C.M., Sordi M.B., Kanazawa M. et al. Nano-scale modification of titanium implant surfaces to enhance osseointegration. Acta Biomater 2019;94:112–31. DOI: 10.1016/j.actbio.2019.05.045

18. Santander S., Alcaine C., Lyahyai J. et al. In vitro osteoinduction of human mesenchymal stem cells in biomimetic surface modified titanium alloy implants. Dent Mater J 2014;33(3):305–12. DOI: 10.4012/dmj.2012-015-r

19. Gatina S.A., Polyakova V.V., Modina I.M., Semenova I.P. Fatigue behavior and fracture features of Ti-15Mo alloy in β-, (α + β)-, and ultrafine-grained two-phase states. Metals 2023;13(3):580. DOI:10.3390/met13030580

20. Gatina S.A., Polyakova V.V., Polyakov A.V., Semenova I.P. Microstructure and mechanical properties of β-titanium Ti-15Mo alloy produced by combined processing including ECAP-conform and drawing. Materials 2022;15(23):8666. DOI: 10.3390/ma15238666

21. Edalati K., Bachmaier A., Beloshenko V.A. et al. Nanomaterials by severe plastic deformation: review of historical developments and recent advances. Materials Res Letters 2022;10(4):163–256. DOI: 10.1080/21663831.2022.2029779

22. Valiev R., Parfenov E., Parfenova L. Developing nanostructured metals for manufacturing of medical implants with improved design and biofunctionality. Mater Trans 2019;60(7):1356–66. DOI: 10.2320/matertrans.MF201943

23. Santos-Coquillat A., Martínez-Campos E., Mohedano M. In vitro and in vivo evaluation of PEO-modified titanium for bone implant applications. Surf Coat Technol 2018;347:358–68. DOI:10.1016/j.surfcoat.2018.04.051

24. Pantaroto H.N., Ricomini-Filho A.P., Bertolini M.M. et al. Antibacterial photocatalytic activity of different crystalline TiO 2 phases in oral multispecies biofilm. Dental Materials 2018;34(7):182–95. DOI:10.1016/j.dental.2018.03.011