Экспериментальное изучение остеоинтеграционных свойств пористых имплантатов для замещения дефектов трубчатых костей

Актуальность: Восстановление опороспособности трубчатой кости при лечении пострезекционных дефектов остаётся актуальной задачей современной хирургии.

Цель: Оценить раннюю остеоинтеграцию пористых имплантатов на основе титана и углерода в модели дефектов трубчатых костей у иммунодефицитных мышей.

Материалы и методы: Эксперимент проводился на 21 мыши-самце линии Balb/c Nude. Животные были разделены на 3 группы: 1-я группа (n=7) – контрольная, производился дефект бедренной кости, 2-я группа (n=7) – в дефект помещали титановый имплантат, 3-я группа (n=7) – в дефект помещали углеродный наноструктурный имплантат. Через 14 сут. от нанесения повреждения и установки имплантатов проводили рентгеновское исследование бедренной кости и оценку уровня щелочной фосфатазы, общего кальция и предшественника коллагена I типа (P1NP) в сыворотке крови животных.

Результаты: Уровни щелочной фосфатазы во 2-й и 3-й группах были выше, чем в 1-й группе, соответственно в 1,3 раза (p=0,002) и в 1,4 раза (p=0,0002). Показатели общего Ca были практически на одном уровне у всех групп, статистически значимых различий обнаружено не было. Уровень P1NP увеличивался во 2-й и 3-й группах по сравнению с 1-й группой на 5,1% (p=0,002) и на 7,8% (p=0,0002), при этом в 3-й группе значения показателя были на 3,4% выше, чем во 2-й группе (p=0,0035).

Заключение: Углеродный наноструктурный материал показал лучшую остеоинтеграцию по сравнению с титановым имплантатом, что сопровождалось большим накоплением P1NP в крови.

1. Song LM, Wang GX, Wang L. Comparison between CFR-PEEK and titanium plate for proximal humeral fracture: A meta-analysis. Jt Dis Relat Surg. 2024;35(3):483-490. PMID: 39189556. PMCID: PMC11411899. https://doi.org/10.52312/jdrs.2024.1611

2. Yu S, Yao X. Advances on immunotherapy for osteosarcoma. Mol Cancer. 2024;23(1):192. PMID: 39245737. PMCID: PMC11382402. https://doi.org/10.1186/s12943-024-02105-9

3. Manescu Paltanea V, Antoniac I, Antoniac A, et al. Bone Regeneration Induced by Patient-Adapted Mg Alloy-Based Scaffolds for Bone Defects: Present and Future Perspectives. Biomimetics (Basel). 2023;8(8):618. PMID: 38132557. PMCID: PMC10742271. https://doi.org/10.3390/biomimetics8080618

4. Pesare E, Meschini C, Caredda M, et al. Carbon vs. Titanium Nails in the Treatment of Impending and Pathological Fractures: A Literature Review. J Clin Med. 2024;13(10):2940. PMID: 38792483. PMCID: PMC11121808. https://doi.org/10.3390/jcm13102940

5. Wazen RM, Lefebvre LP, Baril E, Nanci A. Initial evaluation of bone ingrowth into a novel porous titanium coating. J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 2010;94(1):64-71. PMID: 20336725. https://doi.org/10.1002/jbm.b.31624

6. Taniguchi N, Fujibayashi S, Takemoto M, et al. Effect of pore size on bone ingrowth into porous titanium implants fabricated by additive manufacturing: An in vivo experiment. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2016;59:690-701. PMID: 26652423. https://doi.org/10.1016/j.msec.2015.10.069

7. Миронов С.П., Шевцов В.И., Кононович Н.А. и др. Углеродные нано­структурные имплантаты – инновационный продукт для травматологии и ортопедии. Часть I: результаты экспериментальных исследований. Вестник травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова. 2015;22(3):46–53. https://doi.org/10.32414/0869-8678-2015-3-46-53

8. Рудской А.И., Белов И.М., Гордеев С.К., Барзинский О.В. и др. Углеродные наноструктурные имплантаты для замещения костных дефектов и технология их изготовления. Металловедение и термическая обработка металлов. 2018;1(751):20–25. https://doi.org/10.30906/mitom.2018.1.20-25

9. Baumgärtner B, Rothfelder R, Greiner S, et al. Evaluation of Additively-Manufactured Internal Geometrical Features Using X-ray-Computed Tomography. J. Manuf. Mater. Process. 2023;7(3):95. (In German). https://doi.org/10.3390/jmmp7030095

10. Campana V, Milano G, Pagano E, et al. Bone substitutes in orthopaedic surgery: from basic science to clinical practice. J Mater Sci Mater Med. 2014;25(10):2445-2461. PMID: 24865980. PMCID: PMC4169585. https://doi.org/10.1007/s10856-014-5240-2

11. Wang W, Yeung KWK. Bone grafts and biomaterials substitutes for bone defect repair: A review. Bioact Mater. 2017;2(4):224-247. PMID: 29744432. PMCID: PMC5935655. https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2017.05.007

12. Тихилов Р.М., Шубняков И.И., Денисов А.О., Конев В.А. и др. Костная и мягкотканная интеграция пористых титановых имплантатов (экспериментальное исследование). Травматология и ортопедия России. 2018;24(2):95–107. https://doi.org/10.21823/2311-2905-2018-24-2-95-107

13. Кит О.И., Закондырин Д.Е., Росторгуев Э.Е., Росторгуев В.Э., Маслов А.А. Опыт хирургического лечения метастатических опухолей позвонков краниовертебральной локализации. Южно­российский онкологический журнал. 2023;4(3):6-11. https://doi.org/10.37748/2686-9039-2023-4-3-1

14. Zhao X, You L, Wang T, et al. Enhanced Osseointegration of Titanium Implants by Surface Modification with Silicon-doped Titania Nanotubes. Int J Nanomedicine. 2020;15:8583-8594. PMID: 33173295. PMCID: PMC7648569. https://doi.org/10.2147/ijn.s270311

15. Hak DJ, Mauffrey C, Seligson D, Lindeque B. Use of carbon-fiber-reinforced composite implants in orthopedic surgery. Orthopedics. 2014;37(12):825-830. PMID: 25437074. https://doi.org/10.3928/01477447-20141124-05

16. Sweets TM, Stern PJ. Pyrolytic carbon resurfacing arthroplasty for osteoarthritis of the proximal interphalangeal joint of the finger. J Bone Joint Surg Am. 2011;93(15):1417-1425. PMID: 21915547. https://doi.org/10.2106/jbjs.j.00832

17. Колесов С., Колбовский Д., Швец В., Рерих В., Вишневский А., Морозова Н., Скорина И., Горбатюк Д. Двухлетние результаты хирургического лечения переломов позвоночника с применением углеродных имплантатов (мультицентровое исследование). Гений ортопедии. 2019;25(3):360-367. https://doi.org/10.18019/1028-4427-2019-25-3-360-367

18. Zhang ZQ, Liu B, Chen YL, Jiang H, Hwang KC, Huang Y. Mechanical properties of functionalized carbon nanotubes. Nanotechnology. 2008;19(39):395702. PMID: 21832603. https://doi.org/10.1088/0957-4484/19/39/395702

19. Osmani RM, Kulkarni AS, Aloorkar NH, et. al. Carbon nanotubes: An impending carter in therapeutics. Int. J. Pharm. Clin. Res. 2014;6(1):84–96.

20. Wang X, Pan L, Zheng A, et al. Multifunctionalized carbon-fiber-reinforced polyetheretherketone implant for rapid osseointegration under infected environment. Bioact Mater. 2022;24:236-250. PMID: 36606257. PMCID: PMC9803906. https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2022.12.016

21. Osman RB, Swain MV. A Critical Review of Dental Implant Materials with an Emphasis on Titanium versus Zirconia. Materials (Basel). 2015;8(3):932-958. PMID: 28787980. PMCID: PMC5455450. https://doi.org/10.3390/ma8030932

22. Cofano F, Di Perna G, Monticelli M, et al. Carbon fiber reinforced vs titanium implants for fixation in spinal metastases: A comparative clinical study about safety and effectiveness of the new “carbon-strategy”. J Clin Neurosci. 2020;75:106-111. PMID: 32173153. https://doi.org/10.1016/j.jocn.2020.03.013