CC BY
88
CLINICAL MEDICINE
© КОЛЛЕКТИВ АВТОРОВ, 2018
Олесова В.Н., Лернер А.Я., Заславский Р.С., Олесов Е.Е., Шматов К.В., Лобанов С.А.
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ СВЕРХУПРУГИХ БЕЗНИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ ТИТАНА В ДЕНТАЛЬНОЙ ИМПЛАНТОЛОГИИ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
ФГБУЗ «Клинический центр стоматологии Федерального медико-биологического
агентства», 123098, Москва
Проведены морфологические исследования на животных биосовместимости указанных сплавов в сравнении с титаном. Контроль взаимодействия с костной тканью образцов титановых сплавов составил 30 и 90 сут; метод исследования - сканирующая электронная микроскопия и микрозондовый элементный анализ ткани по границе с титановыми сплавами. Показана близость морфологической картины и элементного состава костной ткани по границе с титаном и сверхупругими сплавами титана как при сроке контроля 30 сут (в контакте со сплавами обнаружена маломинерализованная соединительная ткань), так и при контроле 90 сут (граница с титановыми сплавами покрыта минерализованной костной тканью, схожей по составу с окружающей костной тканью). Показано, что использование сверхупругих сплавов титана (титан-ниобий-цирконий и титан-ниобий-тантал) в дентальной имплапнтологии предпочтительнее сравнении с титаном для дентальных имплантатов, из-за более близких к костной ткани физико-механических свойств.
Ключевые слова: имплантат; титан; титан-ниобий-цирконий; титан-ниобий-тантал;
костная ткань; морфология; остеоинтеграция; элементный состав.
Для цитирования: Олесова В.Н., Лернер А.Я., Заславский Р.С., Олесов Е.Е., Шматов К.В., Лобанов С.А Перспективы применения сверхупругих безникелевых сплавов титана в дентальной имплантологии по результатам экспериментальных исследований. Медицина экстремальных ситуаций. 2018; 20(2): 153-158.
Для корреспонденции: Валентина Николаевна Олесова, доктор мед. наук, профессор, заслуженный врач РФ, Президент Российской ассоциации стоматологической имплантологии, Вице-президент СтАР, главный внештатный стоматолог ФМБА России. E-mail: [email protected]
Olesova V.N., Lerner A.Ya., Zaslavsky R.S., Olesov E.E., Shmatov K.V., Lobanov S.A.
PERSPECTIVES OF APPLICATION OF SUPERCONDUCTED NON-NICKEL TITANIUM ALLOYS IN DENTAL IMPLANTOLOGY ON THE RESULTS OF EXPERIMENTAL INVESTIGATIONS
Clinical Center for Dentistry of the Federal Medical and Biological Agency, Moscow, 123098, Russian Federation
Superelastic titanium alloys (titanium-niobium-zirconium and titanium-niobium-tantalum) are more favorable in comparison with titanium for dental implants because of their physicomechanical properties seem to be more similar to bone tissue characteristics. Morphological animal studies on biocompatibility of these alloys in comparison with titanium have been executed. The control of the interaction of titanium alloy samples with bone tissue was followed up for 30 and 90 days. The method of investigation is scanning electron microscopy and microprobe element analysis of the tissue along the boundary with titanium alloys. The proximity of the morphological pattern and elemental composition of bone tissue along the border of titanium and superelastic alloys of titanium is shown both during observation period of 30 days (in contact with alloys, poorly mineralized connective tissue is detected) and of 90 days (the border with titanium alloys is covered with mineralized bone tissue, similar in composition to the surrounding bone tissue).
Keywords: implant; titanium; titanium-niobium-zirconium; titanium-niobium-tantalum; bone tissue; morphology; osseointegration; elemental composition.
КЛИНИЧЕСКАЯ МЕДИЦИНА
For citation: Olesova V.N., Lerner A.Ya., Zaslavsky R.S., Olesov E.E., Shmatov K.V, Lobanov S.A. Perspectives of application of superconducted non-nickel titanium alloys in dental implantology on the results of experimental investigations. Meditsina ekstremalnykh situatsiy (Medicine of Extreme Situations) 2018; 20(2): 153-158. (In Russ.).
For correspondence: Valentina N. Olesova, MD, Ph.D., DSci., , Professor, Honored Doctor of the Russian Federation, Honored Worker of Science of the Russian Federation, Head of the Department of Clinical Dentistry and Implantology of the Institute for Advanced Training of the Federal Medical Academy of Russia, Moscow, 123098, Russian Federation, Chief Physician of the Clinical Center of Stomatology of Federal Medical and Biological Agency of Russia. E-mail: [email protected]
Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest. Acknowledgments. The study had no sponsorship.
Received 20 May 2018 Accepted 18 May 2018
Введение
В настоящее время подавляющее большинство дентальных имплантатов изготавливают из сплавов титана Grade 4 и Grade 5 [1—3]. Многолетние результаты внутрикост-ной дентальной имплантации демонстрируют превосходную биосовместимость титановых сплавов. В то же время встречаются ситуации быстрой дезинтеграции имплантатов, причина которых, скорее всего, кроется в функциональной перегрузке костной ткани, особенно при недостаточном количестве имплантатов,
из-за значительной разницы физико-механических свойств титана и воспринимающей костной ткани. В связи с этим не прекращается поиск новых конструкционных материалов дентальных имплантатов, например, известны имплантаты из никелида титана, обладающего свойствами сверхупругости, однако, применение никелида титана сдерживается возможностью токсического воздействия входящего в его состав никеля. В настоящее время проводятся комплексные исследования по обоснованию сверхупругих титановых сплавов для целей имплантологии: титан-ниобий-тантал
Рис. 1. Граница контакта костной ткани с образцом из титан-ниобий-циркония (срок эксперимента 30 сут, увеличение х 100).
Рис. 2. Спектрограмма элементного микрозондового анализа ткани в контакте с образцом из титан-ниобий-циркония (срок эксперимента 30 сут).
CLINICAL MEDICINE
Ть22КЬ-6Та и титан-ниобий-цирконий Ti-22Nb-6Zr, полученных методом литья в НИТУ «МИСиС» [4-8]. Наряду со свойствами сверхупругости, присущими никелиду титана (Ть50№), новые титановые сплавы не имеют в своём составе никеля.
Цель исследования: в эксперименте на животных выявить возможности остеоинтеграции безникелевых сверхупругих титановых сплавов Ть22№-6Та и Ть22№^г.
Материал и методы
В Казанском федеральном университете (лаборатория лазерной конфокальной микроскопии Междисциплинарного центра аналитической микроскопии, Междисциплинарный центр коллективного пользования КФУ) изучена способность к остеоинтеграции сверхэластичных сплавов титан-ниобий-тантала и титан-ниобий-циркония в сопоставлении со
Результаты элементного микрозондового анализа ткани по границе образцов титан-ниобий-циркония и титана (вес. %)
Элемент Ti-22Nb-6Zr Ti Grade 4 Название эталона
30 сут 90 сут 30 сут 90 сут
Углерод 72,45 29,68 61,12 27,83 C Vit
Азот 9,49 2,56 3,01 0,00 BN
Кислород 13,45 25,84 21,67 29,60 SiO2
Натрий 0 0,26 0,10 0,34 Albite
Магний 0,11 0,51 0,20 0,69 MgO
Фосфор 0,81 13,77 3,76 13,76 GaP
Сера 1,66 0 1,69 1,14 FeS2
Калий 0,10 0,11 0,08 0,15 KBr
Кальций 1,94 27,27 8,37 26,49 Wollastonite
Сумма 100,00 100,0 100,00 100,00
КЛИНИЧЕСКАЯ МЕДИЦИНА
Рис. 3. Костная ткань в контакте с образцом
из титан-ниобий-циркония (срок эксперимента 90 сут, увеличение х 5000).
сплавом титана на экспериментальных животных. Кроликам породы «Серый Великан» (18 животных со средней массой тела 2500 г) под внутримышечным 2% рометаровым наркозом производили разрез длиной 4 см в поднижнече-люстной области, скелетировали поверхность челюсти и формировали отверстия диаметром 4 мм и глубиной 2 мм с последующим введением в костное ложе с усилием образцов сплавов. После обработки раны 3% раствором перекиси водорода её послойно ушивали. Животных выводили из опыта в сроки 30 и 90 сут внутри-
мышечным введением 6 мл калипсола, производили забор костных блоков, которые помещали в раствор 10% нейтрального формалина; проводили рентгенологический контроль на аппарате Pan Exam+ (Kavo). Предварительный просмотр костных блоков осуществлялся посредством оптического микроскопа при увеличении х50, х100 и х200. Зона контакта костной ткани с образцами из титановых сплавов анализировалась на автоэмиссионном высокоразрешающем сканирующем электронном микроскопе Merlin (Carl Zeiss) после обработки блоков в вакуумной установке Q 150T ES (Quorum Technologies) для нанесения проводящего слоя сплава Au/Pd в соотношении 80/20 толщиной 15 нм методом катодного распыления. Микроскоп оснащен спектрометром энергетической дисперсии AZtec X-Max (Oxford Instruments) с разрешением спектрометра 127 эВ; точность измерения 0,01-1%. Элементный рентгеновский микрозондовый анализ в сопровождении спектрограммы проводился на электронном микроанализаторе EVO GM (Carl Zeiss) при ускоряющем напряжении 20 кэВ и рабочем отрезке 10 мм с использованием набора эталoнов для количественнoго микрoанализа; глубина зондирования порядка 1 мкм; предел обнаружения элементов 1500-2000 ррм.
Рис. 4. Спектрограмма элементного микрозондового анализа костной ткани в контакте с титан-ниобий-цирконием (срок эксперимента 90 дней).
CLINICAL MEDICINE
Рис. 5. Граница контакта костной ткани с титаном (срок эксперимента 30 сут, увеличение х 100).
Результаты
Как показали морфологические исследования и анализ элементного состава пограничной ткани в контакте с имплантатами, взаимодействие с костной тканью образцов сверхэластичных сплавов титан-ниобий-тантал и титан-ниобий-цирконий демонстрирует их остеоинтегратив-ные свойства. Через 30 сут после интеграции образцов титан-ниобий-циркония между ними и костной тканью в некоторых местах по линии контакта при увеличении в сканирующем электронном микроскопе в 50, 100, 500 раз выявляется щель размером до 20 мкм. На большом протяжении контакта с имплантатом выявлены обширные участки ткани, покрывающей края образцов титан-ниобий-циркония (рис. 1). Элементный микрозондовый анализ состава ткани за границами образца сплава идентифицирован как костная ткань, поскольку содержание Са и Р среди 8 анализируемых элементов составляют большинство (соответственно 44,27 и 12,89 вес.%); содержание С и О - 30,33 и 12,22 вес.%. В зонах «нарастания» ткани на образцы титан-ниобий-циркония основной элемент - углерод (72,45 вес.%) а также кислород (13,45 вес.%), что расценивается как соединительная ткань (рис. 2, таблица). Через 90 сут поверхность образцов титан-ниобий-циркония полностью покрывается минерализованной костной тканью, о чём свидетельствует микроэлементный анализ, показывающий следующий состав: Са - 27.27, Р - 13.77, С - 29.68, О - 25.84 вес.% (рис. 3, 4).
Электронно-микроскопическая картина и микрозондовый элементный анализ в эксперименте при использовании титан-ниобий-тантала показывают результаты, близкие к эксперименту при использовании титан-ниобий циркония.
Присутствие титана в костной ткани на сроке контроля 30 сут также сопровождается наличием щели между металлическим образцом имплантата и костной тканью до 10 мкм. При большем увеличении выявляются многочисленные зоны нарастания на металл тканей со стороны костного ложа. По элементному составу эта ткань в основном С - 61.12 и О - 21.67 вес.% (см. таблицу, рис. 5), тогда как ткань на некотором расстоянии от границы с металлическим имплантатом состоит в основном из Са, Р, С и О, составляющих 48.21, 15.01, 25.48 и 8.87 вес.% соответственно. На сроке контроля
Рис. 6. Костная ткань в контакте с титаном (срок эксперимента 90 сут, увеличение х 5000).
157
КЛИНИЧЕСКАЯ МЕДИЦИНА
90 сут образцы из титана полностью покрыты минерализованной костной тканью составом: Ca - 26,49; P - 13,76; C - 27,83; O - 29,60 вес.% (см. таблицу, рис. 6).
Заключение Таким образом, экспериментальные исследования на животных показали перспективность применения сверхупругих безникелевых сплавов титана в качестве материала для вну-трикостных дентальных имплантатов, поскольку образцы дентальных имплантатов из сплавов титан-ниобий-цирконий и титан-ниобий-тантал интегрируются костной тканью так же, как титан; их остеоинтеграция и минерализация пограничной соединительной ткани завершается через 90 сут.
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки.
ЛИТЕРАТУРА
1. Загорский В.А., Робустова Т.Г. Протезирование зубов на имплантатах. 2-е издание, дополненное. М.: Бином;2016.
2. Кулаков А.А., Лосев Ф.Ф., Гветадзе Р.Ш. Зубная имплантация: основные принципы, современные достижения. М.: МИА; 2006.
3. Лебеденко И.Ю., Арутюнов С.Д., Ряховский А.Н. и др. Ортопедическая стоматология. Национальное руководство. М.: ГЭОТАР-Медиа; 2016 .
4. Григорьян А.С, Филонов М.Р., Архипов А.В., Селезнёва И.И., Жукова Ю.С. Возможности применения сплава титана с памятью упругости в стоматологии. Стоматология. 2013; 1:4 -8.
5. Жукова Ю.С., Петржик М.И., Прокошкин С.Д. Оценка кристаллографического ресурса деформации при обратимом мартенситном превращении ß ^ а>> в титановых сплавах с эффектом памяти формы. Металлы. 2010; 6: 77-84.
6. Клопотов А.А., Гюнтер В.Э., Марченко Е.С., Бай-гонакова Г.А. Влияние термической обработки на физические и структурные свойства сплава TI50NI47.7M00.3V 2 с эффектами памяти формы. Известия высших учебных заведений. Физика. 2015; 58(7-2): 68-74.
7. Сысолятин П.Г., Гюнтер В.Э., Сысолятин С.П. и др. Имплантаты с памятью формы в челюстно-лице-вой хирургии. Томск: Изд-во МИЦ; 2012.
8. Olesov E.E., Shugailov I.A., Mirgazizov M.Z. Pozharits-kaya M.V., Zaslavskii S.A. Experimental Study of Changes in the Electric Potential of Implants Made of Titanium Alloys under the Influence of Functional Dynamic Load. Research Journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences. 2016: 7(5): 1118-24.
REFERENSES
1. Zagorsky VA, Robustova T.G. Prosthetic dentistry on implants. 2 nd edition, supplemented [Protezirovanie zubov na implantatah. 2-e izdanie, dopolnennoe]. Moscow: Binom; 2016 .(in Russian)
2. Kulakov AA, Losev FF, Gvetadze R.Sh. Dental implantation: basic principles, modern achievements [Zub-naya implantatsiya: osnovnye printsipy, sovremennye dostizheniya]. Moscow: MIA; 2006.(in Russian)
3. Lebedenko I.Yu., Arutyunov SD, Ryakhovsky AN Orthopedic stomatology. National leadership [Ortope-dicheskaya stomatologiya. Natsional'noe rukovodstvo]. Moscow: GEOTAR-Media; 2016.(in Russian)
4. Grigoryan A.S., Filonov M.R., Arkhipov A.V. Selezneva I.I., Zhukova Yu.S. Possibilities of using titanium alloy with memory of elasticity in dentistry. Stomatologiya. 2013; 1:4 -8 (in Russian)
5. Zhukova Yu.S., Petrzhik M.I., Prokoshkin S.D. Evaluation of the crystallographic deformation resource for reversible martensitic transformation p ^ a «in titanium alloys with shape memory effect. Metally.2010; 6: 7784. (in Russian)
6. Klopotov A.A., Guenter V.E., Marchenko E.S., Baigo-nakova G.A. Effect of heat treatment on physical and structural properties of TI50NI47.7M00.3V 2 alloy with shape memory effects. Izvestiya vysshikh uchebnykh za-vedeniy. Fizika. 2015; 58 (7-2): 68-74. (in Russian)
7. Sysolyatin PG, Guenther VE., Sysolyatin S.P. Implants with memory of form in maxillofacial surgery [Implan-taty s pamyat'yu formy v chelyustno-litsevoy khirurgii]. Tomsk: Publishing house of MIC; 2012 (in Russian)
8. Olesov E.E., Shugailov I.A., Mirgazizov M.Z. Pozharits-kaya M.V., Zaslavskii S.A. Experimental Study of Changes in the Electric Potential of Implants Made of Titanium Alloys under the Influence of Functional Dynamic Load. Research Journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences. 2016: 7(5): 1118-24
Поступила 25 мая 2018 Принята в печать 28 мая 2018
