CC BY
2
https://doi.org/10.33647/2713-0428-19-3E-104-109
(«О
BY 4.0
РАЗРАБОТКА И ДОКЛИНИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ ПЕРСОНАЛИЗИРОВАННЫХ ПОРИСТЫХ ТИТАНОВЫХ ИМПЛАНТАТОВ С БИОАКТИВНЫМИ ПОКРЫТИЯМИ В МОДЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ
П.А. Каралкин1*, К.Г. Кудрин1,2, Д.С. Святославов1, Д.А. Усатов1, И.В. Решетов1,2
1 ФГАОУ ВО «Первый Московский государственный медицинский университет им. И.М. Сеченова» Минздрава России (Сеченовский Университет) 119991, Российская Федерация, Москва, ул. Трубецкая, 8, стр. 2
2 Академия постдипломного образования ФГБУ «Федеральный научно-клинический центр ФМБА России» 125371, Российская Федерация, Москва, Волоколамское ш., 91
Разработана технология создания персонализированных пористых титановых имплантатов с биоактивными покрытиями, изготавливаемых с применением аддитивных технологий. Этапы создания имплантата включают получение первичных данных из области костного дефекта с помощью компьютерной томографии; 3D-моделирование области дефекта и соответствующего ей имплантата; изготовление персонализированного имплантата из титановых сплавов с использованием технологии селективного лазерного сплавления; нанесение биоактивных покрытий. Создаваемый персонализированный имплантат может иметь несколько функциональных структур. Проведены всесторонние испытания образцов титановых имплантатов с биоактивными покрытиями. Математическое моделирование и технические испытания позволили установить соответствие механических свойств разработанных структур натуральной костной ткани. Испытания in vitro показали отсутствие острой токсичности при высоких показателях биосовместимости исследованных образцов. Одобренные локальными этическими комитетами испытания in vivo на кроликах породы Советская шиншилла и обезьянах вида павиан анубис показали адекватные биомеханические и высокие остеоиндуктивные свойства исследованных образцов. Успешные результаты доклинических исследований, а также проведение токсикологических и технических испытаний в сертифицированных лабораториях позволили сформировать регистрационное досье для государственной регистрации персонализированных пористых титановых имплантатов с биоактивными покрытиями, изготавливаемых с применением аддитивных технологий.
Ключевые слова: персонализированные пористые титановые имплантаты, биоактивные покрытия, аддитивные технологии
Конфликт интересов: авторы заявили об отсутствии конфликта интересов.
Финансирование: работа выполнена в рамках НИОКР, финансируемой ЧУ «Наука и инновации» (ГК «Росатом»).
Для цитирования: Каралкин П.А., Кудрин К.Г., Святославов Д.С., Усатов Д.А., Решетов И.В. Разработка и доклинические испытания персонализированных пористых титановых имплантатов с биоактивными покрытиями в модельных системах. Биомедицина. 2023;19(3Е):104-109. https://doi. org/10.33647/2713-0428-19-3E-104-109
Поступила 17.04.2023
Принята после доработки 25.04.2023
Опубликована 06.11.2023
DEVELOPMENT AND PRECLINICAL TRIALS OF CASTOMIZED POROUS TITANIUM IMPLANTS WITH BIOACTIVE COATINGS
IN MODEL SYSTEMS
Pavel A. Karalkin1*, Konstantin G. Kudrin12, Dmitry S. Svyatoslavov1, Dmitry A. Usatov1, Igor V. Reshetov12
1 Sechenov First Moscow State Medical University of the Ministry of Health Care of Russia 119991, Russian Federation, Moscow, Trubetskaya Str.,8-2
2 Academy of Postgraduate Education under Federal Scientific and Clinical Center of the Federal Medical and Biological Agency of Russia 125371, Russian Federation, Moscow, Volokolamskoe Highway, 91
This paper presents a technology for creating customized porous titanium implants with bioactive coatings, manufactured using additive technologies. The stages of creating an implant include obtaining primary data from the bone defect area using computed tomography; 3D modeling of the defect area and the corresponding implant; production of a customized implant from titanium alloys using selective laser fusion technology; application of bioactive coatings. The as-created customized implant can have several functional structures. Samples of titanium implants with bioactive coatings were subjected to extensive testing. Mathematical modeling and experiments were used to verify the correspondence of the mechanical properties of the developed structures to natural bone tissue. In vitro tests of the studied samples showed the absence of acute toxicity along with high levels of biocompatibility. In vivo tests of the studied samples on Soviet chinchilla rabbits and Anubis baboon monkeys approved by local ethical committees showed their adequate biomechanical and high osteoinductive properties. The successful results of preclinical studies, as well as toxicological and technical tests in certified laboratories, made it possible to create a registration dossier for state registration of customized porous titanium implants with bioactive coatings, manufactured using additive technologies.
Keywords: personalized porous titanium implants, bioactive coatings, additive technologies. Conflict of interest: the authors declare no conflict of interest.
Funding: the work was carried out within the framework of R&D funded by the PI "Science and Innovation" ("Rosatom").
For citation: Karalkin P.A., Kudrin K.G., Svyatoslavov D.S., Usatov D.A., Reshetov I.V. Development and Preclinical Trials of Castomized Porous Titanium Implants with Bioactive Coatings in Model Systems. JournalBiomed. 2023;19(3Е):104-109. https://doi.org/10.33647/2713-0428-19-3E-104-109
Submitted 17.04.2023 Revised 25.04.2023 Published 06.11.2023
Увеличение числа случаев онкологиче- имплантатов на основе металлов и их спла-
ских заболеваний, травм, ранений челюст- вов на сегодня остается безальтернативным
но-лицевой области как в нашей стране, вариантом для замещения дефектов кост-
так и за рубежом ведет к увеличению по- ной ткани в нагружаемых областях, таких
требности в специализированной помощи как: кости лицевой части черепа и нижняя
при устранении протяженных дефектов ко- челюсть, позвоночник, крупные суставы [1].
стей лицевого скелета [2]. При этом среди металлических импланта-
Несмотря на определенные достижения тов изделия из титана являются наиболее
в разработке и применении синтетических перспективными, поскольку обладают ря-
полимерных или кальцийфосфатных остео- дом преимуществ: низкая токсичность, от-
пластических материалов, использование сутствие выраженных аллергических и кан-
церогенных свойств, хорошие показатели механической прочности и пластичности, а также высокое сопротивление усталостным явлениям [6]. В то же время традиционные методы производства титановых имплантатов (литье, прессование и прокатка) не позволяют создавать в полной мере пористые изделия, обладающие одновременно высокими прочностными/усталостными свойствами и низким модулем упругости, близким к значениям натуральной кости; также эти методы по ряду причин не подходят для создания персонализированных изделий. Решение указанных проблем возможно благодаря применению аддитивных технологий, позволяющих получать изделия с необходимыми прочностными характеристиками с учётом анатомических особенностей, которые, помимо прочего, способны содержать как пористые, так и сплошные конструктивные элементы для наиболее полной реконструкции протяженных дефектов костей лицевого скелета [4, 7].
С точки зрения усиления регенеративных свойств титановых имплантатов весьма перспективным подходом является разработка биоактивных покрытий для их поверхностей, содержащих набор биогенных компонентов, где каждая из структурных составляющих выполняет определенную функцию, в частности обеспечивает механическую прочность, износостойкость, коррозионную стойкость, биоактивность и бактерицидность [3, 5].
Описанный выше подход был реализован при разработке технологии создания персонализированных пористых титановых имплантатов с биоактивными покрытиями, изготавливаемых с применением аддитивных технологий. Процесс создания персонализированного имплантата включает несколько этапов.
На первом этапе по данным компьютерной томографии происходит получение 3D-модели костных структур, содержащих дефект. Затем происходит реконструкция
области костного дефекта (при необходимости область дефекта корректируется в соответствии с планируемой резекцией костных тканей).
На втором этапе на основе 3D-моделей костных структур и области дефекта создают 3D-модель имплантата. В зависимости от особенностей области дефекта имплан-тат может содержать: сетчатые структуры в области контакта с костными тканями для биоинтеграции; ячеистые структуры, обеспечивающие необходимые механические и прочностные свойства несущей части изделия; сплошные структуры для реконструкции тонкостенных областей и других участков, требующих гладких поверхностей. При реконструкции дефектов нижней челюсти с суставным сегментом имплантат будет содержать в области суставной головки полую гладкую сферическую поверхность. При сложной конфигурации дефекта костных тканей выполняется проверка соответствия формы будущего имплантата граничащим сохранным анатомическим структурам путём изготовления стереоли-тографических моделей с последующим их совмещением и коррекцией (при необходимости) 3D-модели имплантата, что также облегчает планирование последующей хирургической операции.
В ходе моделирования и технических испытаний в сертифицированной государственной лаборатории установлена биоадекватность механических и прочностных свойств ячеистых структур замещаемым костным тканям. Ячеистые структуры подбирались из типоразмерного ряда в соответствии с ожидаемыми механическими свойствами замещаемых костных тканей. Внедрение ячеистых структур в 3D-модель имплантата выполнялось после моделирования формы имплантата и моделирования крепёжных элементов (пластинообразные структуры с отверстиями под стандартные крепёжные винты). На заключительной фазе создания 3D-модели импланта-
та в местах контакта с костными тканями в границах дефекта размещали сетчатые структуры для управления процессами остеоинтеграции.
На третьем этапе в соответствии с 3D-моделью имплантата происходит изготовление персонализированного имплан-тата по технологии селективного лазерного сплавления. Образцы-свидетели, изготавливаемые совместно с каждой партией им-плантатов, позволяют проводить контроль качества.
На четвёртом этапе выполняется нанесение биоактивных покрытий методом магне-тронного распыления. В ходе исследований установлено, что оптимальными с точки зрения комбинации твердости, износостойкости и биоактивных свойств являются покрытия на основе TiCN, модифицированные Ca, P и O (TiCaPCON). Наличие доказанных биоактивных свойств, высокой износостойкости и возможности осаждения на поверхность с развитым рельефом делает покрытия состава TiCaPCON перспективным материалом для модификации высокопористых остеоиндуктивных им-плантатов, обладающих мультимодальным распределением пор и изготовленных методом селективного лазерного сплавления. При этом дополнительные бактерицидные свойства имплантатов возможно получить благодаря имплантации ионов серебра (Ag) в структуру поверхностного напыления.
Предварительно перед доклиническими исследованиями были проведены токсикологические исследования in vitro специфической активности титановых образцов, созданных по описанной выше технологии.
Весь комплекс биологических исследований in vitro был выполнен на 3D-образцах без покрытий, а также образцах с многокомпонентным покрытием состава CaPCON или многокомпонентным покрытием состава CaPCON с ионной имплантацией Ag. В экспериментах были использованы два вида клеток: культура остеосаркомы чело-
века линии MG-63 (тест-культура) и культура мультипотентных стромальных клеток костного мозга (МСК КМ) здоровых доноров. На первом этапе методом непрямого контакта показано отсутствие острой токсичности в отношении тест-культуры как образцов исходного высокопористого титана, так и образцов с многокомпонентными биоактивными покрытиями.
Далее были изучены и сравнены процессы адгезии клеток MG-63 к поверхности опытных образцов без покрытия и с двумя типами биоактивных покрытий через 4 и 24 ч культивирования. На основании результатов конфокальной микроскопии и иммуноцитохимии с использованием МАТ к винкулину (белок фокальных контактов) и использования окраски фал-лоидином установлены более выраженные адгезивные свойства покрытия состава CaPCON на пористом титане: площадь клеток и количество фокальных контактов с данной поверхностью через 24 ч культивирования в этой группе были максимальные по сравнению с образцами титана без покрытия и с покрытием состава CaPCON с ионной имплантацией Ag.
Результаты, полученные с помощью МТТ-теста и метода Live/Dead, свидетельствуют о том, что разработанные составы многокомпонентных покрытий на пористом имплантате из титана не снижают жизнеспособности и не подавляют пролифера-тивных потенций тест-культуры — клеток остеосаркомы человека линии MG-63. Скорость экспансии клетками поверхности этих разработанных образцов не отличалась от контроля (полистирен). Таким образом, все три типа образцов на основе сплава титана оказались цитосовместимыми и поддерживали адгезию, активную пролиферацию клеток тест-культуры MG-63 и в итоге способствовали эффективной колонизации поверхностей данных образцов.
В исследовании по оценке способности образцов поддерживать остеогенную диф-
ференцировку МСК КМ при условии их культивирования в специальных индукционных средах методом ПРЦ РВ показано, что все три типа образцов в экспериментах in vitro в разной степени способствовали остеогенной дифференцировке МСК КМ донора: в этих клетках была определена экспрессия двух из трех изученных маркерных генов — RunX2 и Alpl, что позволяет предполагать остеоинтеграцию образцов при имплантации их в костный дефект in vivo.
В целом токсикологические исследования показали безопасность титановых имплан-татов, созданных по описанной выше технологии. Полученные результаты проведенных испытаний in vitro показали отсутствие острой токсичности при высоких показателях биосовместимости исследованных образцов. По совокупности выявленных биологических эффектов наиболее перспективными для проведения дальнейших доклинических испытаний представляются титановые имплан-таты с био-активным покрытием состава CaPCON, дополненные ионами серебра.
Были проведены всесторонние доклинические исследования образцов титановых имплантатов, созданных в соответствии с описанным выше подходом. Предварительно были разработаны модельные костные дефекты для средних и крупных лабораторных животных. Доклинические исследования получили одобрение локального этического комитета.
Исследования биомеханических и остео-индуктивных свойств имплантатов в моделях костных дефектов проведены на кроликах породы Советская шиншилла. Были сформированы разработанные модель-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ | REFERENCES
1. Davis R., Singh A., Jackson M.J., Coelho R.T., Prakash D., Charalambous C.P., Ahmed W., da Silva L.R.R., Lawrence A.A. A comprehensive review on metallic implant biomaterials and their subtractive manufacturing. Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2022;120:1473-1530. DOI: 10.1007/s00170-022-08770-8.
ные костные дефекты и выполнено имплантирование изготовленных изделий. Отмечались хорошая переносимость оперативных вмешательств по установке им-плантатов, а также начальные признаки репаративного остеогенеза. В результате рентгенографических исследований зоны имплантации выявлена удовлетворительная остеоиндукция.
Также проведены исследования биомеханических и остеоиндуктивных свойств имплантатов в моделях костных дефектов у крупных лабораторных животных. Исследования проведены на обезьянах вида павиан анубис путём имплантации индивидуальных изделий. В результате рентгенографических исследований зоны имплантации установлена удовлетворительная остеоиндукция. Костную регенерацию оценивали по набору количественных параметров: размер костной мозоли в проксимальном отделе, наличие очагов резорбции и литических изменений в проксимальном отделе, затемнение пористых структур в проксимальном отделе.
Удовлетворительные результаты моделирования, исследований in vitro, доклинических испытаний in vivo на кроликах породы Советская шиншилла и обезьянах вида павиан анубис позволили сформировать регистрационное досье персонализированных пористых титановых имплантатов с биоактивными покрытиями, изготавливаемых с применением аддитивных технологий. В ходе подготовки регистрационного досье также успешно пройдены необходимые технические и токсикологические испытания в сертифицированных лабораториях.
2. Juncar M., Tent P.A., Juncar R.I., Harangus A., Mircea R. An epidemiological analysis of maxillofacial fractures: a 10-year cross-sectional cohort retrospective study of 1007 patients. BMC Oral Health. 2021;21(1):128. DOI: 10.1186/s12903-021-01503-5.
3. Narayanan R., Seshadri S.K., Kwon T.Y., Kim K.H. Calcium phosphate-based coatings on titanium and
its alloys. J. Biomed. Mater. Res. B Appl. Biomater. 2008;85(1):279-299. DOI: 10.1002/jbm.b.30932.
4. Park J., Zobaer T., Sutradhar A.A. Two-Scale MultiResolution Topologically Optimized Multi-Material Design of 3D Printed Craniofacial Bone Implants. Micromachines. 2021;12:101. DOI: 10.3390/mi1202 0101.
5. Xue T., Attarilar S., Liu S., Liu J., Song X., Li L., Zhao B., Tang Y. Surface Modification Techniques of Titanium and its Alloys to Functionally Optimize Their Biomedical Properties. Front. Bioeng. Biotechnol. 2020;8:603072. DOI: 10.3389/fbioe.2020.603072.
6. Yang J., Liu C., Sun H., Liu Y., Liu Z., Zhang D., Zhao G., Wang Q., Yang D. The progress in titanium alloys used as biomedical implants: From the view of reactive oxygen species. Front. Bioeng. Biotechnol. 2022;10:1092916. DOI: 10.3389/fbioe.2022.1092916.
7. Zumofen L., Kopanska K.S., Bono E., Kirchheim A., De Haller E.B., Graf-Hausner U. Properties of Additive-Manufactured Open Porous Titanium Structures for Patient-Specific Load-Bearing Implants. Front. Mech. Eng. 2022;7:830126. DOI: 10.3389/ fmech.2021.830126.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ | INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Каралкин Павел Анатольевич*, к.м.н., ФГАОУ ВО «Первый Московский государственный медицинский университет им. И.М. Сеченова» Минздрава России (Сеченовский Университет); e-mail: karalkin p [email protected]
Pavel A. Karalkin*, Cand. Sci. (Med.), Sechenov First Moscow State Medical University of the Ministry of Health Care of Russia; e-mail: karalkin p [email protected]
Кудрин Константин Геннадьевич, ФГАОУ ВО «Первый Московский государственный медицинский университет им. И.М. Сеченова» Минздрава России (Сеченовский Университет); Академия постдипломного образования ФГБУ «Федеральный научно-клинический центр ФМБА России»; e-mail: kudrin [email protected]
Konstantin G. Kudrin, Sechenov First Moscow State Medical University of the Ministry of Health Care of Russia; Academy of Postgraduate Education under Federal Scientific and Clinical Center of the Federal Medical and Biological Agency of Russia; e-mail: kudrin [email protected]
Святославов Дмитрий Сергеевич, к.м.н., доц., ФГАОУ ВО «Первый Московский государственный медицинский университет им. И.М. Сеченова» Минздрава России (Сеченовский Университет); e-mail: [email protected]
Dmitry S. Svyatoslavov, Cand. Sci. (Med.), Assoc. Prof., Sechenov First Moscow State Medical University of the Ministry of Health Care of Russia; e-mail: [email protected]
Усатов Дмитрий Андреевич, к.м.н., доц., ФГАОУ ВО «Первый Московский государственный медицинский университет им. И.М. Сеченова» Минздрава России (Сеченовский Университет); e-mail: [email protected]
Dmitry A. Usatov, Cand. Sci. (Med.), Assoc. Prof., Sechenov First Moscow State Medical University of the Ministry of Health Care of Russia; e-mail: [email protected]
Решетов Игорь Владимирович, д.м.н., проф., акад. РАН, ФГАОУ ВО «Первый Московский государственный медицинский университет им. И.М. Сеченова» Минздрава России (Сеченовский Университет); Академия постдипломного образования ФГБУ «Федеральный научно-клинический центр ФМБА России»; e-mail: [email protected]
Igor V. Reshetov, Dr. Sci. (Med.), Prof., Acad. of the RAS, Sechenov First Moscow State Medical University of the Ministry of Health Care of Russia; Academy of Postgraduate Education under Federal Scientific and Clinical Center of the Federal Medical and Biological Agency of Russia; e-mail: [email protected]
* Автор, ответственный за переписку / Corresponding author
