Исследование биосовместимости пористых 3D-TiNi имплантатов в условиях in vivo

Введение. Пористые сплавы никелида титана (TiNi), благодаря своим уникальным свойствам сверхэластичности и биосовместимости, находят широкое применение в медицине и используются в качестве костнозамещающих имплантатов, однако длительное ручное изготовление и невозможность создания точной геометрии существенно ограничивают их клиническое применение. В реконструктивной хирургии при замещении костных дефектов необходимы биосовместимые эндопротезы индивидуальной формы и сложной геометрии. Применение пористых 3D-TiNi имплантатов может стать решением многих проблем в области травматологии и костной онкологии.

Цель: оценка возможности применения пористых 3D-TiNi имплантатов в остеопластических операциях на основе исследования структуры и биосовместимости материала в условиях in vivo.

Материал и методы. Пористые образцы в виде конусов и индивидуального имплантата для челюстно-лицевой хирургии были получены методом селективного лазерного плавления из порошка TiNi. Для печати индивидуального имплантата для челюстно-лицевой хирургии использовали персональные данные пациента НИИ онкологии. Макроструктуру, элементный и фазовый состав пористых образцов никелида титана исследовали методами растровой микроскопии и рентгеноструктурного анализа. Оценку биосовместимости пористых образцов в виде конусов проводили в условиях in vivo с использованием лабораторных морских свинок, состояние которых анализировали с помощью КТ-сканирования.

Результаты. Структурные исследования пористых образцов TiNi показали, что методом селективного лазерного плавления можно получить сквозную пористую структуру с прочными контактными перемычками между частицами порошка трехфазного состава. В результате испытаний in vivo имплантатов в виде конусов не наблюдалось местных воспалительных изменений, отторжения и деформаций осей задних конечностей лабораторных животных. Показана принципиальная возможность изготовления индивидуального имплантата сложной геометрии из порошка TiNi методом селективного лазерного плавления, по данным МСКТ больного.

Выводы. Пористые 3D-TiNi имплантаты, полученные методом селективного лазерного плавления, показали высокую биосовместимость в условиях in vivo. Экспериментальное исследование подтвердило эффективность и простоту применения 3D-TiNi имплантатов, их отличную самофиксацию в костной ткани, а также аугментацию костной ткани на границе с имплантатом. Выявлено, что макроструктура, химический и фазовый состав материала имплантата близки к традиционным пористым сплавам TiNi. Показано, что метод селективного лазерного плавления позволяет создавать сложные геометрические дефекты костных тканей из TiNi.

1. Zhu J., Zeng Q., Fu T. An updated review on TiNi alloy for biomedical applications. Corrosion Reviews. 2019;37(6):539–552. DOI: 10.1515/corrrev-2018-0104.

2. Topolnitskiy E., Chekalkin T., Marchenko E., Yasenchuk Y., Kang S.-B., Kang J.-H. et al. Evaluation of clinical performance of tini-based implants used in chest wall repair after resection for malignant tumors. J. Funct. Biomater. 2021;12(4):60. DOI: 10.3390/jfb12040060.

3. Shtin V., Novikov V., Chekalkin T., Gunther V., Marchenko E., Choynzonov E. et al. Repair of orbital post-traumatic wall defects by custom-made TiNi mesh endografts. J. Funct. Biomater. 2019;10(3):27. DOI: 10.3390/jfb10030027.

4. Gunther V., Marchenko E., Chekalkin T., Baigonakova G., Kang J.-H., Kim J.-S. et al. Study of structural phase transitions in quinary TiNi(MoFeAg)-based alloys. Materials Research Express. 2017;4(10):105702. DOI: 10.1088/2053-1591/aa9087.

5. Song D., Yu C., Zhang C., Kang G. Superelasticity degradation of NiTi shape memory alloy in wide ranges of temperature and loading level: Experimental observation and micromechanical constitutive model. International Journal of Plasticity. 2023;161:103487. DOI: 10.1016/j.ijplas.2022.103487.

6. Zhang J., Wang S., Hu P., Zhang Y., Ding H., Huang Y. A novel strategy for fabricating phase transforming NiTi shape memory alloy via multiple processes of severe plastic deformation. Materials Letters. 2023;355:135439. DOI: 10.1016/j.matlet.2023.135439.

7. Chang C., Huang J., Yan X., Li Q., Liu M., Deng S. et al. Microstructure and mechanical deformation behavior of selective laser melted Ti6Al4V ELI alloy porous structures. Materials Letters. 2020;277:128366. DOI: 10.1016/j.matlet.2020.128366.

8. Farber E., Orlov A., Borisov E., Repnin A., Kuzin S., Golubkov N. et al. TiNi alloy lattice structures with negative poisson’s ratio: Computer simulation and experimental results. Metals. 2022;12(9):1476. DOI: 10.3390/met12091476.

9. Lu H.Z., Ma H.W., Luo X., Wang Y., Wang J., Lupoi R. et al. Microstructure, shape memory properties, and in vitro biocompatibility of porous NiTi scaffolds fabricated via selective laser melting. Journal of Materials Research and Technology. 2021;15(10):6797–6812. DOI: 10.1016/j.jmrt.2021.11.112.

10. Vignesh M., Ranjith Kumar G., Sathishkumar M., Manikandan M., Rajyalakshmi, G., Ramanujam R. et al. Development of biomedical implants through additive manufacturing: A review. Journal of Materials Engineering and Performance. 2021;30:4735–4744. DOI: 10.1007/s11665-021-05578-7.

11. Fe-Perdomo I.L., Ramos-Grez J.A., Beruvides G., Mujica R.A. Selective laser melting: lessons from medical devices industry and other applications. Rapid Prototyping Journal. 2021;27(10):1801–1830. DOI: 10.1108/RPJ-07-2020-0151.