cardiotomskСибирский журнал клинической и экспериментальной медициныSiberian Journal of Clinical and Experimental Medicine2713-29272713-265XTSU publishing10.29001/2073-8552-2024-39-1-184-193cardiotomsk-2199Research ArticleЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯEXPERIMENTAL STUDIESИсследование биосовместимости пористых 3D-TiNi имплантатов в условиях in vivoStudy of the biocompatibility of porous 3D-TiNi implants in vivohttps://orcid.org/0000-0003-4615-5270МарченкоЕ. С.MarchenkoE. S.

Марченко Екатерина Сергеевна, д-р физ.-мат. наук, доцент, заведующий лабораторией сверхэластичных биоинтерфейсов

634050, Томск, пр. Ленина, 36

Ekaterina S. Marchenko, Dr. Sci. (Phys.-Math.), Associate Professor, Head of the Laboratory of Superelastic Biointerfaces

36, Lenin str., Tomsk, 634050

89138641814@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3157-4579ГордиенкоИ. И.GordienkoI. I.

Гордиенко Иван Иванович, канд. мед. наук, доцент кафедры детской хирургии, проректор по научно-исследовательской и клинической работе

620028, Екатеринбург, ул. Репина, 3

Ivan I. Gordienko, Cand. Sci. (Med.), Associate Professor, Department of Pediatric Surgery, Vice-Rector for Research and Clinical Work

3, Repina str., Ekaterinburg, 620028

van-gordienko@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6711-3577КозулинА. А.KozulinA. A.

Козулин Александр Анатольевич, канд. физ.-мат. наук, доцент

634050, Томск, пр. Ленина, 36

Alexander A. Kozulin, Cand. Sci. (Phys.-Math.), Associate Professor

36, Lenin str., Tomsk, 634050

kozulyn@ftf.tsu.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9853-2766БайгонаковаГ. А.BaigonakovaG. A.

Байгонакова Гульшарат Аманболдыновна, канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник, лаборатория сверхэластичных биоинтерфейсов

634050, Томск, пр. Ленина, 36

Gulsharat A. Baigonakova, Cand. Sci. (Phys.-Math.), Senior Research Scientist, Laboratory of Superelastic Biointerfaces

36, Lenin str., Tomsk, 634050

gat27@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1783-3776БорисовС. А.BorisovS. A.

Борисов Семен Александрович, ассистент, кафедра детской хирургии, заведующий лабораторией новых биоэквивалентных и биорезорбируемых остеопластических материалов для травматологии и реконструктивной хирургии

620028, Екатеринбург, ул. Репина, 3

Semen A. Borisov, Assistant, Department of Pediatric Surgery, Head of the Laboratory of New Bioequivalent and Bioresorbable Osteoplastic Materials for Traumatology and Reconstructive Surgery

3, Repina str., Ekaterinburg, 620028

drborissovsa@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-7077-1554ГаринА. С.GarinA. S.

Гарин Александр Сергеевич, аспирант, инженер-исследователь лаборатории сверхэластичных биоинтерфейсов

634050, Томск, пр. Ленина, 36

Alexander S. Garin, Graduate Student, Research Engineer, Laboratory of Superelastic Biointerfaces

36, Lenin str., Tomsk, 634050

stik-020@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0002-0129-1244ЧерныйС. П.ChernyS. P.

Черный Степан Петрович, аспирант, кафедра детской хирургии, лаборант-исследователь лаборатории новых биоэквивалентных и биорезорбируемых остеопластических материалов для травматологии и реконструктивной хирургии

620028, Екатеринбург, ул. Репина, 3

Stepan P. Cherny, Graduate Student, Department of Pediatric Surgery, Research Assistant, Laboratory of New Bioequivalent and Bioresorbable Osteoplastic Materials for Traumatology and Reconstructive Surgery

3, Repina str., Ekaterinburg, 620028

stechernyy@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3651-0665ЧойнзоновЕ. Л.ChoinzonovE. L.

Чойнзонов Евгений Лхамацыренович, д-р мед. наук, профессор, академик РАН, директор

634009, Томск, пер. Кооперативный, 5

Evgeny L. Choynzonov, Dr. Sci. (Med.), Professor, Academician of the Russian Academy of Sciences, Director

5, Cooperative per., Tomsk, 634009

onco@tnimc.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3089-5047КульбакинД. Е.KulbakinD. E.

Кульбакин Денис Евгеньевич, д-р мед. наук, заведующий отделением опухолей головы и шеи

634009, Томск, пер. Кооперативный, 5

Denis E. Kulbakin, Dr. Sci. (Med.), Head of the Department of Head and Neck Tumors

5, Cooperative per., Tomsk, 634009

kulbakin_d@mail.ruНациональный исследовательский Томский государственный университет (НИ ТГУ)РоссияNational Research Tomsk State UniversityRussian FederationУральский государственный медицинский университет Министерства здравоохранения Российской Федерации (УГМУ Минздрава России)РоссияUral State Medical University of the Ministry of Health of the Russian FederationRussian FederationНаучно-исследовательский институт онкологии – филиал Федерального государственного бюджетного научного учреждения «Томский национальный исследовательский медицинский центр» Российской академии наук (НИИ онкологии Томского НИМЦ)РоссияCancer Research Institute – branch of the Federal State Budgetary Scientific Institution “Tomsk National Research Medical Center (NRMC) of the Russian Academy of Sciences”Russian Federation202405042024391184193Copyright © Марченко Е.С., Гордиенко И.И., Козулин А.А., Байгонакова Г.А., Борисов С.А., Гарин А.С., Черный С.П., Чойнзонов Е.Л., Кульбакин Д.Е., 20242024Марченко Е.С., Гордиенко И.И., Козулин А.А., Байгонакова Г.А., Борисов С.А., Гарин А.С., Черный С.П., Чойнзонов Е.Л., Кульбакин Д.Е.Marchenko E.S., Gordienko I.I., Kozulin A.A., Baigonakova G.A., Borisov S.A., Garin A.S., Cherny S.P., Choinzonov E.L., Kulbakin D.E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.sibjcem.ru/jour/article/view/2199Введение

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

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

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

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

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.

Introduction

Introduction. Porous TiNi alloys are widely used in medicine as osteoreplacement implants due to their unique properties of superelasticity and biocompatibility, but their clinical use is severely limited by time-consuming manual fabrication and the inability to create precise geometries. Reconstructive surgery for the replacement of bone defects requires biocompatible endoprostheses of individual shape and complex geometry. The use of porous 3D-TiNi implants can be a solution to many problems in traumatology and bone oncology.

Aim

Aim: To evaluate the possibility of using porous 3D-TiNi implants in osteoplastic surgery based on a study of the structure and biocompatibility of the material under in vivo conditions.

Material and Methods

Material and Methods. Porous samples in the form of cones and a single implant for maxillofacial surgery were prepared from TiNi powder by selective laser melting. To print an individual implant for maxillofacial surgery, the personal data of the patient at the Oncology Research Institute were used. The macrostructure, elemental and phase composition of porous titanium nickelide samples were investigated using scanning microscopy and X-ray diffraction analysis. The biocompatibility of porous cone-shaped samples was evaluated in vivo using guinea pigs whose condition was analysed by CT scanning.

Results

Results. Structural studies of porous titanium nickelide samples showed that selective laser melting can be used to obtain a continuous porous structure with strong contact bridges between particles of a three-phase powder. In vivo testing of the cone-shaped implants showed no local inflammatory changes, rejection or deformation of the hind limb axes of the experimental animals. The basic feasibility of fabricating a custom implant of complex geometry from TiNi powder using selective laser melting according to a patient’s MSCT data was demonstrated.

Conclusions

Conclusions. Porous 3D-TiNi implants obtained by selective laser melting showed high biocompatibility under in vivo conditions. An experimental study confirmed the efficacy and ease of use of 3D TiNi implants, their excellent self-fixation in bone tissue, and bone tissue augmentation at the interface with the implant. The macrostructure, chemical and phase composition of the implant material was found to be close to traditional porous TiNi alloys. It was shown that the method of selective laser melting makes it possible to create complex geometric defects in bone tissue from TiNi.

никелид титанамикроструктурапористый 3D имплантатбиосовместимостьостеопластикаtitanium nickelidemicrostructureporous 3D implantbiocompatibilityosteoplastyисследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-72-10037, https://rscf.ru/project/22-72-10037/.The study was supported by the Russian Science Foundation grant No. 22-72-10037, https:// rscf.ru/project/22-72-10037/ReferencesZhu 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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.