Registration Number
0824U000909, PhD dissertation
Status
Доктор філософії
Date
26-02-2024
popup.evolution
.
Title
Biocompatibility and Antibacterial Properties of Orthopedic Implants Made from Magnesium Alloys Modified by Plasma Electrolytic Oxidation.
Author
Bohdan Dryhval,
popup.head Oleksandr Oleshko
popup.head Maksym Pogorielov
popup.opponent Andrii Kopchak
popup.opponent Alicja Kazek-Kesik
popup.review Leonid Sukhodub
popup.review Viktoriia Holubnycha
popup.rada
Sumy State University
Description
На даний час імплантологія займає одну з провідних ролей при лікуванні пошкоджень опорно-рухового апарату. На даний час одним із пріоритетних матеріалів при лікуванні дефектів кісткової тканини є металеві імплантати. Незважаючи на те що на даний час вони є еталоном під час використання несучих конструкцій та відповідають безлічі критеріїв при використанні матеріалів під час імплантації довгострокових металоконструкцій, вони мають і певні недоліки. З часом використання таких конструкцій може супроводжуватися фізичним подразненням, хронічними запальними реакціями або викликати генотоксичність чи канцерогенність. Від так, при даних умовах, потребується повторне оперативне втручання після відновлення функцій та механічної цілісності пошкоджених тканин. Для вирішення даної проблеми імплантології потрібна розробка біодеградуючих імплантатів. На даний час, в якості біодеградуючих матеріалів досліджуються два класи матеріалів: полімери та метали. Зниження механічних властивостей полімерних матеріалів у фізіологічних середовищах різко обмежує їх використання у несучих конструкція. В даний час існує три види біодеградуючих металів залізо (Fe), цинк (Zn) та магній (Mg).
Повільна швидкість деградації та феромагнітна природа заліза не дозволила йому набути широкого розповсюдження в імплантології. Сплави на основі цинку, на ряду з їх перевагами, такими як простота виготовлення чи відсутність токсичності, існують і негативні характеристики, а саме низька міцність, пластичність, що не дозволяють використання його в підтримуючих металоконструкціях. Що ж до магнію, він грає важливу роль в структурі кісток, як основний компонент кристалічного гідроксиапатиту, що є головним складовим елементом кістки. В той час, як чудові біомеханічні та біодеградуючі параметри Mg, його нетоксичність по відношенню до клітин та участі іонів у пришвидшенні загоєння ран роблять цей матеріал перспективним для подальших досліджень.
В ході дисертаційної роботи ми досліджували зразки, які модифікувалися у різних електролітичних ваннах та за різної анодуючої напруги. Дані зразки були поділені на два типи С1 та С2, які в своєму складі мали по два зразка 200 В, 250 В та 250 В, 300 В відповідно.
Поверхня модифікованих Mg імплантатів характеризувалася пористою структурою з розподілом пор від субмікронних (менше 0,5 мкм) до поодиноких пор з розмірами від 1 до 5 мкм у розчинах С1 та, від 1 мкм до 5 мкм – у розчині С2. В той час як збільшення напруги зменшувало загальну пористість для обох груп.
Рентгенівська енергодисперсійна спектроскопія продемонструвала наявність Si у всіх зразках та залежність концентрації від напруги. Оксидний шар поверхонь був ідентифікований присутністю O у зразках та підтверджений картуванням поперечного перерізу.
Дослідження фотолюмінісценції допомогли нам виявити більшу кількість структурних дефектів у зразках типі С2 у порівнянні з типом С1 та залежність кількості дефектів від напруги. Аналіз антибактеріальної активності показав більш високе інгібування бактеріальної адгезії у зразках С1.
Визначення токсичності та біосумісності з використанням культур клітин продемонструвало задовільну адгезію та проліферацію клітин на поверхні зразків. В ході дослідження також було виявлено підвищення рівня токсичності зразків в результаті корозії покриттів та наявності структурних дефектів.
Проаналізувавши одержані результати, для кінцевого експерименту по дослідженню взаємодії імплантат-тканина та біосумісності було відібрано два зразки з різних груп, а саме С1 250 В та С2 300 В. В ході досліджень дані зразки продемонстрували наявність антибактеріальних властивостей, а також продемонстрували гарні результати під час тесту на деградацію та визначення токсичності за допомогою культур клітин. До групи порівняння увійшли зразки чистого Mg без модифікацій. Було проведено імплантацію в підшкірно-жирову клітковину лабораторних щурів з подальшими вивченням взаємодії елементів сполучної тканини з поверхнею імплантатів за допомогою гістологічних досліджень, які показали розростання сполучної тканини, утворення окремих вогнищ грануляційної тканини на завершальному етапі дозрівання та відсутність місцевого та загального прозапального і токсичного впливу при використанні зразків С2 300 В, в той час, як зразки С1 250 В показали протилежні результати на 7-му добу, а до другого запланованого терміну у 31 день не дожило жодного щура.
Крім того, імуногістохімічний аналіз виявив відмінні клітинні відповіді між групами, зокрема в групі С1 250 В переважали М1 макрофаги, а С2 300 В - М2 макрофаги та αSMA+ міофібробласти. Ці дані свідчать про те, що модифікація поверхні С2 300 В сприяє більш сприятливому середовищу для заживлення тканин, сприяючи прорегенеративній відповіді.
Результати дослідження доводять, що магнієві імплантати модифіковані шляхом плазмової електролітичної оксидації у силікатних розчинах мають однорідну структуру покриття, володіють антибактеріальними властивостями та біосумісні.
Registration Date
2024-02-13
popup.nrat_date
2024-02-13 / 2026-07-02
