Современное состояние и перспективы использования имплантатов из циркониевых керамических материалов в травматологии и ортопедии

Современное состояние и перспективы использования имплантатов из циркониевых керамических материалов в травматологии и ортопедии

Автор: Волокитина Е.А., Антропова И.П., Тимофеев К.А., Труфаненко Р.А.

Журнал: Гений ортопедии @geniy-ortopedii

Рубрика: Обзор литературы

Статья в выпуске: 1 т.30, 2024 года.

Бесплатный доступ

Введение. Керамические материалы в настоящее время широко востребованы в разных областях медицины. Циркониевая керамика демонстрирует исключительные механические свойства и биосовместимость, не вызывает цитотоксические эффекты или аллергические реакции в окружающих тканях.Цель работы - на основе данных литературы определить перспективы применения циркониевой керамики в качестве остеозамещающего материала в травматологии и ортопедии.Материалы и методы. Поиск публикаций проведен в базе данных PubMed и электронной научной библиотеке eLIBRARY на двух языках: русский и английский. При поиске использовали ключевые слова: биокерамика, кость, костный дефект, цирконат, циркониевая керамика, инженерия костной ткани, имплантат, скаффолд, аугмент, биоинтеграция, биоактивность (bioceramics, bone, bone defect, zirconate, zirconium ceramics, bone tissue engineering, implant, scaffold, augment, biointegration, bioactivity). Глубина поиска - с 2000 по 2023 год включительно.Результаты и обсуждение. Диоксид циркония является основным керамическими биоинертным материалом. Представлена характеристика ZrO2 в качестве остеозамещающего материала, дано сравнение с титановыми имплантатами. Приведены данные о различных стратегиях совершенствования циркониевой биокерамики: улучшение поверхности материала физическими и химическими методами, получение объемной пористости, в том числе с помощью аддитивных технологий, создание композитных материалов, разработка биоактивных покрытий. Активно изучаются новые способы создания совместимой с живыми тканями циркониевой керамики, содержащей биоактивные ионы, способствующие как остеоинтеграции, так и регенерации костной ткани.Заключение. Использование керамики на основе диоксида циркония представляется многообещающей альтернативой титановым имплантатам в плане механической прочности, биологической функциональности, химической стабильности, остеоинтеграции и антибактериальных свойств. Дальнейшие экспериментальные и клинические исследования будут способствовать совершенствованию циркониевой керамики.

Еще

Биокерамика, цирконат, костный дефект, имплантат, биоинтеграция

Короткий адрес: https://sciup.org/142240830

IDR: 142240830   |   DOI: 10.18019/1028-4427-2024-30-1-114-123

Список литературы Современное состояние и перспективы использования имплантатов из циркониевых керамических материалов в травматологии и ортопедии

  • Schade AT, Mbowuwa F, Chidothi P, et al. Epidemiology of fractures and their treatment in Malawi: Results of a multicentre prospective registry study to guide orthopaedic care planning. PLoS One. 2021;16(8):e0255052. doi: 10.1371/journal.pone.0255052
  • LaurencinC, KhanY,El-AminSF.Bone graft substitutes.ExpertRevMedDewces.2006;3(1):49-57.doi:10.1586/17434440.3.1.49
  • Ялочкина Т.О., Белая Ж.Е. Низкотравматичные переломы и костное ремоделирование при сахарном диабете 2 типа. Ожирение и метаболизм. 2017;14(3):11-18. doi: 10.14341/OMET2017311-18
  • Khan SN, Cammisa FP Jr, Sandhu HS, et al. The biology of bone grafting. J Am Acad Orthop Surg. 2005;13(1):77-86.
  • McKee MD. Management of segmental bony defects: the role of osteoconductive orthobiologics. J Am Acad Orthop Surg. 2006;14(10 Spec No.):S163-167. doi: 10.5435/00124635-200600001-00036
  • Amini AR, Laurencin CT, Nukavarapu SP. Bone tissue engineering: recent advances and challenges. Crit Rev Biomed Eng. 2012;40(5):363-408. doi: 10.1615/critrevbiomedeng.v40.i5.10
  • Taniguchi N, Fujibayashi S, Takemoto M, et al. Effect of pore size on bone ingrowth into porous titanium implants fabricated by additive manufacturing: An in vivo experiment. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2016;59:690-701. doi: 10.1016/j.msec.2015.10.069
  • Chauhan A, Bhatt AD. A review on design of scaffold for osteoinduction: Toward the unification of independent design variables. Biomech ModelMechanobiol. 2023;22(1):1-21. doi: 10.1007/s10237-022-01635-9
  • Гилев М.В., Зайцев Д.В., Измоденова М.Ю., и др. Сравнительная характеристика методов аттестации деформированной микроструктуры трабекулярной костной ткани. Российский журнал биомеханики. 2019;23(2):242-250. doi: 10.15593/RZhBiomeh/2019.2.06
  • Parikh SN. Bone graft substitutes: past, present, future. J Postgrad Med. 2002;48(2):142-148.
  • Muscolo DL, Ayerza MA, Aponte-Tinao LA. Massive allograft use in orthopedic oncology. Orthop Clin North Am. 2006;37(1):65-74. doi: 10.1016/j.ocl.2005.08.003
  • Yi S, Xu L, Gu X. Scaffolds for peripheral nerve repair and reconstruction. Exp Neurol. 2019;319:112761. doi: 10.1016/j. expneurol.2018.05.016
  • Kaur G, Kumar V, Baino F, et al. Mechanical properties of bioactive glasses, ceramics, glass-ceramics and composites: State-of-the-art review and future challenges. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2019;104:109895. doi: 10.1016/j. msec.2019.109895
  • Vaiani L, Boccaccio A, Uva AE, et al. Ceramic Materials for Biomedical Applications: An Overview on Properties and Fabrication Processes. JFunctBiomater. 2023;14(3):146. doi: 10.3390/jfb14030146
  • Jitaru S, Hodisan I, Timis L, et al. The use ofbioceramics in endodontics - literature review. Clujul Med. 2016;89(4):470-473. doi: 10.15386/cjmed-612
  • Кульбакин Д.Е., Чойнзонов Е.Л., Буякова С.П. и др. Выбор реконструктивного материала в восстановлении костных дефектов челюстно-лицевой области в онкологической практике. Голова и шея. 2018;6(4):64-69.
  • Hench LL, Thompson I. Twenty-first century challenges for biomaterials. JR Soc Interface. 2010;7 Suppl 4(Suppl 4): S379-S391. doi: 10.1098/rsif.2010.0151.focus
  • de Ruiter A, Dik E, van Es R, et al. Micro-structured calcium phosphate ceramic for donor site repair after harvesting chin bone for grafting alveolar clefts in children. J Craniomaxillofac Surg. 2014;42(5):460-468. doi: 10.1016/j. jcms.2013.05.042
  • Whitehouse MR, Dacombe PJ, Webb JC, Blom AW. Impaction grafting of the acetabulum with ceramic bone graft substitute: high survivorship in 43 patients with a mean follow-up period of 4 years. Acta Orthop. 2013;84(4):371-376. doi: 10.3109/17453674.2013.824801
  • Warreth A, Elkareimi Y. All-ceramic restorations: A review of the literature. Saudi Dent J. 2020;32(8):365-372. doi: 10.1016/j.sdentj.2020.05.004
  • Collins MN, Ren G, Young K, et al, Oliveira J.M. Scaffold fabrication technologies and structure/function properties in bone tissue engineering. AdvFuncMater. 2021;31(21):2010609. doi: 10.1002/adfm.202010609
  • Yanyan S, Guangxin W, Guoqing S, et al. Effects of amino acids on conversion of calcium carbonate to hydroxyapatite. RSC Adv. 2020;10(61):37005-37013. doi: 10.1039/d0ra07636h
  • Yu X, Tang X, Gohil SV, Laurencin CT. Biomaterials for Bone Regenerative Engineering. Adv Healthc Mater. 2015;4(9):1268-85. doi: 10.1002/adhm.201400760
  • De Aza AH, Chevalier J, Fantozzi G, et al. Crack growth resistance of alumina, zirconia and zirconia toughened alumina ceramics for joint prostheses. Biomaterials. 2002;23(3):937-45. doi: 10.1016/s0142-9612(01)00206-x
  • Chevalier J. What future for zirconia as a biomaterial? Biomaterials. 2006;27(4):535-43. doi: 10.1016/j. biomaterials.2005.07.034
  • Абызов А.М. Оксид алюминия и алюмооксидная керамика (Обзор). Часть 1. Свойства Al2O3 и промышленное производство дисперсного Al2O3. Новые огнеупоры. 2019;(1):16-23. doi: 10.17073/1683-4518-2019-1-16-23
  • Vult von Steyern P. All-ceramic fixed partial dentures. Studies on aluminum oxide- and zirconium dioxide-based ceramic systems. SwedDent J Suppl. 2005;(173):1-69.
  • Hernigou P, Bahrami T. Zirconia and alumina ceramics in comparison with stainless-steel heads. Polyethylene wear after a minimum ten-year follow-up. J Bone Joint Surg Br. 2003;85(4):504-509. doi: 10.1302/0301-620x.85b4.13397
  • Denry I, Abdelaal M, Dawson DV, et al. Effect of crystalline phase assemblage on reliability of 3Y-TZP. J Prosthet Dent. 2021;126(2):238-247. doi: 10.1016/j.prasdent.2020.05.023
  • Yin L, Nakanishi Y, Alao AR, et al. A review of engineered zirconia surfaces in biomedical applications. Procedia CIRP. 2017;65:284-290. doi: 10.1016/j.procir.2017.04.057
  • Ульянов Ю.А., Зарипова Э.М., Мингазова Э.Н. К вопросу о биосовместимости керамических имплантатов при оказании ортопедической помощи. Менеджер здравоохранения. 2023;(9):18-22. doi: 10.21045/1811-0185-2023-9-18-22
  • Depprich R, Zipprich H, Ommerborn M, et al. Osseointegration of zirconia implants compared with titanium: an in vivo study. Head Face Med. 2008;4:30. doi: 10.1186/1746-160X-4-30
  • Gahlert M, Roehling S, Sprecher CM, et al. In vivo performance of zirconia and titanium implants: a histomorphometric study in mini pig maxillae. Clin Oral Implants Res. 2012;23(3):281-286. doi: 10.1111/j.1600-0501.2011.02157.x
  • Han JM, Hong G, Lin H, et al. Biomechanical and histological evaluation of the osseointegration capacity of two types of zirconia implant. Int JNanomedicine. 2016;11:6507-6516. doi: 10.2147/IJN.S119519
  • Kohal RJ, Weng D, Bächle M, Strub JR. Loaded custom-made zirconia and titanium implants show similar osseointegration: an animal experiment. JPeriodontol. 2004;75(9):1262-8. doi: 10.1902/jop.2004.75.9.1262
  • Scarano A, Di Carlo F, Quaranta M, Piattelli A. Bone response to zirconia ceramic implants: an experimental study in rabbits. J Oral Implantol. 2003;29(1):8-12. doi: 10.1563/1548-1336(2003)029<0008:BRTZCI-2.3.C0;2
  • Roehling S, Astasov-Frauenhoffer M, Hauser-Gerspach I, et al. In Vitro Biofilm Formation on Titanium and Zirconia Implant Surfaces. J Periodontol. 2017;88(3):298-307. doi: 10.1902/jop.2016.160245
  • Gahlert M, Gudehus T, Eichhorn S, et al. Biomechanical and histomorphometric comparison between zirconia implants with varying surface textures and a titanium implant in the maxilla of miniature pigs. Clin Oral Implants Res. 2007;18(5):662-668. doi: 10.1111/j.1600-0501.2007.01401.x
  • Bacchelli B, Giavaresi G, Franchi M, et al. Influence of a zirconia sandblasting treated surface on peri-implant bone healing: An experimental study in sheep. Acta Biomater. 2009;5(6):2246-2257. doi: 10.1016/j.actbio.2009.01.024
  • Flamant Q, Garcia Marro, Roa Rovira JJ, Anglada M. Hydrofluoric acid etching of dental zirconia. Part 1: etching mechanism and surface characterization. J Eur Ceram Soc. 2016;36(1):121-134. doi: 10.1016/j.jeurceramsoc.2015.09.021
  • Vu VT, Oh GJ, Yun KD, et al. Acid etching of glass-infiltrated zirconia and its biological response. J Adv Prosthodont. 2017;9(2):104-109. doi: 10.4047/jap.2017.9.2.104
  • Henningsen A, Smeets R, Heuberger R, et al. Changes in surface characteristics of titanium and zirconia after surface treatment with ultraviolet light or non-thermal plasma. Eur J Oral Sci. 2018;126(2):126-134. doi: 10.1111/eos.12400
  • Brezavscek M, Fawzy A, Bächle M, et al. The Effect of UV Treatment on the Osteoconductive Capacity of Zirconia-Based Materials. Materials (Basel). 2016;9(12):958. doi: 10.3390/ma9120958
  • Yang Y, Zhou J, Liu X, et al. Ultraviolet light-treated zirconia with different roughness affects function of human gingival fibroblasts in vitro: the potential surface modification developed from implant to abutment. J Biomed Mater Res BApplBiomater. 2015;103(1):116-24. doi: 10.1002/jbm.b.33183
  • Кирилова И.А., Садовой М.А., Подорожная В.Т. и др. Керамические и костно-керамические имплантаты: перспективные направления. Хирургия позвоночника. 2013;(4):052-062. doi: 10.14531/ss2013.4.52-62
  • Калинина М.В., Ковалько Н.Ю., Суслов Д.Н. и др. Влияние высокопористой биокерамики на основе системы ZrO2 - Y2O3 - CeO2 на биологические ткани экспериментальных животных. Перспективные материалы. 2020;(7):29-39. doi: 10.30791/1028-978X-2020-7-29-39. EDN: UFWBLV.
  • Рогожников А.Г. Способ получения и физико-механические испытания отечественных керамических материалов на основе диоксида циркония из наноструктурированных порошков. Уральский медицинский журнал. 2015;(10):113-119. EDN: VLMTEH.
  • Ковалько Н.Ю., Калинина М.В., Суслов Д.Н. и др. Исследование влияния биокерамических образцов на основе t-ZrO2 на состояние мышечной и соединительной тканей экспериментальных животных при внутримышечном введении. Перспективные материалы. 2019;(5):41-49. doi: 10.30791/1028-978X-2019-5-41-49. EDN: WOHJSY.
  • Буякова С.П., Хлусов И.А., Кульков С.Н. Пористая циркониевая керамика для эндопротезирования костной ткани. Физическаямезомеханика. 2004;7(Спец 2):127-130. doi: 10.24411/1683-805X-2004-00097
  • Li T, Chang J, Zhu Y, Wu C. 3D Printing of Bioinspired Biomaterials for Tissue Regeneration. Adv Healthc Mater. 2020:e2000208. doi: 10.1002/adhm.202000208
  • Zafar MJ, Zhu D, Zhang Z. 3D Printing of Bioceramics for Bone Tissue Engineering. Materials (Basel). 2019;12(20):3361. doi: 10.3390/ma12203361
  • Ma H, Feng C, Chang J, Wu C. 3D-printed bioceramic scaffolds: From bone tissue engineering to tumor therapy. Acta Biomater. 2018;79:37-59. doi: 10.1016/j.actbio.2018.08.026
  • Lughi V, Sergo V. Low temperature degradation -aging- of zirconia: A critical review of the relevant aspects in dentistry. Dent Mater. 2010;26(8):807-820. doi: 10.1016/j.dental.2010.04.006
  • Ricco Pa, de Carvalho Ramos N, Bastos Campos TM, et al. The roles of microstructure and surface energy on subcritical crack growth in glass-ceramics. Ceramics International. 2021;47(5)6827-6833. doi: 10.1016/j.ceramint.2020.11.025
  • Chevalier J, Deville S, Münch E, et al. Critical effect of cubic phase on aging in 3mol% yttria-stabilized zirconia ceramics for hip replacement prosthesis. Biomaterials. 2004;25(24):5539-5545. doi: 10.1016/j.biomaterials.2004.01.002
  • Gremillard L, Chevalier J, Martin L, et al. Sub-surface assessment of hydrothermal ageing in zirconia-containing femoral heads for hip joint applications. Acta Biomater. 2018;68:286-295. doi: 10.1016/j.actbio.2017.12.021
  • Boniecki M, Sadowski T, Gol^biewski P, et al. Mechanical properties of lumina/zirconia composites. Ceramics International. 2020;46(1):1033-1039. doi: 10.1016/j.ceramint.2019.09.068
  • Abbas MKG, Ramesh S, Lee KYS, et al. Effects of sintering additives on the densification and properties of alumina-toughened zirconia ceramic composites. Ceramics International. 2020;46(17): 27539-27549. doi: 10.1016/j. ceramint.2020.07.246
  • Abbas MKG, Ramesh S, Tasfy SFH, Lee KYS. A state-of-the-art review on alumina toughened zirconia ceramic composites. Materials Today Communications. 2023;37:106964. doi: 10.1016/j.mtcomm.2023.106964
  • Patil S, Patil DR, Jung IC, Ryu J. Effect of cooling rates on mechanical properties of alumina-toughened zirconia composites. Ceramics International. 2022;48:21048-21053. doi: 10.1016/j.ceramint.2022.04.127
  • Sequeira S, Fernandes MH, Neves N, Almeida MM. Development and characterization of zirconia-alumina composites for orthopedic implants. Ceramics International. 2017;43:693-703. doi: 10.1016/j.ceramint.2016.09.216
  • Плющев А.Л., Гаврюшенко Н.С., Голев С.Н. Особенности применения керамики в парах трения эндопротезов тазобедренного сустава при ДКА. Московский хирургический журнал. 2008;(2):47-55. EDN: QZPZXF.
  • Aboushelib MN, Shawky R. Osteogenesis ability of CAD/CAM porous zirconia scaffolds enriched with nano-hydroxyapatite particles. Int J Implant Dent. 2017 Dec;3(1):21. doi: 10.1186/s40729-017-0082-6
  • Pardun K, Treccani L, Volkmann E, et al. Mixed zirconia calcium phosphate coatings for dental implants: tailoring coating stability and bioactivity potential. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2015;48:337-346. doi: 10.1016/j.msec.2014.12.031
  • Пантелеенко Ф.И., Оковитый В.А., Кулак А.И., Оковитый В.В. Композиционный порошок для нанесения плазменных покрытий, полученный на основе совместного осаждения гидроксиапатита и гидратированного диоксида циркония. Упрочняющие технологии и покрытия. 2015; (6):38-40. EDN TXQDWB.
  • Yang J, Sultana R, Ichim P, et al. Micro-porous calcium phosphate coatings on load-bearing zirconia substrate: Processing, property and application. Ceramics International. 2013;39(6):6533-6542. doi: 10.1016/j.ceramint.2013.01.086
  • Silva ADR, Pallone EMJA, Lobo AO. Modification of surfaces of alumina-zirconia porous ceramics with Sr2+ after SBF. JAust Ceram Soc. 2020;56:517-524. doi: 10.1007/s41779-019-00360-4
  • Kou W, Akasaka T, Watari F, Sjögren G. An in vitro evaluation of the biological effects of carbon nanotube-coated dental zirconia. ISRNDent. 2013;2013:296727. doi: 10.1155/2013/296727
  • Fabris D, Souza JCM, Silva FS, et al. The bending stress distribution in bilayered and graded zirconia-based dental ceramics. Ceramics International. 2016;42(9):11025-11031. doi: 10.1016/j.ceramint.2016.03.245
  • Li H, Xie Y, Li K, L. et al Microstructure and wear behavior of graphene nanosheets-reinforced zirconia coating. Ceramics International. 2014;40(8):12821-12829. doi: 10.1016/j.ceramint.2014.04.136
  • Brokesh AM, Gaharwar AK. Inorganic Biomaterials for Regenerative Medicine. ACS Appl Mater Interfaces. 2020;12(5):5319-5344. doi: 10.1021/acsami.9b17801
  • Zhao Y, Zhang Z, Pan Z, Liu Y. Advanced bioactive nanomaterials for biomedical applications. Exploration (Beijing). 2021;1(3):20210089. doi: 10.1002/EXP.20210089
  • Schünemann FH, Galârraga-Vinueza ME, Magini R, et al. Zirconia surface modifications for implant dentistry. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2019;98:1294-1305. doi: 10.1016/j.msec.2019.01.062
  • Yin L, Nakanishi Y, Alao AR, et al. A review of engineered zirconia surfaces in biomedical applications. Procedia CIRP. 2017;65:284-290. doi: 10.1016/j.procir.2017.04.057
  • Pardun K, Treccani L, Volkmann E, et al. Magnesium-containing mixed coatings on zirconia for dental implants: mechanical characterization and in vitro behavior. J Biomater Appl. 2015;30(1):104-118. doi: 10.1177/0885328215572428
  • Mushahary D, Wen C, Kumar JM, et al. Collagen type-I leads to in vivo matrix mineralization and secondary stabilization of Mg-Zr-Ca alloy implants. Colloids Surf BBiointerfaces. 2014;122:719-728. doi: 10.1016/j.colsurfb.2014.08.005
  • Измоденова М.Ю., Гилев М.В., Ананьев М.В. и др. Характеристика костной ткани при имплантации керамического материала на основе цирконата лантана в эксперименте. Травматология и ортопедия России. 2020;26(3):130-140. doi: 10.21823/2311-2905-2020-26-3-130-140
  • Tarasova N, Galisheva A, Belova K, et al. Ceramic materials based on lanthanum zirconate for the bone augmentation purposes: materials science approach. Chimica Techno Acta. 2022;9(2), No. 20229209. doi: 10.15826/ chimtech.2022.9.2.09.
  • Ulitko M, Antonets Y, Antropova I, et al. Ceramic materials based on lanthanum zirconate for the bone augmentation purposes: cytocompatibility in a cell culture model. Chimica Techno Acta. 2023;10(4), No. 202310402. doi: 10.15826/ chimtech.2023.10.4.02
Еще
Статья обзорная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp