Сверхупругие безникелевые сплавы титана как материалы для дентальных имплантатов (экспериментальное обоснование)

Поиск новых конструкционных материалов для дентальных имплантатов не прекращается, несмотря на превосходную биосовместимость титановых сплавов и керамики [1–3]. Это обусловлено значительной разницей физико-механических свойств имплантатов и воспринимающей костной ткани, способной привести к перегрузке последней, особенно при недостаточном количестве имплантатов. В настоящее время проводятся комплексные исследования по обоснованию для целей имплантологии сверхупругих титано- вых сплавов, таких как титан-ниобий-тантал Ti-22Nb-6Ta и титан-ниобий-цирконий Ti-22Nb-6Zr, полученных методом литья в НИТУ «МИСиС» [4–8]. Наряду со свойствами сверхупругости, присущими никелиду титана (Ti-50Ni), новые титановые сплавы не имеют в своем составе никеля.

Цель исследования – экспериментальное морфологическое изучение остеоинтеграции безникелевых сверхупругих титановых сплавов Ti-22Nb-6Ta и Ti-22Nb-6Zr.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Способность к остеоинтеграции сверхэластичных сплавов Ti-22Nb-6Ta и Ti-22Nb-6Zr оценивали в сопоставлении со сплавом титана на экспериментальных животных в Казанском федеральном университете (лаборатория лазерной конфокальной микроскопии Междисциплинарного центра аналитической микроскопии, Междисциплинарный центр коллективного пользования КФУ). Кроликам породы серый великан числом 18 животных со средней массой тела 2500 г под внутримышечным 2% роме-таровым наркозом производили разрез длиной 4 см в поднижнечелюстной области, скелетировали поверхность челюсти и формировали отверстия диаметром 4 мм и глубиной 2 мм с последующим введением в костное ложе с усилием образцов сплавов, после обработки раны 3% раствором перекиси водорода ее послойно ушивали. Животных выводили из опыта в сроки 30 и 90 суток внутримышечным введением 6 мл калипсола, производили забор костных блоков, которые помещали в раствор 10% нейтрального формалина; проводили рентгенологический контроль на аппарате PanExam+ (Kavo). Предварительный просмотр костных блоков осуществляли посредством оптического микроскопа при увеличении ×50, ×100 и ×200. Зону контакта костной ткани с образцами из титановых сплавов анализировали на автоэмиссионном высокоразрешающем сканирующем электронном микроскопе Merlin (CarlZeiss) после обработки блоков в вакуумной установке Q 150TES (QuorumTechnologies) для нанесения проводящего слоя сплава Au/Pd в соотношении 80/20 толщиной 15 нм методом катодного распыления. Микроскоп оснащен спектрометром энергетической дисперсии AZtec X-Max (OxfordInstruments) с разрешением спектрометра 127 эВ; точность изме- рения 0,01–1%. Элементный рентгеновский микро-зондовый анализ в сопровождении спектрограммы проводили на электронном микроанализаторе EVO GM (CarlZeiss) при ускоряющем напряжении 20 кэВ и рабочем отрезке 10 мм с использованием набoра эталoнов для количественнoго микрoанализа; глубина зондирования порядка 1 мкм; предел обнаружения элементов 1500×2000 ррм.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Взаимодействие с костной тканью образцов сверхэластичных сплавов титан-ниобий-тантал и титан-ниобий-цирконий демонстрирует в эксперименте их остеоинтегративные свойства. Через 30 суток после интеграции образцов титан-ниобий-циркония между ними и костной тканью в некоторых местах по линии контакта при увеличении в сканирующем электронном микроскопе в 50, 100, 500 раз выявляется щель размером до 20 мкм. На большем протяжении контакта с имплантатом выявлены обширные участки ткани, покрывающей края образцов титан-ниобий-циркония (рис. 1). Элементный микрозондовый анализ состава ткани за границами образца сплава позволил идентифицировать ее как костную ткань, поскольку содержание Ca и P среди 8 анализируемых элементов превалировало (соответственно 44,27 и 12,89 вес.%); содержание С и O – 30,33 и 12,22 вес.%. В зонах «нарастания» ткани на образцы титан-ниобий-циркония основные элементы – углерод (72,45 вес.%), а также кислород (13,45 вес.%), что расценивается как соединительная ткань (рис. 2, таблица). Через 90 суток поверхность образцов титан-ниобий-циркония полностью покрывается минерализованной костной тканью, о чем свидетельствует микроэлементный анализ, показывающий следующий состав: Ca 27,27, P 13,77, C 29,68, O 25,84 вес.% (рис. 3, 4).

Рис. 1. Граница контакта костной ткани с образцом из титан-ниобий-циркония (срок эксперимента 30 суток, ув. ×100)

ATATATAT ▼

▼ATAT

Электронно-микроскопическая картина и микро-зондовый элементный анализ в эксперименте при использовании титан-ниобий-тантала показывают результаты, близкие к эксперименту при использовании титан-ниобий циркония.

Присутствие титана в костной ткани на сроке контроля 30 суток также сопровождается наличием щели между металлическим образцом имплантата и костной тканью до 10 мкм. При большем увеличении выявляются многочисленные зоны нарастания на металл тканей со стороны костного ложа. Эта ткань по элементному составу в основном С 61,12 вес.% и O 21,67 вес.% (таблица, рис. 5), тогда как ткань на некотором расстоянии от границы с металлическим имплантатом состоит в основном из Ca, P, С и О соответственно 48,21, 15,01, 25,48 и 8,87 вес.%. На сроке контроля 90 суток образцы из титана полностью покрыты минерализованной костной тканью составом: Ca 26,49, P 13,76, C 27,83, O 29,60 вес.% (таблица, рис. 6).

Рис. 2. Спектрограмма элементного микрозондового анализа ткани в контакте с образцом из титан-ниобий-циркония (срок эксперимента 30 суток)

Рис. 3. Костная ткань в контакте с образцом из титан-ниобий-циркония (срок эксперимента 90 суток, ув. ×5000)

иническая!?™» оактика:^

Рис. 4. Спектрограмма элементного микрозондового анализа костной ткани в контакте с ти-тан-ниобий-цирконием (срок эксперимента 90 дней)

Рис. 5. Граница контакта костной ткани с титаном (срок эксперимента 30 суток, ув. ×100)

Рис. 6. Костная ткань в контакте с титаном (срок эксперимента 90 суток, ув. ×5000)

Результаты элементного микрозондового анализа ткани по границе образцов титан-ниобий-циркония и титана (вес.%)

Элемент	Ti-22Nb-6Zr		TiGrade 4		Название эталона
	30 суток	90 суток	30 суток	90 суток
С	72,45	29,68	61,12	27,83	С Vit
N	9,49	2,56	3,01	0,00	BN
О	13,45	25,84	21,67	29,60	SiO2
Na	0	0,26	0,10	0,34	Albite
Mg	0,11	0,51	0,20	0,69	MgO
Р	0,81	13,77	3,76	13,76	GaP
S	1,66	0	1,69	1,14	FeS2
К	0,10	0,11	0,08	0,15	KBr
Са	1,94	27,27	8,37	26,49	Wollastonite
Сумма	100,00	100,0	100,00	100,00	—

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В эксперименте на животных образцы дентальных имплантатов из сплавов титан-ниобий-цирко-ния и титан-ниобий-тантала интегрируются костной тканью, как и титан. Остеоинтеграция образцов дентальных имплантатов из сверхупругих сплавов завершается через 90 суток пребывания в костной ткани, сопровождается минерализацией со- единительной ткани на границе со сплавами, формирующейся в начальный период после введения образцов сплавов в костную ткань. Электронномикроскопический анализ и элементный микрозон-довый анализ позволяют ранжировать сплавы по степени остеоинтеграции: титан, титан-ниобий-цир-коний, титан-ниобий-тантал.