Мета роботи. Огляд сучасної наукової літератури по основним досягненням і проблемам біомедичних магнієвих (Mg) сплавів для травматології та ортопедії. Методологія. Аналітичний огляд на основі комплексного вивчення відкритих науково-технічних джерел. Результати роботи: представлені сучасні відомості про класифікацію, біодеградації in vitro і in vivo, біомеханіки, місцевої та системної биосовместимости, клінічної ефективності і ризик інфекційних ускладнень при остеосинтезе імплантатами на основі Mg сплавів, в тому числі з захисними (антикорозійними і антимікробними) покриттями. Висновок. Швидка деградація і загроза періпротезной інфекції різко обмежують клінічне застосування імплантатів на основі Mg сплавів. Розробка нових і модифікація відомих Mg сплавів за допомогою введення до складу або в покриття антимікробних елементів визнається перспективним напрямком контролю їх біомедичних властивостей.

Анотація наукової статті з біотехнологій в медицині, автор наукової роботи - Хлусов І.А., Мітріченко Д.В., Просолов А.Б., Миколаєва О.О., Слепченко Г.Б.


Short review of the biomedical properties and application of magnesium alloys for bone tissue bioengineering

Aim: to review current scientific literature concerning the main advances and problems of magnesium (Mg) alloys for traumatology and orthopedics. Methodology of the study. Analytical review based the comprehensive investigation of public scientific and technological sources. Results of the study. Modern knowledge about classification, in vitro and in vivo biodegradation, biomechanics, local and general biocompatibilities, clinical efficacy, and hazards of infectious complications in conditions of osteosynthesis with implants made of Mg alloys with or without protective (anticorrosion and antimicrobial) coatings is presented. Conclusion. Fast degradation and a risk of periprosthetic infection strongly limit clinical application of implants made of Mg and its alloys. Development of novel Mg alloys and their modification by incorporating antimicrobial elements into their body or protective coating is a promising direction to control biomedical characteristics of Mg alloys.


Область наук:
  • Біотехнології в медицині
  • Рік видавництва: 2019
    Журнал: Бюлетень сибірської медицини

    Наукова стаття на тему 'Короткий огляд біомедичних властивостей і застосування магнієвих сплавів для біоінженерії кісткової тканини'

    Текст наукової роботи на тему «Короткий огляд біомедичних властивостей і застосування магнієвих сплавів для біоінженерії кісткової тканини»

    ?УДК 611-018.4: 602.6: 547.743.6

    https://doi.org: 10.20538 / 1682-0363-2019-2-274-286

    Короткий огляд біомедичних властивостей і застосування магнієвих сплавів для біоінженерії кісткової тканини

    Хлусов І.А.1, 2, 3, Мітріченко Д.В.2, Просолов А.Б.2, Миколаєва О.О.2, Слепченко Г.Б.3, Шаркеев Ю.П.3, 4

    1 Сибірський державний медичний університет (СібГМУ) Росія, 634050, м Томськ, Московський тракт., 2

    2 Товариство з обмеженою відповідальністю «Науково-виробнича компанія« СІНТЕЛ »(ТОВ« НПК «СІНТЕЛ»)

    Росія, 634061, м Томськ, вул. Герцена, 45

    3 Національний дослідницький Томський політехнічний університет (НІ ТПУ) Росія, 634050, м Томськ, пр. Леніна, 30

    4 Інститут фізики міцності і матеріалознавства СО РАН (ІФПМ СО РАН) Росія, 634055, м Томськ, Академічний пр., 2/4

    РЕЗЮМЕ

    Мета роботи. Огляд сучасної наукової літератури по основним досягненням і проблемам біомедичних магнієвих (Mg) сплавів для травматології та ортопедії.

    Методологія. Аналітичний огляд на основі комплексного вивчення відкритих науково-технічних джерел. Результати роботи: представлені сучасні відомості про класифікацію, біодеградації in vitro і in vivo, біомеханіки, місцевої та системної біосумісності, клінічної ефективності та ризик інфекційних ускладнень при остеосинтезі імплантатами на основі Mg сплавів, в тому числі з захисними (антикорозійними і антимікробними) покриттями.

    Висновок. Швидка деградація і загроза періпротезной інфекції різко обмежують клінічне застосування імплантатів на основі Mg сплавів. Розробка нових і модифікація відомих Mg сплавів за допомогою введення до складу або в покриття антимікробних елементів визнається перспективним напрямком контролю їх біомедичних властивостей.

    Ключові слова: биодеградация, in vitro, in vivo, біомеханіка, біосумісність, остеосинтез, ефективність, інфекційні ускладнення.

    Конфлікт інтересів. Автори декларують відсутність явних і потенційних конфліктів інтересів, пов'язаних з публікацією цієї статті.

    Джерело фінансування. Дослідження виконано за фінансової підтримки Фонду сприяння розвитку малих форм підприємств у науково-технічній сфері (договір № 388 ГР / 42015 від 16.07.2018).

    Для цитування: Хлусов І.А., Мітріченко Д.В., Просолов А.Б., Миколаєва О.О., Слепченко Г.Б., Шаркеев Ю.П. Короткий огляд біомедичних властивостей і застосування магнієвих сплавів для біоінженерії кісткової тканини. Бюлетень сибірської медицини. 2019; 18 (2): 274-286. https://doi.org: 10.20538 / 1682-0363-2019-2-274-286.

    Н Хлусов Игорь Альбертович, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її..

    УДК 611-018.4: 602.6: 547.743.6

    https://doi.org: 10.20538 / 1682-0363-2019-2-274-286

    Short review of the biomedical properties and application of magnesium alloys for bone tissue bioengineering

    Khlusov I.A.1 3, Mitrichenko D.V.2, Prosolov A.B.2, Nikolaeva O.O.2, Slepchenko G.B. 3, Sharkeev Yu.P.3, 4

    1 Siberian State Medical University

    2, Moscow Trakt, Tomsk, 634050, Russian Federation

    2 Research and Production Company SINTEL LLC 45, Gertsena Str, Tomsk, 634061, Russian Federation

    3 National Research Tomsk Polytechnic University 30, Lenina Av., Tomsk, 634050, Russian Federation

    4 Institute of Strength Physics and Materials Science of SB RAS 2/4, Akademichesky Av., Tomsk, 634055, Russian Federation

    ABSTRACT

    Aim: to review current scientific literature concerning the main advances and problems of magnesium (Mg) alloys for traumatology and orthopedics.

    Methodology of the study. Analytical review based the comprehensive investigation of public scientific and technological sources.

    Results of the study. Modern knowledge about classification, in vitro and in vivo biodegradation, biomechanics, local and general biocompatibilities, clinical efficacy, and hazards of infectious complications in conditions of osteosynthesis with implants made of Mg alloys with or without protective (anticorrosion and antimicrobial) coatings is presented.

    Conclusion. Fast degradation and a risk of periprosthetic infection strongly limit clinical application of implants made of Mg and its alloys. Development of novel Mg alloys and their modification by incorporating antimicrobial elements into their body or protective coating is a promising direction to control biomedical characteristics of Mg alloys.

    Key words: biodegradation, in vitro, in vivo, biomechanics, biocompatibility, osteosynthesis.

    Conflict of interest. The authors declare the absence of obvious and potential conflicts of interest related to the publication of this article.

    Source of financing. The study was supported by the Foundation for Assistance to Small Innovative Enterprises in Science and Technology Sector (contract No. 388 ГР / 42015 dated 16.07.2018).

    For citation: Khlusov I.A., Mitrichenko D.V., Prosolov A.B., Nikolaeva O.O., Slepchenko G.B., Sharkeev Yu.P. Short review of the biomedical properties and application of magnesium alloys for bone tissue bioengineering. Bulletin of Siberian Medicine. 2019; 18 (2): 274-286. https://doi.org: 10.20538 / 1682-03632019-2-274-286.

    ВСТУП

    В сучасних умовах реальна потреба в імплантатах для остеосинтезу та ендопротезів-вання суглобів перевищує пропозицію в 3-5 разів. При цьому ринок медичних виробів для біоінженерії кісткової тканини займають, в основ-

    ном, імплантати з тривало розчиняються біоінертних металів і сплавів [1], в тому числі несучих Біоінертні (металлокосідное) або біоактивні покриття (кальційфосфатное, біоскла, склокерамічне і т.п.). Відомі три основні групи біодеградірующіх матеріалів,

    які дозволяють застосувати їх для остео-синтезу: полімери, кераміка та її композити, металевий магній [1].

    Матеріали на основі магнію (М§) мають ряд переваг перед біоінертними сплавами металів, полімерами і біокерамікою. Магній -жізненно важливий хімічний макроелемент (0,2% маси тіла), який вважається нетоксичним, депонується в кістковій тканині [2], має хорошу біосумісність, біодеградіруемие, абсорбі-руемость, високий межа міцності в порівнянні з полімерами і більш високу еластичність в порівнянні з керамікою [3], що передбачає його застосування в якості кісткових імплантатів.

    Нормативно встановлено гранично допустиму концентрацію магнію в воді на рівні 20-85 мг / л [4]. Перевищення допустимих концентрацій при швидкому розчиненні (руйнуванні) М§-містять медичних виробів може супроводжуватися гіпермакроелементозом, що призводить до небажаних реакцій організму, особливо на тлі хронічної ниркової недостатності (остеомаляція, гіпотензія, порушення нервово-м'язової імпульсації, кома). Таким чином, швидкість біодеградації магнієвого сплаву не повинна перевищувати швидкість регенерації тканин і викликати передчасне руйнування імплантату, продукти деградації, включаючи легуючі елементи, повинні засвоюватися організмом без токсичних ефектів. Підставою для проведення робіт є договір № 171/18 від 12.11.2018 р з Товариством з обмеженою відповідальністю «ЮМХ» (далі ТОВ «ЮМХ»).

    Мета роботи - огляд сучасної наукової літератури по актуальності контролю біодеградації і механічних властивостей біомедичних магнієвих сплавів в процесі репаративної регенерації кісткової тканини в травматології та ортопедії. Огляд має комплексний міждисциплінарний характер, в якому різні аспекти розв'язуваної науково-технічної проблеми розглядаються і розкриваються з точки зору хіміків-аналітиків, лікарів, біологів і медичних матеріалознавців.

    БІОМЕДИЧНІ МАГНІЄВІ СПЛАВИ

    Використання сплавів магнію в якості клінічних імплантатів для серцево-судинної, скелетно-м'язової та загальної хірургії відомо давно [5, 6]: в 1878 р лікар Е.С. Іше застосував магниевую дріт як лігатуру при кровотечі; в 1900 р австрійський хірург

    E. Payr описав магнієвий цвях як інтраме-дуллярний фіксатор при переломі кісток, в цьому ж році він використовував магнієві листи і пластини при частковій гепатектомії; в 1903 р E. Payr застосовував малоінвазивне лікування кавернозної гемангіоми імплантацією магнієвих голочок. Кінець 1990-х рр. розглядається як нова ера біодеградірующіх фіксаторів на основі магнієвих сплавів для остеосинтезу [1] в зв'язку з невирішеними проблемами травматології та ортопедії, наприклад тривале перебування імплантатів в організмі (руйнування вироби, асептичне розхитування, місцевий металлоз, інтоксикація продуктами зносу і (або) корозії, періпротезная інфекція).

    Біомедичні матеріали на основі магнієвих сплавів включають три групи [7, 8]:

    1) Mg сплави, що містять алюміній (наприклад, AZ31, AZ91, AE21);

    2) Mg сплави, що не містять алюміній (типові - ZX10, ZX50);

    3) Mg сплави з рідкоземельними (rare earth, RE) металами (WZ21, ZW21, WE43).

    Згідно [9], найбільш поширеними комерційними Mg сплавами є такі серії: AZ (Mg-Al-Zn), AM (Mg-Al-Mn), AE (Mg-Al-RE), EZ (Mg-RE-Zn), ZK (Mg-Zn-Zr) і WE (Mg-RE-Zr). У біологічних дослідженнях активно застосовуються комерційні Mg сплави AZ (Mg-Al-Zn), WE (Mg-RE-Zr), і ZK (Mg-Zn-Zr) серій [10].

    З іншої точки зору, на ринку представлені кілька видів комерційних / промислових сплавів на основі магнію, що володіють схожими біокоррозійнимі і механічними властивостями: МЛ-5 і МЛ-10 у вітчизняній промисловості; AZ91A, AZ91B, AZ91C, AZ91D, AZ91E, LAE442, WE43 - на світовому ринку. Найбільш часто в експериментах використовують сплав цирконію і магнію (AZ91), магнію і кальцію (LAE442) [1, 5, 11].

    Біодеградація магнієвих сплавів IN VITRO

    Слід зауважити, що для Mg сплавів більшою мірою вживають термін «корозія» замість терміна «деградація», особливо in vivo, підкреслюючи превалюючий електрохімічний механізм розчинення металу в біологічних рідинах [12]. Крім того, слідуючи стандарту ASTM F3160-16, натомість широко вживається термін «биодеградация» застосовують «абсорбція», підкреслюючи факт досить легкого засвоєння і метаболизации життєво важливих елементів з чужорідних тіл клітинами і тканинами ор-

    ганизма. Абсорбіруемие метали включають залізо, магній, цинк і їх сплави [13, 14]. З одного боку, в наявності розвиток нового напряму з формуванням специфічної термінології. З іншого боку, не зовсім зрозуміло виняток міді їх списку абсорбіруемих металів. При цьому не варто забувати відому токсичність навіть есенціальних хімічних елементів, тим більше легуючих добавок в їх сплавах. Тому абсорбція, на наш погляд, є окремим випадком деградації у вузькому діапазоні нетоксичних концентрацій, які не завжди досягаються для металевих імплантатів.

    Корозійні дослідження можуть бути розділені на три основні групи [15]:

    1) лабораторні, при яких всі умови корозії контролюються. Найчастіше це прискорені випробування в свідомо більш жорстких умовах, ніж експлуатаційні;

    2) стендові - це випробування близькі до природних, в контрольованих умовах;

    3) експлуатаційні, які проводяться в реальних умовах при менш суворому контролі.

    У водному середовищі магній коррозирует швидше, ніж інші метали, тим більше в присутності хлору і інших аніонів [16], що містяться в біологічних рідинах - слабких електролітах.

    Лабораторні випробування Mg сплавів МЛ-5 (Mg7,5-9,0Al0,2-0,8Zn0,15-0,5Mn мас.%) І МЛ-10 (Mg0,1-0,7Zn0,4-1,0Zr2, 2-2,8Nd мас.%), при практично однакових показниках механічної міцності (міцність на розрив 226 МПа, відносне подовження 2-3%), виявили повне розчинення пластин МЛ-5 з лінійними розмірами 10 х 5 мм після 30 діб перебування в 3% -м водному розчині хлориду натрію при температурі 38 ° С. Втрата маси сплаву МЛ-10 склала 4%, що вважається високу розчинність для остеосинтезу [11].

    AZ31 (Mg-3Al-1Zn) і AZ91 (Mg-9Al-1Zn) сплави активно виділяють водень, збільшують pH і концентрацію Mg в навколишньому середовищі [17]. У розчині Хенкса сплав AZ31 деградує повільніше, ніж AZ91, але in vivo ці відмінності не підтверджені [18, 19]. При цьому слід враховувати, що тривале виділення алюмінію несе ризик хвороби Альцгеймера [10, 20]. Крім того, в AZ серії Mg сплавів (AZ 21-31-63-91) присутній до 0,01 мас. % Нікелю [21], що володіє сенсибилизирующими, токсичними і канцерогенними властивостями.

    ZK серія Mg сплавів, в першу чергу ZK40 (Mg-4Zn-0,5Zr) і ZK60 (Mg-6Zn-0,5Zr), має кращу біологічну безпеку по легуючих-

    ющим елементів в порівнянні з Л2 і WE класами. Щоденне засвоєння 11 мг 2п і 50 мкг 2г легко переноситься організмом [22], але прискорена биодеградация імплантатів гальмує їх використання в клінічних застосуваннях [10].

    WE серія М ^ сплавів (М ^ -і-2г), зокрема WE54 (1,58Ш; 4,85У; 0,282г; 0,08Се; 0,130а; 0,16Ег; 0,13УЬ), формує у водному середовищі плівку з оксидів рідкоземельних металів, що гальмує корозію магнію в порівнянні з чистим металом [23] з 8 до 4,3 мм / рік для WE43 композиту [14]. Проблемою М ^ сплавів з рідкоземельними металами є гепатотоксичність Y і Се [20].

    Для ортопедичних додатків активно вивчаються інші М ^ сплави, в тому числі М ^ -Са, Mg-Sr, Mg-Zn і Mg-RE. Сплави системи хСа (х = 1-3 мас.%) Складаються з двох фаз: аль-фа-Mg і Mg2Ca. Швидкість корозії в СТЖ при 37 ° С для Mg-1Ca становить 12,5 мм / рік (у чистого Mg 8 мм / рік) [14], по-видимому, в разі збільшення бінарної фази в складі сплаву [24]. Навпаки, збільшення частки 2п в бінарному Mg сплаві до 6 мас. % Покращує механічні властивості і корозійну стійкість в СТЖ (розчин, що симулює тілесну рідину) з відкладенням гідроксиапатиту (ГАП) і кальцій-заміщення-го] ^ - ГАП в поверхневому коррозионном шарі [25, 26].

    В ряду бінарних Mg-RE сплавів найбільшою корозійну стійкість володіє Mg-Nd в порівнянні з Mg-Y, Mg-Gd, Mg-Ce, Mg-Ld, в цілому характеризуються хорошими механічними і антикорозійними властивостями [27].

    В електрохімічному дослідженні L. Хі і со-авт. (2008) були використані високоочищені сплави Mg-Mn (Mg-1,2Mn, мас.%), Mg-Mn-Zn ^ 1,2Ип-12п, мас. %) І WE43 ^ -4 ^ -3,0Ш-0,52г, мас. %), Площа контакту з електролітом склала 1 см2 [28]. В якості електроліту використовувалася забуферений фосфатом (КН2Р04 і Ш2НР04) СТЖ; рН = 7,3-7,5 контролювалася ^ 0Н). Сплави як робочу силу електродів занурювалися в СТЖ на 20 хв, поляризаційні криві знімали при швидкості сканування 0,3 мВ / с. Виявилося, що сплав WE43 мав найбільшу корозійну стійкість в електрохімічному тесті.

    Далі авторами була вивчена втрата / збільшення маси тестованих зразків при (37 ± 1) ° С протягом 24, 48, 96 і 216 ч при співвідношенні площі поверхні зразків до обсягу СТЖ 1 см2 / 500 мл. Тестовані сплави Mg швидко коррозіровать в перші 24-48 год з виділенням

    М§ і зворотним осадженням аморфного фосфату магнію (з 4 мг / см2 в перші 24 год до 15 мг / см2 через 216 ч). Втрата маси зразків наростала зі збільшенням часу розчинення в шкалі: М§-Мп > WE43 > М§-Мп-2п. У період 48-96 год швидкість розчинення / преципитации стабілізувалася, що свідчило на користь захисного ефекту фосфатного, перш за все цинк-яке містить (для сплаву М§-Мп-2п), шару на корозію магнієвих сплавів.

    Отже, легуючі елементи (А1, Мп, Са, 2п, ИЕ) переважно покращують корозійну стійкість М§ виробів [29]. Однак слід враховувати потенційну токсичність продуктів корозії М§ і його сплавів. Згідно серії АБТМ стандартів, 22 хімічні елементи (А1, В1, Сі, Са, ИЕ, Бе, ТЬ, БГ, 2г, И, Мп, N1, РЬ, А§, Сг, Б1, Бп, Оа, У, Са, БЬ, 2п), серед яких є токсичні і життєво необхідні елементи, дозволені для розробки М§ сплавів [30].

    X. Оі і співавт. (2009) протягом 20 діб вивчали т у ^ то біодеградацію 9 бінарних М§-1Х (мас.%) Сплавів, легованих А1, А§, 1п, Мп, Б1, Бп, У, 2п або 2г, у вигляді пластин 10 х 10 х 2 мм 3 в 50 мл розчину Хенкса або СТЖ при 37 оС. Залежно від легування, концентрація М§ досягала в СТЖ 1,5-3,5 г / л, в фізіологічному розчині 0,5-4,5 г / л. Зміст легуючих добавок через 20 діб склало для розчину Хенкса і СТЖ, відповідно: алюміній 55 і 70 мг / л; срібло майже 20 мг / л; марганець і цинк практично 10 і 15 мг / л; кремній 20 і 25 мг / л; олово більше 25 і 75 мг / л [21].

    Таким чином, бінарні М§ сплави проявляють багато в чому подібний (одного порядку) вихід елементів в СТЖ і розчин Хенкса. Гранично допустима концентрація (ГДК) у воді, відповідно до СанПіН 2.1.4.1074-01 [4], становить (мг / л): 2085 магнію, 0,05 срібла, 0,1 марганцю, 0,5 алюмінію, 1-5 цинку, 2,0 олова і 10 кремнію. При цьому слід враховувати, що при тривалому розчиненні М§ сплавів в стаціонарних (без протоку рідини) умовах спостерігається багаторазове перевищення ГДК, яке може мати негативний біологічний ефект в початковий період в умовах порушення мікроциркуляції в зоні імплантації.

    Для зниження швидкості біодеградації, підвищення корозійної стійкості М§ і його сплавів, контролю виходу легуючих елементів застосовуються методи хімічної, фізичної та комбінованої фізико-хімічної модифікації поверхні. Хімічна модифікація має на увазі формування нових фаз на по-

    поверхні М§ сплавів за допомогою хімічних або електрохімічних реакцій, в тому числі кислотне травлення, лужне термічне травлення, фторування, анодное і мікродуговим оксидування [31]. Мікродуговим оксидування можна вважати фізико-хімічним методом модифікації поверхні, оскільки перехідний шар між підкладкою і покриттям формується за рахунок хімічних реакцій, нарощування покриття в більшій мірі протікає за допомогою фізичних процесів.

    Фізична модифікація має на увазі нанесення покриттів (апатитових, полімерних, композитних і ін.) Без формування хімічних зв'язків між ним і підкладкою. Пропонуються різні методи нанесення покриттів на вироби: анодізація, плазмові покриття, газофазне хімічне осадження (СУБ), імпульсна лазерне напилення (РЬБ), іонно-променеве осадження (1ВАБ), осадження з розчину [32].

    Детально методи модифікації поверхні М§ сплавів і їх антикорозійний ефект представлені в огляді [10]. Проблема полягає в тому, що покриття повинні володіти одночасно бар'єрними / біодеградіруемимі властивостями і згладжувати небажані ефекти розчинення М§ (неконтрольована втрата механічних і споживчих властивостей імплантату, надлишкове газоутворення в зоні імплантації) [3].

    При цьому вважається, що в разі знаходження М§ і його сплавів в хлоридном розчині пасивні стабільні плівки (М§ (0І) 2, М§0) не утворюються. Більш того, ніякі раніше сформовані захисні плівки спеціальної хімічної обробкою поверхні (фосфатування, оксидування, фторування вихідних матеріалів) нестійкі при контакті з іонами хлору (зниження швидкості розчинення спостерігається тільки протягом перших днів випробувань). Проте лабораторні випробування в контрольованих жорстких умовах застосовують для визначення стійкості захисних покриттів [15] з використанням традиційного вагового методу контролю деградації магнієвих сплавів і хіміко-аналітичного методу оцінки процесу розчинення в фізіологічному розчині (0,9% -й ^ С1) в динамічному режимі випробувань.

    На думку С.В. Гнеденкова і співавт. (2016), кальцій-фосфатні (КФ) покриття, в тому числі що містять ГАП, дозволяють досягти біосумісності імплантата, проте не захищають М§ сплав від корозії. Як об'єкти дослідження були використовували такі магнієві сплави (мас.%): МА8 - 1,5-2,5 Мп, 0,15-

    0,35 Ce, решта Mg; МА14-5,0-6,0 Zn, 0,3-0,9 Zr, решта Mg; МА20 - 0,1 Mn, 1,0-1,5 Zn, 0,05-0,12 Zr, 0,12-0,25 Ce, решта Mg. При 28-добовому дослідженні in vitro в СТЖ розроблений авторами спосіб формування композиційних полімерсодержащіх покриттів на Mg сплавах за допомогою послідовної обробки поверхні зразків методами плазмового електролітичного оксидування (ПЕО) в гліцерофосфат кальцію і занурення в спиртову суспензію ультрадисперсного політетрафторетилену є перспективним. Дослідження елементного складу зразків з ВЕО-покриттями показало, що на їх поверхні присутні гідроксид магнію і гідроксил-патіт. Встановлено, що композиційні покриття на Mg сплавах, з одного боку, є захисними (щодо зменшення виходу водню), з іншого - не перешкоджають контакту знаходиться в поверхневих шарах гідроксиапатиту з біологічним середовищем [33].

    У той же час значне число публікацій присвячено захисному (антикорозійному) ефекту КФ шарів на магнієвих сплавах. Різновиди КФ покриттів найбільш часто використовуються для модифікації поверхні Mg виробів для кістки [34]. Так, згідно з J.V. Rau і співавт. (2018), імпульсна лазерне напилення ГАП покриття ефективно для контролю in vitro біодеградації Mg-1,4Ca сплаву в СТЖ [35]. Раніше ця група показала подібний антикорозійне дію композитного (ГАП і волластонит) RKKP-стеклокерамического товстого (100 мкм) наношероховатого (295 ± 30 нм) шару [36].

    Електрохімічне КФ покриття товщиною 5 мкм на Mg-Ca сплаві сприяє значному придушення міграції іонів Mg в куль-натуральній клітинну середу Голка і на 95% знижує щільність струму при 2-годинний корозії в СТЖ. Однак через 72 год контакту з СТЖ поляризаційне опір зменшується на 82%, що свідчить на користь руйнування покриття [37].

    ГАП або октакальцій-фосфатне (ОКФ) покриття, отримані на сплаві AZ31 хімічним осадженням з розчину, в перші 7 діб корозійного тесту інгібували вихід іонів магнію, знижували приблизно наполовину ступінь корозії Mg сплаву протягом 52 тижнів дослідження. При цьому ГАП покриття на 20% виявилося ефективнішим в порівнянні з октакальцій-фосфат-ним шаром. Корозія протікала під покриттям, дифузно in vitro і локально (з утворенням ямок) in vivo без освіти гігантських мно-

    гоядерних клітин сторонніх тіл в оточуючих тканинах [38].

    В роботі F. Witte і співавт. (2006) проведено порівняльне дослідження біодеградації магнієвих сплавів AZ91D і LAE442 in vitro і in vivo згідно ASTM стандартам. Погружной і електрохімічний тести використовувалися для in vitro експерименту. Було виконано in vivo ін-трамедуллярное введення в стегно морських свинок з оцінкою корозії методом синхротронної мікротомографії. У костномозговой порожнини ступінь біодеградації виявилася в 4 рази менше, що, на думку авторів, не дозволяє вважати in vitro тести адекватними для попередньої оцінки корозії магнієвих сплавів [18].

    Згідно ISO стандартам, in vitro тестування є обов'язковим етапом для вивчення придатності і прийнятного відгуку нових матеріалів для біомедицини. У той же час висока електрохімічна активність Mg і варіативність його мікрооточення роблять його корозію непередбачуваною, що вимагає розробки in vitro тестів, реально корелюють з in vivo поведінкою Mg сплавів [39].

    Біодеградація магнієвих сплавів IN VIVO

    In vivo експерименти на тваринах проводяться в наближених до передбачуваних клінічним умовам, дозволяють оцінити місцеву тканинну реакцію і системну токсичність з використанням аналізу крові і сечі, радіографічних, мікротомографіческіх досліджень, гістологічного аналізу, вивчення стану імплантату [40]. Реакція кісткової тканини на біо-деградіруемие Mg сплави залежить від ступеня і продуктів їх корозії, а також стабільності імплантату [10].

    Корозія Mg виробів супроводжується виходом частинок металевого магнію, продуктів його хімічної корозії (60% - фосфати магнію та амонію MgNH4PO4- (6H2O), 20% - карбонат магнію MgCO3, 10% - гідроокис Mg (OH) 2, 10% - карбонат кальцію CaCO3 ) і супутніх газів водню і азоту [5]. Один грам Mg може генерувати 1 л газоподібного водню з розвитком емфізематозного розширення м'яких тканин [41]. Продукти корозії магнієвого сплаву локально підвищують осмотичний тиск і змінюють pH, що може впливати на формування кісткової мозолі. Окрему проблему становлять газоподібні продукти [1, 6], які можуть призводити до емболії кровоносних судин.

    Швидкість і ступінь in vivo корозії магнію і його сплавів залежать від багатьох умов, включаючи фізико-хімічний стан і геометрію виробів, місце їх імплантації. Згідно з повідомленням E.D. McBride (1938), в плечової кістки людини 1 г Mg4% Al0,3% Mn сплаву повністю розчиняється через 120 діб. A. Lambotte (1932) описав збереження механічної стабільності пластин і прутків з чистого (99,7 мас.%) Mg при стисненні пальцями через 4 міс імплантації; через 6 міс з'явилися порожнини і ламкість виробів; через 9-10 міс автор зазначив повне розчинення без інфекційних і больових ускладнень [5]. У той же час під шкірою собак сплав магнію і марганцю і комерційно чистий Mg (99,9 мас.%) Корродіровалі гомогенно з низькою швидкістю (2 мг / добу) [42].

    У 2012 р T. Kraus і співавт. c допомогою комп'ютерної мікротомографії стегнової кістки лабораторних щурів визначали 24-тижневу біодеградацію циліндричних штифтів (стрижнів) сплавів ZX50 (Mg-Zn-Ca) і WZ21 (Mg-Y-Zn-Ca) для біомедичних застосувань. Площа поверхні ZX50 імплантатів помітно зменшувалася через 4 тижні; загальне зменшення обсягу стрижнів досягало в середньому 50% після 6,5 тижнів при швидкості деградації 1,2% в добу з масивним виділенням водню. Навпаки, WZ21 стрижні в перші 2 міс після введення втрачали 2,3% від початкового об'єму; в перші 4 тижні обсяг імплантатів кілька збільшувався через преципітації продуктів деградації; після 8 тижнів лінійна швидкість деградації склала 0,5% в добу, 50% -а втрата обсягу стрижнів була відзначена тільки після 21,5 тижнів експерименту на щурах. Виділення водню в період швидкої корозії на 8-21-й тижні досягало 130 мм 3, за весь період склало в середньому 7 мм 3 і переносилося тваринами без наслідків для кісткової тканини і всього організму [43].

    In vivo деградація сплавів системи Mg-xCa (x = 0,8-3 мас.%) В кістках лабораторних тварин, детально описана в огляді [44], багато в чому схожа з іншими матеріалами на основі магнію: поступова корозія до повної або половинною абсорбції в період 3-12 місяців (залежно від лінійних розмірів виробу), остеогенних ефект (формування нової мінералізованою кістки навколо імплантатів), газоутворення і стабільна фіксація в кістки в перші місяці досліджень. При цьому КФ покриття у всіх випадках підвищують стійкість Mg сплавів до корозії і їх біосумісність відповідно до огляду [45].

    Біомеханіка магнієвих сплавів

    Великий інтерес викликає еластичність магнієвих сплавів, адже кістка як жива тканина постійно ремоделирующих під напругою, і цей процес може привести до стресового перелому імплантату. Для прикладу, модуль жорсткості для нержавіючих сталей - близько 200 ГПа, для титанових сплавів - майже 115 ГПа. Mg сплави мають модуль пружності близько 40-45 ГПа, який найбільш відповідає такому для кістки (340 ГПа) [5, 11, 28], що знижує ефект «екранування навантаження» на кісткову тканину навколо металевих імплантатів [46].

    Питома щільність Mg і його сплавів становить приблизно 1,7-1,9 г / см3, що дуже близько до показника для зводу черепа людини (1,75 г / см3) [43]. Щільність сплаву титану ВТ-6 (б (Т1-6Л1-4У) становить 4,47 г / см3, медичної сталі -7,8 г / см3 [10].

    Регенерація кістки включає фази запалення (3-7 діб), формування кісткової мозолі (до 34 міс) і ремоделювання (до 1 року) [10]. У зв'язку з цим імплантат повинен бути механічно стабільним, принаймні, 12 тижнів [47].

    Легування магнієвого матеріалу (кальцій, алюміній, цинк, марганець, рідкоземельні метали, наприклад, ітрій, гадоліній, неодим) для біомедичних застосувань є найважливішим аспектом поліпшення його корозійної стійкості та механічної міцності. Однак слід враховувати потенційну токсичність продуктів корозії магнієвих сплавів. ГДК в воді, згідно з СанПіН 2.1.4.1074-01, для марганцю становить всього 0,1 мг / л, для алюмінію 0,5 мг / л, для цинку 1-5 мг / л, для кальцію 140 мг / л [4].

    Іншими словами, в плані біоінженерії кісткової тканини і потенційної токсичності привабливим легирующим елементом є кальцій. Цікаво, що сила фіксації гвинтів з біодеградіруемие Mg-0,8Ca сплаву в біль-шеберцовой кістки кроликів при одноосьовому розриві (швидкість 0,1 мм / с) 2-3 тижнів після імплантації статистично не відрізнялася від такої для сталевих (S316L) виробів. В подальшому (до 8-го тижня експерименту) остеоинтеграция Mg сплаву знижувалася внаслідок поступової біодеградації гвинтів, що супроводжувалася втратою їх маси і об'єму [48].

    Стабільна межфазная межа «кістка -імплантат» є необхідною умовою успішного клінічного використання виробів для біоінженерії кістки. З біомеханічних

    позицій Mg-Y-Nd-HRE сплав на основі WE43, наприклад, має порівнянну силу зчеплення з Ti-6Al-7Nb [49]. Однак вплив кальцію на механічні властивості магнієвих сплавів неоднозначно. Умовний межа плинності у сплаву Mg-0,9% Ca, в порівнянні з чистим Mg, підвищується з 30 ^ 35 до 95 МПа, в той же час відносне подовження сплаву зменшується з 10 ^ 12 до 2 ^ 3%. [50]. Зі збільшенням в сплаві концентрації кальцію до 3 мас. % Знижується межа міцності на розрив і відносне подовження [24].

    МІСЦЕВА І СИСТЕМНИЙ біосумісним, ЕФЕКТИВНІСТЬ магнієвих сплавів ДЛЯ ОСТЕОСИНТЕЗУ

    Згідно з однією з класифікацій [6], виділяють два класи сучасних біоматеріалів: резорбіруемой і біоактивні. Імплантати на основі магнію і його сплавів є резорбі-руемой і, мабуть, біоактивними біоматеріалами [6] внаслідок їх здатності індукувати ріст кісткової тканини [8].

    Сплав Mg-1% Ca не проявляє in vitro цито-токсичності щодо L-929 клітин фибро-саркоми миші. Стрижні Mg-1% Ca поступово деградують в стегнової кістки кроликів протягом 90 діб з заміщенням на знову утворену кістка без збільшення концентрації магнію в сироватці крові [24]. При цьому електрохімічне КФ покриття товщиною 5 мкм на Mg-Ca сплаві покращує виживаність L-929 клітин в культу-ральной середовищі Голка з 10% -й фетальної бичачої сироватки [37]. Далі Mg-0,6-1,2Ca сплави не впливали in vitro на життєздатність і функціональну активність дендритних клітин (ДК) і проліферацію Т-лімфоцитів, що виключає імуногенність матеріалу при невисоких швидкостях корозії. У разі значної концентрації магнію близько 10 мМ мали місце посилена експансія і міграційна активність ДК [51].

    Бінарний сплав Mg-6Zn не викликав in vitro значного гемолізу (3,4% при межі 5% відповідно до стандарту ISO 10993-4), не гальмував адгезію безсмертної мишачої лінії MC3T3-E1 преостеобластов при 2-годинної інкубації в DMEM живильному середовищі, незважаючи на коливання pH [25]. Аналогічні результати отримані для екстрактів бінарних Mg-1X (мас.%) Сплавів, Al, Ag, In, Mn, Si, Sn, Y, Zn або Zr. З дев'яти видів зразків вдалося встановити, що Mg-1Al, Mg-1Sn, Mg-1Zn, Mg-1Si, Mg-1Y, Mg-1Zr НЕ

    показали in vitro цитотоксичність щодо MC3T3-E1 клітин. Для екстрактів Mg-1In, Mg-1Mn, Mg-1Si і Mg-1Y ступінь гемолізу склала менше 5%. Проте в різні терміни (2-, 4- або 7-е добу) сокультівірованія з різними клітинами (MC3T3-E1 клітини; L-929 і NIH3T3 фі-бробласти миші; VSMC лінія гладком'язових клітин гризунів; ECV304 лінія ендотеліоцитів пуповини людини) багато екстракти чистого і легованого магнію, перш за все Mg-1Ag композиту, проявляли статистично значущу цитотоксичность [21], яку автори пов'язали з масивним виходом легуючих елементів (див. «біодеградація магнієвих сплавів in vitro»), але не магнію або защелачиванием культурального середовища, зазначеними при біодеградації в розчині Хенкса або СТЖ.

    Нова кісткова тканина товщиною 10-30 мкм навколо Mg-Zn-Mn імплантатів в кістки щурів починає формуватися після 6 тижнів імплантації, досягає максимуму в період 10-26 тижнів. Деградація імплантатів супроводжувалася незначним, на думку [52], зміною складу крові, але не печінки і нирок. Навпаки, ZEK100 (Mg-1,3Zn-0,2Nd-0,25Zr, домішка Mn 0,01 мас.%) Сплав викликає локальні патологічні зміни кісток при повільної корозії і задовільною биосовместимости в організмі білих кроликів [40]. Автори зробили висновок, що контрольована тривала биодеградация є бажаним, але не достатньою умовою успішної остеоінтеграції Mg сплавів.

    T. Kraus і співавт. (2012) вивчали гістологію стегнової кістки лабораторних щурів через 4, 12, 24 і 36 тижнів після введення циліндричних штифтів (стрижнів) сплавів ZX50 (Mg-Zn-Ca) і WZ21 (Mg-Y-Zn-Ca) для біомедичних застосувань. Автори не виявили значної втрати маси тварин, навколо швидко деградуючих ZX50 імплантатів відмічено утворення нової кісткової тканини. До 12-го тижня виділення водню призводило до порушення формування кісткової мозолі навколо стрижнів ZX50, до 16-го тижня кортикальний дефект гоївся, костномозговая порожнину відновлювалася через 24 тижнів експерименту. Посилений остеогенез навколо WZ21 стрижнів спостерігався на 4-8-й тижні без небажаних ефектів газів водню, фази ремоделювання кісткової тканини (остеолиз / регенерація) протікали збалансовано. В межах 36 тижнів дослідження не було значних ознак корозії поверхні WZ21 сплаву зі збереженням щільного контакту з навколишнім кістковою тканиною [43]. згідно з результатами

    F. Witte і співавт. (2005), в кістковій тканині лужної корозійний шар на магнієвих сплавах акумулює біологічні фосфати кальцію, що обумовлює прямий контакт імплантатів з навколишнього кістковою тканиною, а іони магнію активують остеобласти [8].

    В такому випадку КФ покриття повинні посилювати остеоінтеграцію Mg сплавів. Дійсно, шар бета-трікальцийфосфата на AZ31 (Mg-3Al-1Zn) сплаві сприяє in vitro проліферації, адгезії і експресії морфогенеті-чеського білка кістки (BMP-2) в культурі клітин остеосаркоми людини (SaOS-2), знижує корозію імплантату in vivo (на 16%) і покращує сході-окондуктівние властивості в перші 12 тижнів після операції за рахунок абсорбції [53].

    КЛІНІЧНІ ДОСЛІДЖЕННЯ магнієвих сплавів

    Сучасних клінічних досліджень Mg сплавів для біоінженерії кісткової тканини в літературі представлено небагато. В основному в клінічних додатках застосовуються гвинти на основі Mg сплавів в місцях, які не потребують значної опорного навантаження внаслідок недостатньої механічної міцності матеріалу.

    В першу чергу, слід виділити роботу H. Windhagen і співавт. (2013), які провели пілотне дослідження клінічної ефективності компресійних гвинтів MAGNEZIX (Syn-tellix AG, Hannover, Німеччина) на основі сплаву Mg-Y-RE-Zr відповідно до стандарту DIN EN 1753: 1997-08 (склад подібний зі сплавом WE43 (мас .%): Mg3,7-4,3Y2,4-4,4Rе0,4Zr; ​​питома щільність 1,8 г / см3) на 26 пацієнтах з вальгусной деформацією першого пальця стопи. Клінічні випробування були визнані успішними, оскільки не було відмінностей суб'єктивних і больових відчуттів, радіографічних і лабораторних тестів в порівнянні з традиційними титановими гвинтами. Через 1-2 роки імплантати повністю розсмоктувалися [54, 55]. У 2017 р дані гвинти отримали сертифікаційний знак CE на відповідність стандартам безпеки для здоров'я і навколишнього середовища в Європейському економічному просторі [56].

    У Південній Кореї проведено тривале клінічне дослідження гвинтів з Mg-5Ca-1Zn сплаву при несрастающемся дистальному радіальному переломі човноподібної кістки зап'ястя у 53 добровольців. Через 1 рік відзначено повне зрощення місця перелому з формуванням нової кістки замість практично повністю розчинилися гвинтів з відсутністю больових ощуще-

    ний і обмежень рухливості суглоба [57]. У 2015 р дані гвинти отримали схвалення FDA (Food and Drug Administration) Південної Кореї і коммерціалізуются як K-MET біорезорбіруе-мі кісткові гвинти фірмою U&i Corp. (Gyeong-gi-do, Республіка Корея) [14].

    У Китайській Народній Республіці, згідно оглядам [14, 58], проведені клінічні випробування Mg сплавів для остеосинтезу. Серед опублікованих даних слід виділити роботу D. Zhao і співавт., Які з 2013 р протягом року спостерігали за станом 25 пацієнтів після фіксації гвинтами з чистого Mg головки стегнової кістки при остеонекроз c задовільними результатами високого ступеня відповідно до шкали Харріса. Багатообіцяючі результати клінічного вивчення пластин, спиць і скаффолдов на основі Mg сплавів далекі до завершення і комерціалізації [34].

    Виражені газоутворення, набряк і больові відчуття в перший тиждень після імплантації, згідно [10, 59], залишаються, в більшості випадків, невирішеними клінічними проблемами Mg сплавів.

    ІНФЕКЦІЙНІ УСКЛАДНЕННЯ

    Періпротезние інфекції є серйозною загрозою в ортопедії і травматології. В системі in vitro магнієві сплави проявляють антимікробний ефект (наприклад, [60]) внаслідок збільшення значень pH і накопичення гидроокисей. Навпаки, у тварин описана (зокрема,

    [61]) незрозуміла підвищена сприйнятливість імплантатів на основі магнієвих сплавів до бактеріального запалення з утворенням бактеріальної біоплівки, незважаючи на супроводжуючу терапію антибіотиками. Однією з найбільш ймовірних причин може бути переважання швидкості корозії Mg сплаву над тканинної регенерацією, що приводить до зниження міцності фіксації імплантату в кістки і його розхитування. У свою чергу, відомо, що механічна нестабільність імплантату сприяє розвитку інфекційних ускладнень остеосинтезу

    [62].

    ВИСНОВОК

    Протягом 20 останніх років очікується, що біосумісні, біодеградіруемие, легкі і механічно міцні магнієві сплави знайдуть широке застосування в якості імплантатів для ортопедії і травматології [29]. Проте швидка неконтрольована деградація і загроза періпротезной інфекції різко обмежують їх

    клінічне впровадження. Розробка нових варіантів Mg сплавів за допомогою введення до складу або в покриття життєво важливих елементів визнається перспективним напрямком контролю їх деградації [10].

    У зв'язку з цим використання стратегії з додаванням антимікробних металів (срібло, ес-сенціальние мідь або цинк) в магнієвий сплав або до складу покриття розглядається як сучасний підхід до попередження інфекційних ускладнень при дотриманні рівноваги місцевої бактерицидности і нетоксичність для організму хазяїна [41]. Срібло проявляє виражену токсичність навіть в низьких концентраціях ^ icM) щодо фібробластів і остеобластів [21, 63]. Однак введення міді до складу Mg сплаву обмежена 100-300 ppm (частин на мільйон; мг / кг), перевищення меж супроводжується посиленням швидкості корозії [64]. Можливо, в зв'язку з цим новітньої тенденцією медичного матеріалознавства є розвиток сплавів на основі цинку, наприклад, Zn-1 мас. % Mg або Zn-3Cu-1Fe зі швидкістю корозії (0,12-0,13 мм / рік) на 1-2 порядки нижче такої для Mg сплавів [14]. У той же час ГДК у водних розчинах для Zn на 1-2 порядки нижче в порівнянні з Mg [4].

    В цьому плані цинк або медьсодержащие покриття знаходяться в тренді сучасних ортопедичних рішень в області модифікованих покриттів, зазначеному [65]. Такі покриття технологічно варіабельні і дозволяють використовувати різні підкладки Mg сплавів для індивідуального підходу до вирішення механічних, біомедичних і інфекційних проблем біоінженерії кісткової тканини.

    ЛІТЕРАТУРА / REFERENCES

    1. Чорний В.М. Перспективи застосування Біодеградуючі-чих сплавів на основі магнію в остеосинтезе. Запорізький медичний журнал. 2013; 6 (81): 76-79. [Chornyi V.M. The prospects of using biodegradable magnesium-based alloys in osteosynthesis. Zaporozhskii meditsinskii zhurnal. 2013; 6 (81): 76-79 (in Russ.)].

    2. Городецький B.?., Талібів О.Б. Препарати магнію в медичній практиці. Mалая енциклопедія магнію. M .: Mедпрактіка, 2003: Додати 44. [Gorodetskii V.V., Tali-bov O.B. Magnesium drugs in medical practice. Small encyclopedia of magnesium. Moscow: Medpraktika Publ., 2003: Додати 44 (in Russ.)].

    3. Bоrca A.C., Neaccu I.A., Vasile O.R., Ciuca I., Vasile I.M., Fayeq M.A., Vasile B.§. Mg-Zn alloys, most suitable for biomedical applications. Rom. J. Morphol. Embryol. 2018; 59 (1): 49-54.

    4. СанПіН 2.1.4.1074-01 Питна вода. Гігієнічні вимоги до якості води централізованих систем питного водопостачання. Контроль якості. Гігієнічні вимоги до забезпечення безпеки систем гарячого водопостачання (зі змінами на 2 квітня 2018 року). М .: МОЗ Росії, 2002. [SanPiN 2.1.4.1074-01 Drinking water. Hygienic requirements to the quality of water from the centralized system of drinking water supply. Quality control. Hygienic requirements to safety of hot water supply system (with adjustments as of April 2, 2018). Moscow: Minzdrav Ros-sii, 2002 (in Russ.)].

    5. Witte F. The history of biodegradable magnesium implants: A review. Acta Biomater. 2010 року; 6 (5): 1680-1692. DOI: 10.1016 / j.actbio.2010.02.028.

    6. Luthringer B.J.C., Feyerabend F., Willumeit-Romer R. Magnesium-based implants: a mini-review. Magnes Res. 2014; 27 (4): 142-154. DOI: 10.1684 / mrh.2015.0375.

    7. Saris N.E.L., Mervaala E., Karppanen H., Khawaja J.A., Lewenstam A. Magnesium - аn update on physiologicsl, clinical and analytical aspects. Clinics Chimica Acta. 2000; 294 (1-2): 1-26.

    8. Witte F., Kaese V., Haferkamp H., Switzer E., Meyer-Lindenberg A., Wirth C.J., Windhagen H. In vivo corrosion of four magnesium alloys and the associates bone response. Biomaterials. 2005; 26 (17): 3557-3563. DOI: 10.1016 / j. biomaterials.2004.09.049.

    9. Xu D.K., Han E.H. Relationship between fatigue crack initiation and activated twins in as-extruded pure magnesium. Scr. Mater. 2013; 69 (9): 702-705. DOI: 10.1016 / j. scriptamat.2013.08.006.

    10. Liu C., Ren Z., Xu Y., Pang S., Zhao X., Zhao Y. Biodegradable magnesium alloys developed as bone repair materials: a review. Scanning. 2018; 2018 (Article ID 9216314): 15. DOI: 10.1155 / 2018/9216314.

    11. Чемерис А.И., Цівірко Е.І., Чорний В.М., Шалом-їв В.А., Яцун О.В. Біорезорбтівние властивості сплавів магнію. Травма. 2011 року; 12 (3): 144-146. [Chemeris A.I., Tsivirko E.I., Chornyi V.M., Shalomeev V.A., Yat-sun E.V. Bioresorptive properties of magnesium alloys. Travma. 2011 року; 12 (3): 144-146 (in Russ.)].

    12. Zheng Y.F., Gu X.N., Witte F. Biodegradable metals. Mater. Sci. Eng. R Rep. 2014; 77: 1-34. DOI: 10.1016 / j. mser.2014.01.001.

    13. ASTM F3160-16: standard guide for metallurgical characterization of absorbable metallic materials for medical implants. ASTM International, West Conshohocken, 2016.

    14. Hermavan H. Updates on the research and development of absorbable metals for biomedical applications. Prog. Biomater. 2018; 7 (2): 93-110. DOI: 10.1007 / s40204-018-0091-4.

    15. Пироженко Л.А., Сивцов С.В. Розробка методу аналітичного контролю корозійної стійкості магнієвих сплавів. Питання атомної науки і техніки. Серія: Вакуум, чисті матеріали, надпровідні-

    KU (17). 2008; 1: 31-34. [Pirozhenko L.A., Sivtsov S.V. Developing a method of analytical control of corrosive resistance in magnesium alloys. Voprosy atomnoi nauki i techniki. Seriya: Vakuum, chistye materialy, sverhpro-vodniki (17). 2008; 1: 31-34 (in Russ.)].

    16. Song G. Recent progress in corrosion and protection of magnesium alloys. Adv. Eng. Mater. 2005; 7 (7): 563586. DOI: 10.1002 / adem.200500013.

    17. Gray-Munro J.E., Seguin C., Strong M. Infuence of surface modifcation on the in vitro corrosion rate of magnesium alloy AZ31. J. Biomed. Mater. Res. A. 2009 року; 91 (1): 221-230. DOI: 10.1002 / jbm.a.32205.

    18. Witte F., Fischer J., Nellesen J., Crostack H., Kaese V., Pisch A., Beckmann F., Windhagen H. In vitro and in vivo corrosion measurements of magnesium alloys. Biomaterials. 2006; 27 (7): 1013-1018. DOI: 10.1016 / j.bio-materials.2005.07.037.

    19. Ghoneim A.A., Fekry A.M., Ameer M.A. Electrochemical behavior of magnesium alloys as biodegradable materials in Hank's solution. Electrochim. Acta. 2010 року; 55 (20): 6028-6035. DOI: 10.1016 / j.electacta.2010.05.062.

    20. Tan L., Yu X., Wan P., Yang K. Biodegradable Materials for Bone Repairs: A Review. J. Mater. Sci. Technol. 2013; 29 (6): 503-513. DOI: 10.1016 / j.jmst.2013.03.002.

    21. Gu X., Zheng Y., Cheng Y., Zhong S., Xi T. In vitro corrosion and biocompatibility of binary magnesium alloys. Biomaterials. 2009 року; 30 (4): 484-498. DOI: 10.1016 / j.bio-materials.2008.10.021.

    22. Hong D., Saha P., Chou D.-T., Lee B., Collins B.E., Tan Z., Dong Z., Kumta P.N. In vitro degradation and cyto-toxicity response of Mg-4% Zn-0.5% Zr (ZK40) alloy as a potential biodegradable material. Acta Biomater. 2013; 9 (10): 8534-8547. DOI: 10.1016 / j.actbio.2013.07.001.

    23. Walter R., Kannan M.B. In vitro degradation behaviour of WE54 magnesium alloy in simulated body fluid. Mater. Lett. 2011 року; 65 (4): 748-750. DOI: 10.1016 / j.mat-let.2010.11.051.

    24. Li Z.J., Gu X.N., Lou S.Q., Zheng Y.F. The development of binary Mg-Ca alloys for use as biodegradable materials within bone. Biomaterials. 2008; 29 (10): 1329-1344. DOI: 10.1016 / j.biomaterials.

    25. Zhang S., Li J., Song Y., Zhao C., Zhang X., Xie C., Zhang Y., Tao H., He Y., Jiang Y., Bian Y. In vitro degradation, hemolysis and MC3T3-E1 cell adhesion of biodegradable Mg-Zn alloy. Mater. Sci. Eng. C Mater. Biol. Appl. 2009 року; 29 (6): 1907-1912. DOI: 10.1016 / j.msec.2009.03.001.

    26. Cai S., Lei T., Li N., Feng F. Effects of Zn on microstructure, mechanical properties and corrosion behavior of Mg-Zn alloys. Mater. Sci. Eng. C Mater. Biol. Appl. 2012; 32 (8): 2570-2577. DOI: 10.1016 / j.msec.2012.07.042.

    27. Zheng Y., Gu X. Research activities of biomedical magnesium alloys in China. JOM. 2011 року; 3 (4): 105-108. DOI: 10.1007 / s11837-011-0049-7.

    28. Xu L., Zhang E., Yin D., Zeng S., Yang K. In vitro corrosion behaviour of Mg alloys in a phosphate buffered solution for bone implant application. J. Mater. Sci. Ma-

    ter. Med. 2008; 19 (3): 1017-1025. DOI: 10.1007 / s10856-007-3219-y.

    29. Agarwal S., Curtin J., Duffy B., Jaiswal S. Biodegradable magnesium alloys for orthopaedic applications: A review on corrosion, biocompatibility and surface modifications. Mater. Sci. Eng. C Mater. Biol. Appl. 2016 року; 68: 948963. DOI: 10.1016 / j.msec.2016.06.020.

    30. ASTM-B275. Standard practice for codification of certain nonferrous metals and alloys, cast and wrought. Annual book of ASTM standards. Philadelphia, Pennsylvania, USA: American Society for Testing and Materials, 2005: Додати 7.

    31. Wang J., Tang J., Zhang P., Li Y., Wang J., Lai Y., Qin L. Surface modification of magnesium alloys developed for bioabsorbable orthopedic implants: a general review. J. Biomed. Mater. Res. B Appl. Biomater. 2012; 100 (6): 1691-1701. DOI: 10.1002 / jbm.b.32707.

    32. Kirkland N.T. Magnesium biomaterials: past, present and future. Corros. Eng. Sci. Technol. 2012; 47 (5): 322-328. DOI: 10.1179 / 1743278212Y.0000000034.

    33. Гнєденко С.В., Синебрюхов С.Л., Пузь А.В., Машта-ляр Д.В., Опра Д.П. Антикорозійні композиційні покриття на біодеградіруемих Mg-сплавах. In vitro дослідження. Журнал неорганічної хімії. 2016 року; 61 (4): 445-449. DOI: 10.7868 / S0044457X16040097. [Gnedenkov S.V., Sinebryukhov S.L., Puz A.V., Mashtal-yar D.V., Opra D.P. Anticorrosive composite coatings on biodegradable Mg-alloys. Zhurnal neorganicheskoi himii. 2016 року; 61 (4): 445-449 (in Russ.)].

    34. Zhao D., Huang S., Lu F., Wang B., Yang L., Qin L., Yang K., Li Y., Li W., Wang W., Tian S., Zhang X., Gao W., Wang Z., Zhang Y., Xie X., Wang J., Li J. Vascular-ized bone grafting fixed by biodegradable magnesium screw for treating osteonecrosis of the femoral head. Biomaterials. 2016 року; 81: 84-92. DOI: 10.1016 / j.biomate-rials.2015.11.038.

    35. Rau JV, Antoniac I., Filipescu M., Cotrut C., Fosca M., Nistor LC, Birjega R., Dinescu M. Hydroxyapatite coatings on Mg-Ca alloy prepared by рulsed laser deposition: properties and corrosion resistance in simulated body fluid. Ceram. Int. 2018; 44 (14): 16678-16687. DOI: 10.1016 / j.ceramint.2018.06.095.

    36. Rau JV, Antoniac I., Fosca M., De Bonis A., Blajan AI, Cotrut C., Graziani V., Curcio M., Cricenti A., Niculescu M., Ortenzi M., Teghil R. Glass- ceramic coated Mg-Ca alloys for biomedical implant applications. Mater. Sci. Eng. C. Mater. Biol. Appl. 2016 року; 64: 362-369. DOI: 10.1016 / j.msec.2016.03.100.

    37. Kannan M.B., Walter R., Yamamoto A. Biocompatibility and in vitro degradation behavior of magnesium-calcium alloy coated with calcium phosphate using an unconventional electrolyte. ACS Biomater. Sci. Eng. 2016 року; 2 (1): 56-64. DOI: 10.1021 / acsbiomaterials.5b00343.

    38. Hiromoto S., Inoue M., Taguchi T., Yamane M., Ohtsu N. In vitro and in vivo biocompatibility and corrosion behaviour of a bioabsorbable magnesium alloy coated with

    octacalcium phosphate and hydroxyapatite. Acta Biomater. 2015; 11: 520-530. DOI: 10.1016 / j.actbio.2014.09.026.

    39. Martinez Sanchez A.H., Luthringer B.J.C., Feyerabend F., Willumeit R. Mg and Mg alloys: How comparable are in vitro and in vivo corrosion rates? A review. Acta Biomater. 2015; 13: 16-31. DOI: 10.1016 / j.actbio.2014.11.048.

    40. Dziuba D., Meyer-Lindenberg A., Seitz J.M., Waizy H., Angrisani N., Reifenrath J. Long-term in vivo degradation behaviour and biocompatibility of the magnesium alloy ZEK100 for use as a biodegradable bone implant. Acta Biomater. 2013; 9 (10): 8548-8560. DOI: 10.1016 / j. actbio.2012.08.028.

    41. Rahim M.I., Ullah S., Mueller P.P. Advances and challenges of biodegradable implant materials with a focus on magnesium-alloys and bacterial infections. Metals. 2018; 8 (7): 532. DOI: 10.3390 / met8070532.

    42. Fontenier G., Freschard R., Mourot M. Study of the corrosion in vitro and in vivo of magnesium amodes involved in an implantable bioelectric battery. Med. Biol. Eng. 1975; 13 (5): 683-689.

    43. Kraus T., Fischerauer S.F., Hanzi A.C., Uggowitzer P.J., Loffler J.F., Weinberg A.M. Magnesium alloys for temporary implants in osteosynthesis: in vivo studies of their degradation and interaction with bone. Acta Biomater. 2012; 8 (3): 1230-1238. DOI: 10.1016 / j.actbio.2011.11.008.

    44. Salahshoor M., Guo Y. Biodegradable Orthopedic Magnesium-Calcium (MgCa) Alloys, Processing, and Corrosion Performance. Materials. 2012; 5 (1): 135-155. DOI: 10.3390 / ma5010135.

    45. Dorozhkin S.V. Calcium orthophosphate coatings on magnesium and its biodegradable alloys. Acta Biomater. 2014; 10 (7): 2919-2934. DOI: 10.1016 / j.actbio.2014.02.026.

    46. ​​Kusnierczyk K., Basista M. Recent advances in research on magnesium alloys and magnesium-calcium phosphate composites as biodegradable implant materials. J. Biomater. Appl. 2017; 31 (6): 878-900. DOI: 10.1177 / 0885328216657271.

    47. Staiger M.P., Pietak A.M., Huadmai J., Dias G. Magnesium and Its Alloys as Orthopedic Biomaterials: A Review. Biomaterials. 2006; 27 (9): 1728-1734. DOI: 10.1016 / j.biomaterials.2005.10.003.

    48. Erdmann N., Angrisani N., Reifenrath J., Lucas A., Tho-rey F., Bormann D., Meyer-Lindenberg A. Biomechan-ical testing and degradation analysis of MgCa0.8 alloy screws: a comparative in vivo study in rabbits. Acta Biomater. 2011 року; 7 (3): 1421-1428. DOI: 10.1016 / j.act-bio.2010.10.031.

    49. Castellani C., Lindtner R.A., Hausbrandt P., Tschegg E., Stanzl-Tschegg S.E., Zanoni G., Beck S., Weinberg A.M. Bone-implant interface strength and osseointegration: biodegradable magnesium alloy versus standard titanium control. Acta Biomater. 2011 року; 7 (1): 432-440. DOI: 10.1016 / j.actbio.2010.08.020.

    50. Zhang B., Hou Y., Wang X., Wang Y., Gend L. Mechanical properties, degradation performance and cytotoxic-ity of Mg-Zn-Ca biomedical alloys with different com-

    positions. Mater. Sci. Eng. C Mater. Biol. Appl. 2011 року; 31 (8); 1667-1673. DOI: 10.1016 / j.msec.2011.07.015.

    51. Feser K., Kietzmann M., Baumer W., Krause C., Bach F.W. Effects of degradable Mg-Ca alloys on dendritic cell function. J. Biomater. Appl. 2011 року; 25 (7): 685-697. DOI: 10.1177 / 0885328209360424.

    52. Zhang E.L., Xu L.P., Yu G.N., Pan F., Yang K. In vivo evaluation of biodegradable magnesium alloy bone implant in the first 6 months implantation. J. Biomed. Mater. Res. A 2009 року; 90 (3): 882-893. DOI: 10.1002 / jbm.a.32132.

    53. Chai H., Guo L., Wang X., Gao X., Liu K., Fu Y., Guan J., Tan L., Yang K. In vitro and in vivo evaluations on osteogenesis and biodegradability of a? -tricalcium phosphate coated magnesium alloy. J. Biomed. Mater. Res. A. 2012; 100 (2): 293-304. DOI: 10.1002 / jbm.a.33267.

    54. Windhagen H., Radtke K., Weizbauer A., ​​Diekmann J., Noll Y., Kreimeyer U., Schavan R., Stukenborg-Colsman C., Waizy H. Biodegradable magnesium-based screw clinically equivalent to titanium screw in hallux valgus surgery: short term results of the first prospective, randomized, controlled clinical pilot study. Biomed. Eng. Online. 2013; 12: 62. DOI: 10.1186 / 1475-925X-12-62.

    55. Plaass C., Von Falck C., Ettinger S., Sonnow L., Cal-derone F., Weizbauer A., ​​Reifenrath J., Claassen L., Waizy H., Daniilidis K., StukenborgColsman C., Windhagen H. Bioabsorbable magnesium versus standard titanium compression screws for fxation of distal metatarsal osteotomies-3 year results of a randomized clinical trial. J. Ortho. Sci. 2018; 23 (2): 321-327. DOI: 10.1016 / j. jos.2017.11.005.

    56. Biber R., Pauser J., Brem M., Bail H.J. Bioabsorbable metal screws in traumatology: a promising innovation. Trauma Case Rep. 2017; 8: 11-15. DOI: 10.1016 / j. tcr.2017.01.012.

    57. Lee JW, Han HS, Han KJ, Park J., Jeon H., Ok MR, Seok HK, Ahn JP, Lee KE, Lee DH, Yang SJ, Cho SY, Cha PR, Kwon H., Nam TH, Han JH, Rho HJ, Lee KS, Kim YC, Mantovani D. Long-term clinical study and multiscale analysis of in vivo biodegradation mechanism of Mg alloy. Proc. Natl. Acad. Sci. 2016 року; 113 (3): 716-721. DOI: 10.1073 / pnas.1518238113.

    58. Zhao D., Witte F., Lu F., Wang J., Li J., Qin L. Current status on clinical applications of magnesium-based orthopaedic implants: a review from clinical translation-al perspective. Biomaterials. 2017; 112: 287-302. DOI: 10.1016 / j.biomaterials.2016.10.017.

    59. Kuhlmann J., Bartsch I., Willbold E., Schuchardt S., Holz O., Hort N., Hoche D., Heineman W.R., Witte F. Fast escape of hydrogen from gas cavities around corroding magnesium implants. Acta Biomater. 2013; 9 (10): 8714-8721. DOI: 10.1016 / j.actbio.2012.10.008.

    60. Robinson D.A., Griffith R.W., Shechtman D., Evans R.B., Conzemius M.G. In vitro antibacterial properties of magnesium metal against Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa and Staphylococcus aureus. Acta

    Biomater. 2010 року; 6 (5): 1869-1877. DOI: 10.1016 / j.act-bio.2009.10.007.

    61. Rahim M.I., Rohde M., Rais B., Seitz J.-M., Mueller P.P. Susceptibility of metallic magnesium implants to bacterial biofilm infections. J. Biomed. Mater. Res. A. 2016 року; 104 (6): 1489-1499. DOI: 10.1002 / jbm.a.35680.

    62. Nepola J.V. External fixation. Rockwood and Green's fractures in Adults. Four Edition. Philadelphia: Lippin-cot-Raven Publishers, 1996; 1: 229-304.

    63. Yamamoto A., Honma R., Sumita M. Cytotoxicity evaluation of 43 metal salts using murine fibroblasts and

    osteoblastic cells. Mater. Res. 1998; 39 (2): 331-340. DOI: 10.1002 / (SICI) 1097-4636 (199802) 39: 2<331 :: AID-JBM22>3.0.CO; 2-E.

    64. Sudholz A.D., Kirkland N.T., Buchheit R.G., Birbilis N. Electrochemical properties of intermetallic phases and common impurity elements in magnesium alloys. Electrochem. Solid St. 2011 року; 14 (2): C5-C7. DOI: 10.1149 / 1.3523229.

    65. Hansen E.N., Zmistowski B., Parvizi J. Periprosthetic joint infection: what is on the horizon ?. Int. J. Artif. Organs. 2012; 35 (10): 935-950. DOI: 10.5301 / ijao.5000145.

    Відомості про авторів

    Хлусов Ігор Альбертович, д-р мед. наук, професор, кафедра морфології і загальної патології, СібГМУ; професор, Дослідницька школа хімічних і біомедичних технологій, НІ ТПУ; науч. співробітник, ТОВ «НПК« СІНТЕЛ », Томськ. ORCID iD 0000-00033465-8452.

    Мітріченко Дмитро Володимирович, директор ТОВ «НПК« СІНТЕЛ », Томськ.

    Просолов Олександр Борисович, заст. директора з наукової роботи, ТОВ «НПК« СІНТЕЛ », Томськ.

    Миколаєва Ольга Олегівна, начальник виробничої дільниці, ТОВ «НПК« СІНТЕЛ », Томськ.

    Слепченко Галина Борисівна, д-р хім. наук, професор, відділення хімічної інженерії, Інженерна школа природних ресурсів, вед. науч. співробітник, Дослідницька школа хімічних і біомедичних технологій, НІ ТПУ, Томськ. ORCID iD 0000-0002-0296-604X.

    Шаркеев Юрій Петрович, д-р фіз.-мат. наук, професор, зав. лабораторією фізики наноструктурних біокомпозіти, ІФПМ СО РАН; професор, Дослідницька школа фізики високоенергетичних процесів, НІ ТПУ, Томськ. ORCID iD 0000-0001-5037-245X.

    (*) Хлусов Ігор Альбертович, e-mail: khlusov63 @ mail.org.ua.

    Надійшла до редакції 30.01.2019 Підписано до друку 10.06.2019

    Authors information

    Khlusov Igor A., ​​DM, Professor, Department of Morphology and General Pathology, Siberian State Medical University, Tomsk; Research School of Chemistry & Applied Biomedical Sciences, National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk, Russian Federation.

    Mitrichenko Dmitrii V., Director, SINTEL LLC, Tomsk, Russian Federation.

    Prosolov Akexandr B., Vice-Director on Scientific Work, SINTEL LLC, Tomsk, Russian Federation.

    Nikolaeva Olga O., Head of Production Department, SINTEL LLC, Tomsk, Russian Federation.

    Slepchenko Galina B., DrScCh, Professor, Department of Chemical Engineering, Engineering School of Natural Resources; Leading Researcher, Research School of Chemistry & Applied Biomedical Sciences, National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk, Russian Federation.

    Sharkeev Yurii P., DrScPM, Professor, Head of Laboratory of Nanostructured Biocomposites, Institute of Strength Physics and Materials Science; Research School of High-Energy Physics, National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk, Russian Federation.

    (*) Хлусов Ігор Альбертович, e-mail: khlusov63 @ mail.org.ua.

    Received 30.01.2019 Accepted 10.06.2019


    Ключові слова: біодеградація / IN VITRO / IN VIVO / Біомеханіка / біосумісним / ОСТЕОСИНТЕЗ / ЕФЕКТИВНІСТЬ / ІНФЕКЦІЙНІ УСКЛАДНЕННЯ / BIODEGRADATION / BIOMECHANICS / BIOCOMPATIBILITY / OSTEOSYNTHESIS

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити