Preview

Бюллетень сибирской медицины

Расширенный поиск

Краткий обзор биомедицинских свойств и применения магниевых сплавов для биоинженерии костной ткани

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

Полный текст:

Аннотация

Цель работы. Обзор современной научной литературы по основным достижениям и проблемам биомедицинских магниевых (Mg) сплавов для травматологии и ортопедии.
Методология. Аналитический обзор на основе комплексного изучения открытых научно-технических источников. Результаты работы: представлены современные сведения о классификации, биодеградации in vitro и in vivo, биомеханике, местной и системной биосовместимости, клинической эффективности и риске инфекционных осложнений при остеосинтезе имплантатами на основе Mg сплавов, в том числе с защитными (антикоррозионными и антимикробными) покрытиями.
Заключение. Быстрая деградация и угроза перипротезной инфекции резко ограничивают клиническое применение имплантатов на основе Mg сплавов. Разработка новых и модификация известных Mg сплавов посредством введения в состав или в покрытие антимикробных элементов признается перспективным направлением контроля их биомедицинских свойств.

Об авторах

И. А. Хлусов
Сибирский государственный медицинский университет (СибГМУ); Общество с ограниченной ответственностью «Научно-производственная компания «СИНТЕЛ» (ООО «НПК «СИНТЕЛ»); Национальный исследовательский Томский политехнический университет (НИ ТПУ)
Россия
Хлусов Игорь Альбертович, д-р мед. наук, профессор, кафедра морфологии и общей патологии;
профессор, Исследовательская школа химических и биомедицинских технологий; науч. сотрудник

634050, г. Томск, Московский тракт, 2

634061, г. Томск, ул. Герцена, 45

634050, г. Томск, пр. Ленина, 30


Д. В. Митриченко
Общество с ограниченной ответственностью «Научно-производственная компания «СИНТЕЛ» (ООО «НПК «СИНТЕЛ»)
Россия
Митриченко Дмитрий Владимирович, директор

634061, г. Томск, ул. Герцена, 45


А. Б. Просолов
Общество с ограниченной ответственностью «Научно-производственная компания «СИНТЕЛ» (ООО «НПК «СИНТЕЛ»)
Россия
Просолов Александр Борисович, зам. директора по научной работе

634061, г. Томск, ул. Герцена, 45


О. О. Николаева
Общество с ограниченной ответственностью «Научно-производственная компания «СИНТЕЛ» (ООО «НПК «СИНТЕЛ»)
Россия
Николаева Ольга Олеговна, начальник производственного участка

634061, г. Томск, ул. Герцена, 45



Г. Б. Слепченко
Национальный исследовательский Томский политехнический университет (НИ ТПУ)
Россия
Слепченко Галина Борисовна, д-р хим. наук, профессор, отделение химической инженерии, Инженерная школа природных ресурсов, вед. науч. сотрудник, Исследовательская школа химических и биомедицинских технологий

634050, г. Томск, пр. Ленина, 30


Ю. П. Шаркеев
Национальный исследовательский Томский политехнический университет (НИ ТПУ); Институт физики прочности и материаловедения СО РАН (ИФПМ СО РАН)
Россия

Шаркеев Юрий Петрович, д-р физ.-мат. наук, профессор, зав. лабораторией физики наноструктурных биокомпозитов; профессор, Исследователь ская школа физики высокоэнергетических процессов

634050, г. Томск, пр. Ленина, 30

634055, г. Томск, Академический пр., 2/4



Список литературы

1. Черный В.Н. Перспективы применения биодеградирующих сплавов на основе магния в остеосинтезе. Запорожский медицинский журнал. 2013; 6 (81): 76–79.

2. Городецкий B.В., Талибов О.Б. Препараты магния в медицинской практике. Малая ýнциклопедия магния. М.: Медпрактика, 2003: 44.

3. Bоrcă A.C., Neacşu I.A., Vasile O.R., Ciucă I., Vasile I.M., Fayeq M.A., Vasile B.Ş. Mg–Zn alloys, most suitable for biomedical applications. Rom. J. Morphol. Embryol. 2018; 59 (1): 49–54.

4. СанПиН 2.1.4.1074-01 Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. Гигиенические требования к обеспечению безопасности систем горячего водоснабжения (с изменениями на 2 апреля 2018 года). М.: Минздрав России, 2002.

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

6. Luthringer B.J.C., Feyerabend F., Willumeit-Römer 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., Цивирко Э.И., Черный В.Н., Шаломеев В.А., Яцун Е.В. Биорезорбтивные свойства сплавов магния. Травма. 2011; 12 (3): 144–146.

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. Разработка метода аналитического контроля коррозионной стойкости магниевых сплавов. Вопросы атомной науки и техники. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (17). 2008; 1: 31–34.

16. Song G. Recent progress in corrosion and protection of magnesium alloys. Adv. Eng. Mater. 2005; 7 (7): 563–586. 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; 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.biomaterials.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; 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; 30 (4): 484–498. DOI: 10.1016/j.biomaterials.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 cytotoxicity 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; 65 (4): 748–750. DOI: 10.1016/j.matlet.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; 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; 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. Mater. 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; 68: 948–963. 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: 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. Гнеденков С.В., Синебрюхов С.Л., Пузь А.В., Машталяр Д.В., Опра Д.П. Антикоррозионные композиционные покрытия на биодеградируемых Mg-сплавах. In vitro исследования. Журнал неорганической химии. 2016; 61 (4): 445–449. DOI: 10.7868/S0044457X16040097.

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. Vascularized bone grafting fixed by biodegradable magnesium screw for treating osteonecrosis of the femoral head. Biomaterials. 2016; 81: 84–92. DOI: 10.1016/j.biomaterials.2015.11.038.

35. Rau J.V., Antoniac I., Filipescu M., Cotrut C., Fosca M., Nistor L.C., 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 J.V., Antoniac I., Fosca M., De Bonis A., Blajan A.I., 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; 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; 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., Hänzi A.C., Uggowitzer P.J., Löffler 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. Kuśnierczyk 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., Thorey F., Bormann D., Meyer-Lindenberg A. Biomechanical testing and degradation analysis of MgCa0.8 alloy screws: a comparative in vivo study in rabbits. Acta Biomater. 2011; 7 (3): 1421–1428. DOI: 10.1016/j.actbio.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; 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 cytotoxicity of Mg–Zn–Ca biomedical alloys with different compositions. Mater. Sci. Eng. C Mater. Biol. Appl. 2011;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; 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; 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 β-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., Calderone 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 J.W., Han H.S., Han K.J., Park J., Jeon H., Ok M.R., Seok H.K., Ahn J.P., Lee K.E., Lee D.H., Yang S.J., Cho S.Y., Cha P.R., Kwon H., Nam T.H., Han J.H., Rho H.J., Lee K.S., Kim Y.C., Mantovani D. Long-term clinical study and multiscale analysis of in vivo biodegradation mechanism of Mg alloy. Proc. Natl. Acad. Sci. 2016; 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 translational 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., Höche 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; 6 (5): 1869–1877. DOI: 10.1016/j.actbio.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; 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: Lippincot-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::AIDJBM22>3.0.CO;2-E.

64. Südholz 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; 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.


Для цитирования:


Хлусов И.А., Митриченко Д.В., Просолов А.Б., Николаева О.О., Слепченко Г.Б., Шаркеев Ю.П. Краткий обзор биомедицинских свойств и применения магниевых сплавов для биоинженерии костной ткани. Бюллетень сибирской медицины. 2019;18(2):274-286. https://doi.org/10.20538/1682-0363-2019-2-274-286

For citation:


Khlusov I.A., Mitrichenko D.V., Prosolov A.B., Nikolaeva O.O., Slepchenko G.B., Sharkeev Y.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. (In Russ.) https://doi.org/10.20538/1682-0363-2019-2-274-286

Просмотров: 30


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 1682-0363 (Print)
ISSN 1819-3684 (Online)