ВЛИЯНИЕ БИОИНЕРТНЫХ ЭЛЕКТРОВЗРЫВНЫХ ПОКРЫТИЙ НА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ИМПЛАНТАТ – КОСТЬ
Ключевые слова:
биоинертные покрытия, компьютерное моделирование, электровзрывное напыление, титан, цирконий, ниобий, напряжениеАннотация
Помимо агрессивной внутренней среды организма человека на долговечность имплантата влияет адаптивная перестройка костной ткани, при которой концентрация напряжения локализуется внутри объема имплантата возле границы с костной тканью. Это приводит к расшатыванию и выходу имплантата из строя несмотря на то, что, фактически, поверхностный слой имплантата остается неповрежденным. Существуют свидетельства, что покрытия с низким модулем Юнга способствуют изменению распределения нагрузок между имплантатом и прилегающей костной тканью, снижая тем самым эффект адаптивной перестройки. В настоящее время интенсивно развивается метод
электровзрывного напыления покрытий различных систем, в том числе и биоинертных покрытий систем Ti – Zr и Ti – Nb, обладающих низким модулем Юнга. Для оценки влияния биоинертных покрытий системы Ti – Zr и Ti – Nb на распределение напряжений в программе COMSOL Multiphysics® версии 5.5 была разработана двумерная модель. В настоящей работе впервые проведено компьютерное моделирование напряженно-деформированного состояния костной ткани, расположенной возле имплантата с нанесенным на его поверхность электровзрывным покрытием системы Ti – Zr или Ti – Nb. В результате моделирования установлено, что напряжения распространяются более равномерно по сравнению со случаем без покрытия. Среди исследуемых покрытий наибольший эффект удалось достичь при моделировании системы с промежуточным слоем, выполненным из биоинертного покрытия системы
Ti – Zr.. Несмотря на простоту изученных моделей, можно с большой уверенностью судить о пригодности применения электровзрывных биоинертных покрытий в имплантатах.
Библиографические ссылки
Chen Q., Thouas G.A. Metallic implant bio- materials // Materials Science and Engineering: R: Reports. 2015. Vol. 87. P. 1–57.
Colic K., Sedmak A., Grbovic A., Tatic U., Sedmak S., Djordjevic B. Finite Element Modeling of Hip Implant Static Loading // Procedia Engineering. 2016. Vol. 149. P. 257–262.
Sjögren B., Iregren A., Montelius J., Yokel R.A. Aluminum. In: Handbook on the Toxicology of Metals. 2015. P. 549–564.
Assem F.L., Oskarsson A. Vanadium. In: Handbook on the Toxicology of Metals. 2015. P. 1347–1367.
Darbre P.D. Environmental oestrogens, cosmetics and breast cancer // Best Practice & Research Clinical Endocrinology & Metabolism. 2006. Vol. 20. No. 1. P. 121–143.
Jaishankar M., Tseten T., Anbalagan N., Mathew B.B., Beeregowda K.N. Toxicity, mechanism and health effects of some heavy metals // Interdisciplinary Toxicology. 2014. Vol. 7. No. 2. P. 60–72.
Rhoads L.S., Silkworth W.T., Roppolo M.L., Whitingham M.S. Cytotoxicity of nanostructured vanadium oxide on human cells in vitro // Toxicology in Vitro. 2010. Vol. 24. No. 1. P. 292–296.
Wagner J.G., Van Dyken S.J., Wierenga J.R., etc. Ozone Exposure Enhances Endotoxin-Induced Mucous Cell Metaplasia in Rat Pulmonary Airways // Toxicological Sciences. 2003. Vol. 74. No. 2. P. 437–446.
Bai Y., Deng Y., Zheng Y., etc. Characterization, corrosion behavior, cellular response and in vivo bone tissue compatibility of titaniumniobium alloy with low Young’s modulus // Materials Science and Engineering: C. 2016. Vol. 59. P. 565–576.
Calderon Moreno J.M., Vasilescu E., Drob P., etс. Surface analysis and electrochemical behavior of Ti – 20Zr alloy in simulated physio-logical fluids // Materials Science and Engineering: B. 2013. Vol. 178. No. 18. P. 1195– 1204.
Ureña J., Tsipas S., Jiménez-Morales A., Gordo E., etc. In-vitro study of the bioactivity and cytotoxicity response of Ti surfaces modified by Nb and Mo diffusion treatments // Surface and Coatings Technology. 2018. Vol. 335. P. 148–158.
Kirmanidou Y., Sidira M., Drosou M.-E., etc. New Ti-alloys and surface modifications to improve the mechanical properties and the bio-logical response to orthopedic and dental implants: A Review // BioMed Research International. 2016. Vol. 2016. Article 2908570.
Kuroda D., Niinomi M., Morinaga M., etc. Design and mechanical properties of new β type titanium alloys for implant materials // Materials Science and Engineering: A. 1998. Vol. 243. No. 1-2. P. 244–249.
Jin W., Chu P.K. Orthopedic Implants. In: Reference Module in Biomedical Sciences. 2017. 15 p.
Long M., Rack H.J. Titanium alloys in total joint replacement – a materials science perspective // Biomaterials. 1998. Vol. 19. No. 18. P. 1621–1639.
Li Y., Yang C., Zhao H., etc. New Developments of Ti-based alloys for biomedical applications // Materials. 2014. Vol. 7. No. 3. P. 1709–1800.
Denard P.J., Raiss P., Gobezie R., etc. Stress shielding of the humerus in press-fit anatomic shoulder arthroplasty: review and recommendations for evaluation // Journal of Shoulder and Elbow Surgery. 2018. Vol. 27. No. 6. P. 1139–1147.
Ivanova A.A., Surmeneva M.A., Shugurov V.V., Koval N.N., etc. Physico-mechanical properties of Ti – Zr coatings fabricated viaion-assisted arc-plasma deposition // Vacuum. 2018. Vol. 149. P. 129–133.
Ureña J., Tabares E., Tsipas S., etc. Dry sliding wear behaviour of β-type Ti – Nb and Ti – Mosurfaces designed by diffusion treatments for biomedical applications // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2018. Vol. 91. P. 335–344.
Meijer G.J., Starmans F.J.M., Putter C., etc. The influence of a flexible coating on the bone stress around dental implants // Journal of Oral Rehabilitation. 1995. Vol. 22. No. 2. P. 105–111.
Romanov D.A., Moskovskii S.V., Martusevich E.A., etc. Structural-phase state of the system “CdO-Ag coating / copper substrate” formed by electroexplosive method // Metalurgija. 2018. Vol. 57. P. 299–302.
Romanov D.A., Moskovskii S.V., Sosnin K.V., etc. Effect of electron-beam processing on structure of electroexplosive electroerosion resistant coatings of CuO-Ag system // Materials Research Express. 2019. Vol. 8. No. 6. P. 10.
Romanov D.A., Sosnin K.V., Gromov V.E., etc. Titanium-zirconium coatings formed on the titanium implant surface by the electroexplosive method // Materials Letters. 2019. Vol. 242. P. 79–82.
Limbert G., van Lierde C., Muraru O.L., etc. Trabecular bone strains around a dental implant and associated micromotions – A micro-CT-based three-dimensional finite element study // Journal of Biomechanics. 2010. Vol. 43. No. 7. P. 1251–1261.
Zhang Q.-H., Cossey A., Tong J. Stress shielding in bone of a bone-cement interface // Medical Engineering & Physics. 2016. Vol. 38. No. 4. P. 423–426.
Chugh T., Ganeshkar S.V., Revankar A.V. etc. Quantitative assessment of interradicular bone density in the maxilla and mandible: implications in clinical orthodontics // Progress in Orthodontics. 2013. Vol. 14. No. 1. P. 38.
Khan S.N., Warkhedkar R.M., Shyam A.K. Analysis of Hounsfield Unit of Human Bones for Strength Evaluation // Analysis of Houns-field Unit of Human Bones for Strength Evaluation. Procedia Materials Science. 2014. Vol. 6. P. 512–519.
Hasegawa M., Saruta J., Hirota M., etc. A Newly Created Meso-, Micro-, and Nano-Scale Rough Titanium Surface Promotes Bone-Implant Integration // International Journal of Molecular Sciences. 2020. Vol. 21. No. 3. Article 783.
Bosshardt D.D., Chappuis V., Buser D. Osseointegration of titanium, titanium alloy and zirconia dental implants: current knowledge and open questions // Periodontology. 2000. Vol. 73. No. 1. P. 22–40.
Hayes J.S., Richards R.G. Osseointegration of Permanent and Temporary Orthopedic Implants // Encyclopedia of Biomedical Engineering. 2019. P. 257–269.
