ISSN 1995-2732 (Print), 2412-9003 (Online)
УДК 538.951 : 616.31
DOI: 10.18503/1995-2732-2022-20-1-71-82
Аннотация
Постановка задачи (актуальность работы). Помимо агрессивной внутренней среды организма человека, на долговечность импланта влияет адаптивная перестройка костной ткани, при которой концентрация напряжения локализуется внутри объема импланта возле границы с костной тканью, что приводит к расшатыванию и выходу импланта из строя, несмотря на то, что фактически поверхностный слой импланта остается неповреждённым. Существуют свидетельства, что покрытия с низким модулем Юнга способствуют изменению распределения нагрузок между имплантом 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. Используемые методы. Для оценки влияния биоинертных покрытий систем Ti-Zr и Ti-Nb на распределение напряжений в программе COMSOL Multiphysics® версии 5.5 была разработана двумерная модель. Новизна. В настоявшей работе впервые было проведено компьютерное моделирование напряженно-деформированного состояния костной ткани, расположенной возле имплантата, с нанесенным на его поверхность электровзрывным покрытием системы Ti-Zr или Ti-Nb. Результат. 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. Практическая значимость. Несмотря на простоту изученных моделей, можно с большой уверенностью судить о пригодности применения электровзрывных биоинертных покрытий в имплантатах.
Ключевые слова
биоинертные покрытия, компьютерное моделирование, электровзрывное напыление, титан, цирконий, ниобий, напряжение.
Работа выполнена в рамках государственного задания 0809-2021-0013.
Для цитирования
Филяков А.Д., Романов Д.А., Будовских Е.А. Влияние биоинертных электровзрывных покрытий на распределение напряжений на границе раздела имплант-кость // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2022. Т. 20. №1. С. 71–82. https://doi.org/10.18503/1995-2732-2022-20-1-71-82
1. Chen Q., Thouas G.A. Metallic implant biomaterials // Materials Science and Engineering: R: Reports. 2015. V. 87. 87 p.
2. Finite Element Modeling of Hip Implant Static Loading / K.Colic, A. Sedmak, A. Grbovic, et al // Procedia Engineering. 2016. V. 149. P. 257–262.
3. Sjögren B., Iregren A., Montelius J. Aluminum // Handbook on the Toxicology of Metals. 2015. P. 549–564.
4. Assem F.L., Oskarsson A. Vanadium // Handbook on the Toxicology of Metals. 2015. P. 1347–1367.
5. Darbre P.D. Environmental oestrogens, cosmetics and breast cancer // Best Practice & Research Clinical Endocrinology & Metabolism. 2006. V. 20. № 1. P. 121–143.
6. Jaishankar M., Tseten T., Anbalagan N. et al. Toxicity, mechanism and health effects of some heavy metals // Interdisciplinary Toxicology. 2014. V. 7. № 2. P. 60–72.
7. Rhoads L.S., Silkworth W.T., Roppolo M.L. et al. Cytotoxicity of nanostructured vanadium oxide on human cells in vitro // Toxicology in Vitro. 2010. V. 24. № 1. P. 292–296.
8. Wagner J.G., Van Dyken S.J., Wierenga J.R. et al. Ozone Exposure Enhances Endotoxin-Induced Mucous Cell Metaplasia in Rat Pulmonary Airways // Toxicological Sciences. 2003. V. 74. № 2. P. 437–446.
9. Bai Y.I., Deng Y., Zheng Y. et al. Characterization, corrosion behavior, cellular response and in vivo bone tissue compatibility of titanium–niobium alloy with low Young’s modulus // Materials Science and Engineering: C. 2016. V. 59. P. 565–576.
10. Calderon Moreno J.M., Vasilescu E., Drob P. et al. Surface analysis and electrochemical behavior of Ti–20Zr alloy in simulated physiological fluids // Materials Science and Engineering: B. 2013. V. 178. № 18.
P. 1195–1204.11. Ureña J., Tsipas S., Jiménez- A. Morales, Gordo E. et al. In-vitro study of the bioactivity and cytotoxicity response of Ti surfaces modified by Nb and Mo diffusion treatments // Surface and Coatings Technology. 2018.
V. 335. P. 148–158.12. Kirmanidou Y., Sidira M., Drosou M.-E. et al. New Ti-alloys and surface modifications to improve the mechanical properties and the biological response to orthopedic and dental implants: A Review // BioMed Research International. 2016. P. 1–21.
13. Kuroda D., Niinomi M., Morinaga M.et al Design and mechanical properties of new β type titanium alloys for implant materials // Materials Science and Engineering: A. 1998. V. 243. №. 1–2. P. 244–249.
14. Jin W., Chu P.K. Orthopedic Implants // Reference Module in Biomedical Sciences. 2017. 15 p.
15. Long M., Rack H. Titanium alloys in total joint replacement – a materials science perspective // Biomaterials. 1998. V. 19. № 18. P. 1621–1639.
16. Li Y., Yang C., Zhao H. et al. New Developments of Ti-based alloys for biomedical applications // Materials. 2014. V. 7. № 3. P. 1709–1800.
17. Denard P.J., Raiss P., Gobezie R. et al Stress shielding of the humerus in press-fit anatomic shoulder arthroplasty: review and recommendations for evaluation // Journal of Shoulder and Elbow Surgery. 2018. V. 27. № 6. P. 1139–1147.
18. Ivanova A.A., M.A. Surmeneva, Shugurov V.V., Koval N.N. et al. Physico-mechanical properties of Ti-Zr coatings fabricated via ion-assisted arc-plasma deposition // Vacuum. 2018. V. 149. P. 129–133.
19. Ureña J., Tabares E., Tsipas S. et al. Dry sliding wear behaviour of β-type Ti-Nb and Ti-Mo surfaces designed by diffusion treatments for biomedical applications // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2018. V. 91. P. 335–344.
20. Meijer G.J., Starmans F.J.M., Putter C. et al The influence of a flexible coating on the bone stress around dental implants // Journal of Oral Rehabilitation. 1995. Vol. 22. № 2. P. 105–111.
21. Romanov D.A., Moskovskii S.V., Martusevich E.A. et al. Structural-phase state of the system “CdO-Ag coating / copper substrate” formed by electroexplosive method // Metalurgija. 2018. V. 57. P. 299–302.
22. Effect of electron-beam processing on structure of electroexplosive electroerosion resistant coatings of CuO-Ag system / D.A. Romanov, S.V. Moskovskii, K.V. Sosnin, et al // Materials Research Express. 2019. V. 8. № 6. 10 p.
23. Romanov D.A., Sosnin K.V., Gromov V.E. et al. Titanium-zirconium coatings formed on the titanium implant surface by the electroexplosive method // Materials Letters. 2019. Vol. 242. P. 79–82.
24. Limbert G., C. van Lierde, Muraru O.L. et al. Trabecular bone strains around a dental implant and associated micromotions – A micro-CT-based three-dimensional finite element study // Journal of Biomechanics. 2010. V. 43. № 7. P. 1251–1261.
25. Zhang Q.-H., Cossey A., Tong J. Stress shielding in bone of a bone-cement interface // Medical Engineering & Physics. 2016. V. 38. №. 4. P. 423–426.
26. Chugh T., Ganeshkar S.V., Revankar A.V. et al. Quantitative assessment of interradicular bone density in the maxilla and mandible: implications in clinical orthodontics // Progress in Orthodontics. 2013. V. 14. №. 1. 38 p.
27. Khan S.N., Warkhedkar R.M., Shyam A.K. Analysis of Hounsfield Unit of Human Bones for Strength Evaluation // Analysis of Hounsfield Unit of Human Bones for Strength Evaluation. Procedia Materials Science. 2014. V. 6. P. 512–519.
28. Hasegawa M., Saruta J., Hirota M. et al. A Newly Created Meso-, Micro-, and Nano-Scale Rough Titanium Surface Promotes Bone-Implant Integration // International Journal of Molecular Sciences. 2020. V. 21 № 783. 17 p.
29. Bosshardt D.D., Chappuis V., Buser D. Osseointegration of titanium, titanium alloy and zirconia dental implants: current knowledge and open questions // Periodontology 2000. 2006. V. 73 № 1. P. 22–40.
30. Hayes J.S., Richards R.G. Osseointegration of Permanent and Temporary Orthopedic Implants // Encyclopedia of Biomedical Engineering. 2019. P. 257–269.