Osteointegration Characterization of Additive Manufactured Porous Titanium Scaffold Based on Microhardness and Ca/P Ratio

Additive technologies are getting widely used in orthopedics due to the opportunity of full modelling of complex cellular structures and producing personalized implants. Titanium and its alloys are still the main material used for metallic implants manufacturing. In this study microhardness and Ca/P ratio of bone tissue surrounding the implant were investigated. By means of ABAQUS software titanium porous structure implants were designed. Their biomechanical properties were close to biomechanical properties of trabecular bone tissue. Direct metal laser sintering (DMLS) was used to manufacture implants from Ti-6Al-4V titanium alloy. They were augmented in trabecular bone defects of Chinchilla rabbits for 6, 12 and 25 weeks. The samples were examined by scanning electron microscopy (SEM) in a FEG SEM ZEISS CrossBeam AURIGA and the Ca/P ratio was calculated using the accompanying Oxford Inca software. Vickers hardness test method was performed for microhardness. It was shown that there was a significant increase in both mineral and mechanical properties of bone samples with an increase of observation period. The results found in this study illustrate a distinct relationship between the mineralization parameter of bone tissue and its microhardness (r = 0.808, r2 = 0.65).     Keywords: Scaffold, Microhardness, Titanium, Ca/P ratio, Bone defect, Osteointegration, Additive manufacturin

ХИРУРГИЧЕСКОЕ ЛЕЧЕНИЕ ДВУХМЫЩЕЛКОВЫХ ПЕРЕЛОМОВ БОЛЬШЕБЕРЦОВОЙ КОСТИ

Purpose – to improve the tactics for surgical management of bicondylar tibia fractures to gain better outcomes. Materials and methods. The authors analyzed outcomes of surgical management of 69 patients within 36 months after the procedures. Two comparison groups were created to assess the effectiveness of the proposed techniques: the main group of 27 patients (39.1%) and control group of 42 patients (60.9%). In the main group the advanced and new techniques were applied (two-staged protocol of surgical correction, internal fixation with joint distraction, a combination of new L-shaped external and L-shaped internal approaches, bone grafting with b-TCP, carbon nanostructure implant and «Osteomatriks» xenograft). In the control group the conventional internal fixation was used. The difference in tibiofemoral (ΔFTA) and plateau-diaphyseal (ΔPDA) angles at various follow up stages were checked to evaluate reduction stability. P.S. Rasmussen score was used to assess the functional status and life quality of patients. Statistical methods of evaluation included parametric and non-parametric test to check confidence value of variances.Results. In 36 months postoperatively ∆FTA 5° in the main group was observed 1.97 times less than in control group (23.1% and 45.5% respectively); ∆PDA 5° in the main group was observed 1.66 times less than in control group (30.8% and 51.5% respectively). Total number of excellent and good results the main group 36 months postoperatively according to P.S. Rasmussen score was reported as 1.81 times higher than in the control group (50% and 27.6% respectively). Conclusion. The paper proves the efficiency of the proposed surgical procedure for bicondylar tibia fractures management.Цель исследования – усовершенствовать тактику хирургического лечения пациентов с двухмыщелковыми переломами большеберцовой кости. Материал и методы. Проанализированы результаты лечения 69 пациентов с двухмыщелковыми переломами большеберцовой кости (ББК) в сроки до 36 мес. после операции. Пациенты были разделены на две группы для оценки эффективности применяемых методик: основная – 27 (39,1%) пациентов и контрольная – 42 (60,9%). В основной группе применялись усовершенствованные и разработанные авторами технологические приемы оказания специализированной травматологической помощи: двухэтапная хирургическая коррекция, накостный остеосинтез в условиях дистракции сустава, комбинация новых L-образных наружного и внутреннего доступов, замещение дефектов кости β-трикальцийфосфатом и ксенопластическим материалом «Остеоматрикс». В контрольной группе выполняли традиционный погружной остеосинтез. Для оценки сохранения репозиции определяли разницу бедренно-большеберцового (ΔББУ) и плато-диафизарного (ΔПДУ) углов на различных сроках наблюдения. Для оценки функционального статуса и качества жизни пациентов применялась балльная шкала Rasmussen. Статистические методы включали оценку достоверности различий по параметрическим и непараметрическим критериям. Результаты. Через 36 мес. после операции ∆ББУ5° в основной группе встречалась в 1,97 раза реже аналогичного показателя в группе контроля (23,1% и 45,5% соответственно); а ∆ПДУ5° – реже в 1,66 раза (30,8% и 51,5% соответственно). Сумма отличных и хороших результатов в основной группе лечения по балльной шкале Rasmussen через 36 мес. после операции в 1,81 раз превышала аналогичный показатель в контрольной группе (50% и 27,6% соответственно).Заключение. Предложенная авторами тактика хирургического лечения больных с двухмыщелковыми переломами большеберцовой кости, включающая первичную стабилизацию повреждения аппаратом внешней фиксации и применение модуля АВФ во время операции, обязательное выполнение компьютерной томографии, использование наружного и внутреннего L-образного доступов, замещение костных дефектов синтетическими материалами продемонстрировала более высокую эффективость по сравнению с традиционной технологией хирургического лечения.

Характеристика костной ткани при имплантации керамического материала на основе цирконата лантана в эксперименте

Background. The ceramic based on lanthanum zirconate is characterized by optimal mechanical characteristics, low corrosion potential and the absence of cytotoxicity. Thus, the possibility of its use as bone substituting material is currently studied. The purpose of the study was to determine the mechanical, morphological and x-ray spectral characteristics of bone tissue after implantation of ceramic material based on lanthanum zirconate. Materials and methods. The experiment was conducted on 27 female guinea pigs of a single line, divided into 3 groups of 9 animals each. In the main group (LZ), lanthanum zirconate rods were implanted. In the comparison group (b-TCP), fixation was performed with b-tricalcium phosphate rods. In the native control group (NC) no surgical procedures were performed. A fracture was created in distal metadiaphysis area of femur using open osteoclasia. Animals were hatched 4, 10, and 25 weeks after the start of the experiment. Bone tissue features were studied in the perifocal region. The following methods were used: uniaxial compression, scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive x-ray microanalysis (EDxMA). The statistical analysis was performed using the Mann-Whitney test. Results. The architectonics of the newly formed bone in the LZ group appeared as a developed lacunar tubular network. The structural components of the extracellular matrix were oriented along the bone functional load vectors. The Ca/P ratio in the periimplant region of the bone in the LZ group was significantly higher than in the b-TCP and NC groups. This may indicate a high strength of the newly formed bone. Mechanical testing showed that the strength and performance of the system of “lanthanum zirconate – bone” under uniaxial compression exceeded the similar indicators in the b-TCP group. Conclusion. The synthesized new material based on lanthanum zirconate seems promising for use in traumatology and orthopedics. Although, additional studies are needed to optimize these implants integration into bone tissue.Введение. Керамика на основе цирконата лантана отличается оптимальными механическими характеристиками, низким коррозионным потенциалом и отсутствием цитотоксичности, поэтому в настоящее время изучается возможность ее применения в качестве остеозамещающего материала. Цель исследования определить механические, морфологические, рентгеноспектральные характеристики костной ткани при имплантации керамического материала на основе цирконата лантана. Материал и методы. эксперимент проведен на 27 линейных морских свинках, разделенных на 3 группы по 9 животных в каждой: в основной (ЦЛ) группе проводилась имплантация стержней из цирконата лантана, в группе сравнения фиксация производилась аналогичным стержнем из b-ТКФ, в группе нативного контроля (НК) хирургические манипуляции не проводились. Перелом создавался в области дистального метадиафиза бедренной кости методом открытой остеоклазии. Животные выводились из эксперимента через 4, 10 и 25 нед. после его начала. Исследованы особенности костной ткани перифокальной области. Использовали метод одноосного сжатия, метод растровой электронной микроскопии (РэМ), метод рентгеновского спектрального микроанализа. Статистический анализ проводили с использованием критерия Манна – Уитни. Результаты. Архитектоника новообразованной кости в группе ЦЛ представляла собой развитую лакунарно-канальцевую сеть, компоненты структуры внеклеточного матрикса ориентированы вдоль векторов функциональной нагрузки кости. Соотношение Са/Р в периимплантной области кости в группе ЦЛ было существенно выше, чем в группах b-ТКФ и НК, что может свидетельствовать о высокой прочности новообразованной кости. Механические испытания показали, что система «цирконат лантана — кость» при одноосном сжатии превышает по прочности неповрежденную костную ткань и имеет лучшие показатели по сравнению с использованием b-ТКФ для армирования повреждения. Заключение. Синтезированный новый материал на основе цирконата лантана представляется перспективным для использования в травматологии и ортопедии, однако необходимы дополнительные исследования для оптимизации интеграции имплантатов из этого материала в костную ткань