Розробка та дослідження нового біорозчинного ливарного сплаву системи Mg–Zz–Nd для остеосинтезу

Автор(и)

  • Vadim Shalomeev Запорізький національний технічний університет вул. Жуковського, 64, м. Запоріжжя, Україна, 69063, Україна https://orcid.org/0000-0002-6091-837X
  • Nikita Aikin Запорізький національний технічний університет вул. Жуковського, 64, м. Запоріжжя, Україна, 69063, Україна https://orcid.org/0000-0001-9513-2804
  • Vadim Chorniy Запорізький державний медичний університет пр. Маяковського, 26, м. Запоріжжя, Україна, 69035, Україна https://orcid.org/0000-0002-0730-4184
  • Valeriy Naumik Запорізький національний технічний університет вул. Жуковського, 64, м. Запоріжжя, Україна, 69063, Україна https://orcid.org/0000-0002-9262-1458

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.157495

Ключові слова:

легувальні елементи, планування експерименту, границя міцності, відносне видовження, хімічний склад, оптимізація

Анотація

Проведено порівняльний аналіз існуючих матеріалів для виготовлення імплантатів, представлені їх фізико-механічні властивості, висвітлені переваги і недоліки. Показано, що магнієві сплави є одними з найбільш перспективних біорозчинних матеріалів. Вони біоінертні та біосумісні, але їх використання в остеосинтезі обмежене в основному їх недостатніми механічними властивостями через високу швидкість біодеградації, що вимагає їх поліпшення за рахунок зміни хімічного складу сплаву.

Для розробки нового біорозчинного сплаву на основі магнію, підібрані системи легування, що найкраще відповідають встановленим критеріям.

За допомогою методів планування експерименту вивчено окремий і спільний вплив цирконію, неодиму та цинку на структуроутворення і механічні властивості магнієвого сплаву. Побудовано математичні моделі, що описують вплив легуючих елементів, що досліджуються, на механічні властивості металу. З використанням отриманих рівнянь регресії проведена оптимізація хімічного складу магнієвого сплаву.

Проведено промислову і доклінічну апробації імплантатів з розробленого біорозчинного сплаву. Експерименти на тваринах підтвердили відсутність токсичного впливу продуктів деградації розробленого магнієвого сплаву на живий організм. Дослідження впливу розробленого сплаву на репаративний остегенез в експерименті на кролях показало позитивну динаміку відновлення кісткової тканини без помітних змін в її структурі, що забезпечує надійне зрощування елементів кісток при остеосинтезі.

Встановлено, що імплантати, виготовлені з розробленого сплаву, мають необхідний рівень механічних властивостей, відповідний механічним властивостям кісткової тканини. При цьому, вони нетоксичні і забезпечують надійне зрощення кісткової тканини до повної консолідації перелому. Позитивні результати проведених експериментів дозволяють зробити сприятливий прогноз про можливість застосування імплантатів з розробленого біорозчинного сплаву системи Mg-Zr-Nd у людини

Біографії авторів

Vadim Shalomeev, Запорізький національний технічний університет вул. Жуковського, 64, м. Запоріжжя, Україна, 69063

Доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри

Кафедра нарисної геометрії та комп'ютерної графіки

Nikita Aikin, Запорізький національний технічний університет вул. Жуковського, 64, м. Запоріжжя, Україна, 69063

Аспірант

Кафедра фізичного матеріалознавства

Vadim Chorniy, Запорізький державний медичний університет пр. Маяковського, 26, м. Запоріжжя, Україна, 69035

Кандидат медичних наук, доцент

Кафедра травматології та ортопедії

Valeriy Naumik, Запорізький національний технічний університет вул. Жуковського, 64, м. Запоріжжя, Україна, 69063

Доктор технічних наук, професор

Кафедра машин і технології ливарного виробництва

Посилання

  1. Hayes, J., Richards, R. (2010). The use of titanium and stainless steel in fracture fixation. Expert Review of Medical Devices, 7 (6), 843–853. doi: https://doi.org/10.1586/erd.10.53
  2. Specification for Wrought Nitrogen Strengthened 21Chromium-10Nickel-3Manganese-2.5Molybdenum Stainless Steel Alloy Bar for Surgical Implants (UNS S31675) (2013). ASTM International. doi: https://doi.org/10.1520/f1586
  3. Wu, S., Liu, X., Yeung, K. W. K., Liu, C., Yang, X. (2014). Biomimetic porous scaffolds for bone tissue engineering. Materials Science and Engineering: R: Reports, 80, 1–36. doi: https://doi.org/10.1016/j.mser.2014.04.001
  4. Muzychenko, P. F. (2012). Biomaterials technology problems in traumatology and orthopedics. Travma, 1, 94–98.
  5. Seal, C. K., Vince, K., Hodgson, M. A. (2009). Biodegradable surgical implants based on magnesium alloys – A review of current research. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 4, 012011. doi: https://doi.org/10.1088/1757-899x/4/1/012011
  6. Chen, C.-H., Shyu, V. B.-H., Chen, Y.-C., Liao, H.-T., Liao, C.-J., Chen, C.-T. (2013). Reinforced bioresorbable implants for craniomaxillofacial osteosynthesis in pigs. British Journal of Oral and Maxillofacial Surgery, 51 (8), 948–952. doi: https://doi.org/10.1016/j.bjoms.2013.07.011
  7. Vasenius, J., Vainionpää, S., Vihtonen, K., Mäkelä, A., Rokkanen, P., Mero, M., Törmälä, P. (1990). Comparison of in vitro hydrolysis, subcutaneous and intramedullary implantation to evaluate the strength retention of absorbable osteosynthesis implants. Biomaterials, 11 (7), 501–504. doi: https://doi.org/10.1016/0142-9612(90)90065-x
  8. Pihlajamaki, H., Bostman, O., Hirvensalo, E., Tormala, P., Rokkanen, P. (1992). Absorbable pins of self-reinforced poly-L-lactic acid for fixation of fractures and osteotomies. The Journal of Bone and Joint Surgery. British Volume, 74-B (6), 853–857. doi: https://doi.org/10.1302/0301-620x.74b6.1447246
  9. Lauer, G., Pradel, W., Leonhardt, H., Loukota, R., Eckelt, U. (2010). Resorbable triangular plate for osteosynthesis of fractures of the condylar neck. British Journal of Oral and Maxillofacial Surgery, 48 (7), 532–535. doi: https://doi.org/10.1016/j.bjoms.2009.10.008
  10. Bergsma, J. E., Bruijn, W. C., Rozema, F. R., Bos, R. R. M., Boering, G. (1995). Late degradation tissue response to poly(L-lactide) bone plates and screws. Biomoterials, 16 (1), 25–31. doi: https://doi.org/10.1016/0142-9612(95)91092-d
  11. Böstman, O. M. (1998). Osteoarthritis of the ankle after foreign-body reaction to absorbable pins and screws. The Journal of Bone and Joint Surgery. British Volume, 80-B (2), 333–338. doi: https://doi.org/10.1302/0301-620x.80b2.0800333
  12. Schumann, P., Lindhorst, D., Wagner, M. E. H., Schramm, A., Gellrich, N.-C., Rücker, M. (2013). Perspectives on Resorbable Osteosynthesis Materials in Craniomaxillofacial Surgery. Pathobiology, 80 (4), 211–217. doi: https://doi.org/10.1159/000348328
  13. Türesin, F., Gürsel, I., Hasirci, V. (2001). Biodegradable polyhydroxyalkanoate implants for osteomyelitis therapy: in vitro antibiotic release. Journal of Biomaterials Science, Polymer Edition, 12 (2), 195–207. doi: https://doi.org/10.1163/156856201750180924
  14. Chen, G.-Q., Wu, Q. (2005). The application of polyhydroxyalkanoates as tissue engineering materials. Biomaterials, 26 (33), 6565–6578. doi: https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2005.04.036
  15. Philip, S., Keshavarz, T., Roy, I. (2007). Polyhydroxyalkanoates: biodegradable polymers with a range of applications. Journal of Chemical Technology & Biotechnology, 82 (3), 233–247. doi: https://doi.org/10.1002/jctb.1667
  16. Berins, L. M. (2000). SPI Plastics Engineering Handbook of the Society of the Plastics Industry. Springer.
  17. Barinov, S. M. (2010). Calcium phosphate-based ceramic and composite materials for medicine. Russian Chemical Reviews, 79 (1), 13–29. doi: https://doi.org/10.1070/rc2010v079n01abeh004098
  18. Barakat, N. A. M., Khil, M. S., Omran, A. M., Sheikh, F. A., Kim, H. Y. (2009). Extraction of pure natural hydroxyapatite from the bovine bones bio waste by three different methods. Journal of Materials Processing Technology, 209 (7), 3408–3415. doi: https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2008.07.040
  19. Heise, U., Osborn, J. F., Duwe, F. (1990). Hydroxyapatite ceramic as a bone substitute. International Orthopaedics, 14 (3). doi: https://doi.org/10.1007/bf00178768
  20. Qiu, H., Yang, J., Kodali, P., Koh, J., Ameer, G. A. (2006). A citric acid-based hydroxyapatite composite for orthopedic implants. Biomaterials, 27 (34), 5845–5854. doi: https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2006.07.042
  21. Li, J., Lu, X. L., Zheng, Y. F. (2008). Effect of surface modified hydroxyapatite on the tensile property improvement of HA/PLA composite. Applied Surface Science, 255 (2), 494–497. doi: https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2008.06.067
  22. Shikinami, Y., Okuno, M. (1999). Bioresorbable devices made of forged composites of hydroxyapatite (HA) particles and poly-L-lactide (PLLA): Part I. Basic characteristics. Biomaterials, 20 (9), 859–877. doi: https://doi.org/10.1016/s0142-9612(98)00241-5
  23. Staiger, M. P., Pietak, A. M., Huadmai, J., Dias, G. (2006). Magnesium and its alloys as orthopedic biomaterials: A review. Biomaterials, 27 (9), 1728–1734. doi: https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2005.10.003
  24. Eydenzon, M. A. (1969). Magniy. Moscow: Metallurgiya, 351.
  25. Karpov, V. G., Shahov, V. P. (2001). Sistemy vneshney fiksacii i regulyatornye mekhanizmy optimal'noy biomekhaniki. Moscow: SST.
  26. Song, G. (2007). Control of biodegradation of biocompatable magnesium alloys. Corrosion Science, 49 (4), 1696–1701. doi: https://doi.org/10.1016/j.corsci.2007.01.001
  27. Witte, F., Kaese, V., Haferkamp, H., Switzer, E., Meyer-Lindenberg, A., Wirth, C. J., Windhagen, H. (2005). In vivo corrosion of four magnesium alloys and the associated bone response. Biomaterials, 26 (17), 3557–3563. doi: https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2004.09.049
  28. Song, G., Song, S. (2007). A Possible Biodegradable Magnesium Implant Material. Advanced Engineering Materials, 9 (4), 298–302. doi: https://doi.org/10.1002/adem.200600252
  29. Samarskiy, A. A., Mihaylov, A. P. (2001). Matematicheskoe modelirovanie. Moscow: Fizmatlit, 320.
  30. Velikiy, V. I., Yares’ko, K. I., Shalomeev, V. A., Tsivirko, E. I., Vnukov, Y. N. (2014). Prospective Magnesium Alloys with Elevated Level of Properties for the Aircraft Engine Industry. Metal Science and Heat Treatment, 55 (9-10), 492–498. doi: https://doi.org/10.1007/s11041-014-9660-x
  31. Shalomeev, V., Tsivirco, E., Vnukov, Y., Osadchaya, Y., Makovskyi, S. (2016). Development of new casting magnesium-based alloys with increased mechanical properties. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 4 (1 (82)), 4–10. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2016.73384
  32. GOST 2856-79. Splavy magnievye liteynye. Marki (1981). Moscow: Izdatel'stvo standartov.
  33. Xingwei, Z., Jie, D., Wencai, L., Wenjiang, D. (2011). Microstructure and mechanical properties of NZ30K alloy by semicontinuous direct chill and sand mould casting processes. China foundry, 8 (1), 41–46.
  34. Turowska, A., Adamiec, J. (2015). Mechanical Properties of WE43 Magnesium Alloy Joint at Elevated Temperature / Właściwości Mechaniczne Złączy Ze Stopu Magnezu WE43 W Podwyższonej Temperaturze. Archives of Metallurgy and Materials, 60 (4), 2695–2702. doi: https://doi.org/10.1515/amm-2015-0434
  35. Gill, L., Lorimer, G. W., Lyon, P. (2005). Microstructure/Property Relationships of Three Mg-RE-Zn-Zr Alloys. Magnesium, 421–426. doi: https://doi.org/10.1002/3527603565.ch66
  36. Koltygin, A. V. (2013). Analiz vozmozhnyh fazovyh prevrashcheniy pri kristalizacii i ih vliyanie na liteynuyu strukturu v splave ML10. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov, 8, 25–28.

##submission.downloads##

Опубліковано

2019-02-26

Як цитувати

Shalomeev, V., Aikin, N., Chorniy, V., & Naumik, V. (2019). Розробка та дослідження нового біорозчинного ливарного сплаву системи Mg–Zz–Nd для остеосинтезу. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1(12 (97), 40–48. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.157495

Номер

Том 1 № 12 (97) (2019): Матеріалознавство

Розділ

Матеріалознавство

Ліцензія

Авторське право (c) 2019 Vadim Shalomeev, Nikita Aikin, Vadim Chorniy, Valeriy Naumik

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.