scbmtБИОМЕДИЦИНАJournal Biomed2074-59822713-0428Scientific center of biomedical technologies of Federal Medical and Biological Agency10.33647/2713-0428-19-3E-104-109scbmt-1520Research ArticleДОКЛИНИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В БИОМЕДИЦИНЕNON-CLINICAL RESEARCH IN BIOMEDICINEРазработка и доклинические испытания персонализированных пористых титановых имплантатов с биоактивными покрытиями в модельных системахDevelopment and Preclinical Trials of Castomized Porous Titanium Implants with Bioactive Coatings in Model SystemsКаралкинП. А.KaralkinP. A.

Каралкин Павел Анатольевич - кандидат медицинских наук.

119991, Москва, ул. Трубецкая, 8, стр. 2

Pavel A. Karalkin - Cand. Sci. (Med.).

119991, Moscow, Trubetskaya Str.,8–2

karalkin_p_o@staff.sechenov.ruКудринК. Г.KudrinK. G.

Кудрин Константин Геннадьевич

119991, Москва, ул. Трубецкая, 8, стр. 2; 125371, Москва, Волоколамское ш., 91

Konstantin G. Kudrin

119991, Moscow, Trubetskaya Str.,8–2; 125371, Moscow, Volokolamskoe Highway, 91

kudrin_k@rambler.ruСвятославовД. С.SvyatoslavovD. S.

Святославов Дмитрий Сергеевич - кандидат медицинских наук, доцент.

119991, Москва, ул. Трубецкая, 8, стр. 2

Dmitry S. Svyatoslavov - Cand. Sci. (Med.), Assoc. Prof.

119991, Moscow, Trubetskaya Str.,8–2

dssvyatoslavov78@mail.ruУсатовД. А.UsatovD. A.

Усатов Дмитрий Андреевич - кандидат медицинских наук, доцент.

119991, Москва, ул. Трубецкая, 8, стр. 2

Dmitry A. Usatov - Cand. Sci. (Med.), Assoc. Prof.

119991, Moscow, Trubetskaya Str.,8–2

raincod@gmail.comРешетовИ. В.ReshetovI. V.

Решетов Игорь Владимирович - кандидат медицинских наук, профессор, акад. РАН, ФГАОУ ВО «Первый МГМУ им. И.М. Сеченова» Минздрава России (Сеченовский Университет); Академия постдипломного образования ФГБУ «ФНКЦ ФМБА России».

119991, Москва, ул. Трубецкая, 8, стр. 2; 125371, Москва, Волоколамское ш., 91

Igor V. Reshetov - Dr. Sci. (Med.), Prof., Acad. of the RAS, Sechenov First MSMU of the Ministry of Health CR; Academy of Postgraduate Education under Federal Scientific and Clinical Center of the FMBAR.

119991, Moscow, Trubetskaya Str.,8–2; 125371, Moscow, Volokolamskoe Highway, 91

reshetoviv@mail.ruФГАОУ ВО «Первый Московский государственный медицинский университет им. И.М. Сеченова» Минздрава России (Сеченовский Университет)РоссияSechenov First Moscow State Medical University of the Ministry of Health Care of RussiaRussian FederationФГАОУ ВО «Первый Московский государственный медицинский университет им. И.М. Сеченова» Минздрава России (Сеченовский Университет); Академия постдипломного образования ФГБУ «Федеральный научно-клинический центр ФМБА России»РоссияSechenov First Moscow State Medical University of the Ministry of Health Care of Russia; Academy of Postgraduate Education under Federal Scientific and Clinical Center of the Federal Medical and Biological Agency of RussiaRussian Federation202321112023193E104109Copyright © Каралкин П.А., Кудрин К.Г., Святославов Д.С., Усатов Д.А., Решетов И.В., 20232023Каралкин П.А., Кудрин К.Г., Святославов Д.С., Усатов Д.А., Решетов И.В.Karalkin P.A., Kudrin K.G., Svyatoslavov D.S., Usatov D.A., Reshetov I.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://journal.scbmt.ru/jour/article/view/1520

Разработана технология создания персонализированных пористых титановых имплантатов с биоактивными покрытиями, изготавливаемых с применением аддитивных технологий. Этапы создания имплантата включают получение первичных данных из области костного дефекта с помощью компьютерной томографии; 3D-моделирование области дефекта и соответствующего ей имплантата; изготовление персонализированного имплантата из титановых сплавов с использованием технологии селективного лазерного сплавления; нанесение биоактивных покрытий. Создаваемый персонализированный имплантат может иметь несколько функциональных структур. Проведены всесторонние испытания образцов титановых имплантатов с биоактивными покрытиями. Математическое моделирование и технические испытания позволили установить соответствие механических свойств разработанных структур натуральной костной ткани. Испытания in vitro показали отсутствие острой токсичности при высоких показателях биосовместимости исследованных образцов. Одобренные локальными этическими комитетами испытания in vivo на кроликах породы Советская шиншилла и обезьянах вида павиан анубис показали адекватные биомеханические и высокие остеоиндуктивные свойства исследованных образцов. Успешные результаты доклинических исследований, а также проведение токсикологических и технических испытаний в сертифицированных лабораториях позволили сформировать регистрационное досье для государственной регистрации персонализированных пористых титановых имплантатов с биоактивными покрытиями, изготавливаемых с применением аддитивных технологий.

This paper presents a technology for creating customized porous titanium implants with bioactive coatings, manufactured using additive technologies. The stages of creating an implant include obtaining primary data from the bone defect area using computed tomography; 3D modeling of the defect area and the corresponding implant; production of a customized implant from titanium alloys using selective laser fusion technology; application of bioactive coatings. The as-created customized implant can have several functional structures. Samples of titanium implants with bioactive coatings were subjected to extensive testing. Mathematical modeling and experiments were used to verify the correspondence of the mechanical properties of the developed structures to natural bone tissue. In vitro tests of the studied samples showed the absence of acute toxicity along with high levels of biocompatibility. In vivo tests of the studied samples on Soviet chinchilla rabbits and Anubis baboon monkeys approved by local ethical committees showed their adequate biomechanical and high osteoinductive properties. The successful results of preclinical studies, as well as toxicological and technical tests in certified laboratories, made it possible to create a registration dossier for state registration of customized porous titanium implants with bioactive coatings, manufactured using additive technologies.

персонализированные пористые титановые имплантатыбиоактивные покрытияаддитивные технологииpersonalized porous titanium implantsbioactive coatingsadditive technologiesработа выполнена в рамках НИОКР, финансируемой ЧУ «Наука и инновации» (ГК «Росатом»)the work was carried out within the framework of R&D funded by the PI “Science and Innovation” (“Rosatom”)ReferencesDavis R., Singh A., Jackson M.J., Coelho R.T., Prakash D., Charalambous C.P., Ahmed W., da Silva L.R.R., Lawrence A.A. A comprehensive review on metallic implant biomaterials and their subtractive manufacturing. Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2022;120:1473–1530. DOI: 10.1007/s00170-022-08770-8.Davis R., Singh A., Jackson M.J., Coelho R.T., Prakash D., Charalambous C.P., Ahmed W., da Silva L.R.R., Lawrence A.A. A comprehensive review on metallic implant biomaterials and their subtractive manufacturing. Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2022;120:1473–1530. DOI: 10.1007/s00170-022-08770-8.Juncar M., Tent P.A., Juncar R.I., Harangus A., Mircea R. An epidemiological analysis of maxillofacial fractures: a 10-year cross-sectional cohort retrospective study of 1007 patients. BMC Oral Health. 2021;21(1):128. DOI: 10.1186/s12903-021-01503-5.Juncar M., Tent P.A., Juncar R.I., Harangus A., Mircea R. An epidemiological analysis of maxillofacial fractures: a 10-year cross-sectional cohort retrospective study of 1007 patients. BMC Oral Health. 2021;21(1):128. DOI: 10.1186/s12903-021-01503-5.Narayanan R., Seshadri S.K., Kwon T.Y., Kim K.H. Calcium phosphate-based coatings on titanium and its alloys. J. Biomed. Mater. Res. B Appl. Biomater. 2008;85(1):279–299. DOI: 10.1002/jbm.b.30932.Narayanan R., Seshadri S.K., Kwon T.Y., Kim K.H. Calcium phosphate-based coatings on titanium and its alloys. J. Biomed. Mater. Res. B Appl. Biomater. 2008;85(1):279–299. DOI: 10.1002/jbm.b.30932.Park J., Zobaer T., Sutradhar A.A. Two-Scale MultiResolution Topologically Optimized Multi-Material Design of 3D Printed Craniofacial Bone Implants. Micromachines. 2021;12:101. DOI: 10.3390/mi12020101.Park J., Zobaer T., Sutradhar A.A. Two-Scale MultiResolution Topologically Optimized Multi-Material Design of 3D Printed Craniofacial Bone Implants. Micromachines. 2021;12:101. DOI: 10.3390/mi12020101.Xue T., Attarilar S., Liu S., Liu J., Song X., Li L., Zhao B., Tang Y. Surface Modification Techniques of Titanium and its Alloys to Functionally Optimize Their Biomedical Properties. Front. Bioeng. Biotechnol. 2020;8:603072. DOI: 10.3389/fbioe.2020.603072.Xue T., Attarilar S., Liu S., Liu J., Song X., Li L., Zhao B., Tang Y. Surface Modification Techniques of Titanium and its Alloys to Functionally Optimize Their Biomedical Properties. Front. Bioeng. Biotechnol. 2020;8:603072. DOI: 10.3389/fbioe.2020.603072.Yang J., Liu C., Sun H., Liu Y., Liu Z., Zhang D., Zhao G., Wang Q., Yang D. The progress in titanium alloys used as biomedical implants: From the view of reactive oxygen species. Front. Bioeng. Biotechnol. 2022;10:1092916. DOI: 10.3389/fbioe.2022.1092916.Yang J., Liu C., Sun H., Liu Y., Liu Z., Zhang D., Zhao G., Wang Q., Yang D. The progress in titanium alloys used as biomedical implants: From the view of reactive oxygen species. Front. Bioeng. Biotechnol. 2022;10:1092916. DOI: 10.3389/fbioe.2022.1092916.Zumofen L., Kopanska K.S., Bono E., Kirchheim A., De Haller E.B., Graf-Hausner U. Properties of Additive-Manufactured Open Porous Titanium Structures for Patient-Specific Load-Bearing Implants. Front. Mech. Eng. 2022;7:830126. DOI: 10.3389/fmech.2021.830126.Zumofen L., Kopanska K.S., Bono E., Kirchheim A., De Haller E.B., Graf-Hausner U. Properties of Additive-Manufactured Open Porous Titanium Structures for Patient-Specific Load-Bearing Implants. Front. Mech. Eng. 2022;7:830126. DOI: 10.3389/fmech.2021.830126.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.