The methods of perfecting the surface of titanium alloy-based endoprostheses used in pediatric oncology

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The rehabilitation of pediatric patients with oncology diseases localized in the maxillofacial area is a complex and long-term process. Most frequently, the resection area involves the maxilla or the mandible, which, in turn, impairs the functioning of the whole dentofacial system. The restoration of the integrity of the facial structures is the key task in the treatment of such patients. One of the main materials used for reconstructing the jaws is the titanium alloy. However, despite its beneficial properties and characteristics, there is a high risk of inflammation, encapsulation or failure of the endoprosthesis. The aim of the research was to analyze the data available up to date on the methods of perfecting the surfaces of titanium endoprostheses based on the published research works. After analyzing the articles devoted to the modification of the surface of titanium constructions used for endoprosthetics, for the period from 2008 until 2022 (n=41), we came to a conclusion that the modification of the surface of titanium endoprostheses results in an increase in its osteointegration, which decreases the risks of failure for the constructions.

About the authors

Elizaveta K. Gorokhova

Dmitry Rogachev National Medical Research Center of Pediatric Hematology, Oncology and Immunology

Author for correspondence.
Email: elizavetagorokhova@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-1237-0802
Russian Federation, Moscow

Nikolay M. Markov

Dmitry Rogachev National Medical Research Center of Pediatric Hematology, Oncology and Immunology

Email: markovnm@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-1063-6590
SPIN-code: 2202-2448

MD, PhD

Russian Federation, Moscow

Nikolai S. Grachev

Dmitry Rogachev National Medical Research Center of Pediatric Hematology, Oncology and Immunology

Email: nick-grachev@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-4451-3233

MD, PhD

Russian Federation, Moscow

Andrey V. Lopatin

Dmitry Rogachev National Medical Research Center of Pediatric Hematology, Oncology and Immunology

Email: and-lopatin@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-7600-6191
SPIN-code: 6341-8912

MD, PhD, Professor

Russian Federation, Moscow

Igor N. Vorozhtsov

Dmitry Rogachev National Medical Research Center of Pediatric Hematology, Oncology and Immunology

Email: Dr.Vorozhtsov@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-3932-6257
SPIN-code: 6155-9348

MD, PhD

Russian Federation, Moscow

Anna A. Dudaeva

Dmitry Rogachev National Medical Research Center of Pediatric Hematology, Oncology and Immunology

Email: dudaeva.dr@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-2438-1202
SPIN-code: 1719-7756
Russian Federation, Moscow

References

  1. Кропотов М.А., Соболевский В.А. Первичные опухоли нижней челюсти. Лечение, реконструкция и прогноз // Саркомы костей, мягких тканей и опухолей кожи. 2010. № 2. С. 9–21. [Kropotov MA, Sobolevskiy VA. Primary mandibular tumors, treatment, reconstruction and prognosis. Bone Soft Tissue Sarcomas Tumors Skin. 2010;(2):9–21]. EDN: TWKHID
  2. Martinez-Maza C, Rosas A, Nieto-Díaz M. Postnatal changes in the growth dynamics of the human face revealed from bone modelling patterns. J Anat. 2013;223(3):228–241. doi: 10.1111/joa.12075
  3. Марков Н.М., Грачев Н.С., Бабаскина Н.В., и др. Стоматологическая реабилитация в комплексном лечении детей и подростков с новообразованиями челюстно-лицевой области // Стоматология. 2020. Т. 99, № 6-2. С. 44–62. [Markov NM, Grachev NS, Babaskina NV, et al. Dental rehabilitation in the complex treatment of children and adolescents with maxillofacial neoplasms. Stomatologiya. 2020;99(6-2):44–62]. EDN: SNSPAH doi: 10.17116/stomat20209906244
  4. Aydin S, Kucukyuruk B, Abuzayed B, et al. Cranioplasty: Review of materials and techniques. J Neurosci Rural Pract. 2011;2(2):162–167. doi: 10.4103/0976-3147.83584
  5. Афанасов М.В., Лопатин А.В., Ясонов С.А., Косырева Т.Ф. Лечение пострезекционных дефектов нижней челюсти у детей // Детская хирургия. 2016. Т. 20, № 6. С. 314–319. [Afanasov MV, Lopatin AV, Yasonov SA, Kosyreva TF. Reatment of post-resection mandibular defects in children. Detskaya khirurgiya (Russian Journal of Pediatric Surgery). 2016;20(6):314–319]. EDN: XRFZCH doi: 10.18821/1560-9510-2016-20-6-314-319
  6. Kaur M, Singh K. Review on titanium and titanium based alloys as biomaterials for orthopaedic applications. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2019;102:844–862. EDN: KGICSX doi: 10.1016/j.msec.2019.04.064
  7. Cvijović-Alagić Z, Cvijović J, Maletaškić M. Rakin, initial microstructure effect on the mechanical properties of Ti-6Al-4V ELI alloy processed by high-pressure torsion. Materials Science and Engineering: A. 2018;736(6):175–192. doi: 10.1016/j.msea.2018.08.094
  8. Парфенов Е.В., Парфенова Л.В. Биомиметические покрытия на основе плазменно-электролитического оксидирования и функциональных органических молекул для имплантатов из титановых сплавов // Гены и клетки. 2022. Т. 17, № 3. С. 173–174. [Parfenov EV, Parfenova LV. Biomimetic coatings based on plasma electrolytic oxidation and functional organic molecules for implants from titanium alloy. Genes Cells. 2022;17(3):173–174]. EDN: KGJAWG
  9. Yerokhin AL, Nie X, Leyland A, et al. Plasma electrolysis for surface engineering: Materials engineering. Surface Coatings Technology. 1999;122(2-3):73–93. doi: 10.1016/S0257-8972(99)00441-7
  10. Mosab K, Siti F, Nisa N, Young GK. Recent progress in surface modification of metals coated by plasma electrolytic oxidation: Principle, structure, and performance. Progress Materials Science. 2020;117(29):100735. EDN: IRZGBE doi: 10.1016/j.pmatsci.2020.100735
  11. Zhang LC, Chen LYu, Wang L. Surface modification of titanium and titanium alloys: Technologies, developments, and future interests. Advanced Engineering Materials. 2020;22(5):2070017. EDN: KEXUWL doi: 10.1002/adem.202070017
  12. Yerokhin A, Parfenov EV, Matthews A, in situ impedance spectroscopy of the plasma electrolytic oxidation process for deposition of Ca- and P-containing coatings on Ti. Surface Coatings Technology. 2016;301:54–62. EDN: YUUVDL doi: 10.1016/j.surfcoat.2016.02.035
  13. Гнеденков С.В., Шаркеев Ю.П., Синебрюхов С.Л., и др. Кальций-фосфатные биоактивные покрытия на титане // Вестник ДВО РАН. 2010. № 5. С. 47–57. [Gnedenkov SV, Sharkeyev YP, Sinebryukhov SL, et al. Сalcium-phosphate bioactive coatings on titanium. Vestnik Far East Branch Russ Acad Sci. 2010;(5): 47–57]. EDN: OWPYCR
  14. Parfenova LV, Lukina ES, Galimshina ZR, et al. Biocompatible organic coatings based on bisphosphonic acid RGD-derivatives for PEO-modified titanium implants. Molecules. 2020;25(1):229. EDN: NQSAWM doi: 10.3390/molecules25010229
  15. Parfenov EV, Parfenova LV, Dyakonov GS, et al. Surface functionalization via PEO coating and RGD peptide for nanostructured titanium implants and there in vitro assessment. Surface Coatings Technology. 2019;357(B):669–683. EDN: GPTPDP doi: 10.1016/j.surfcoat.2018.10.068
  16. Shehadeh A, Noveau J, Malawer M, et al. Late complications and survival of endoprosthetic reconstruction after resection of bone tumors. Clin Orthop Relat Res. 2010;468:2885–2895. doi: 10.1007/s11999-010-1454-x
  17. Bohara S, Suthakorn J. Surface coating of orthopedic implant to enhance the osseointegration and reduction of bacterial colonization: A review. Biomater Res. 2022;26(1):26. EDN: EVDMWR doi: 10.1186/s40824-022-00269-3
  18. Humphreys H. Surgical site infection, ultraclean ventilated operating theatres and prosthetic joint surgery: Where now? J Hospital Infection. 2012;81(2):71–72. doi: 10.1016/j.jhin.2012.03.007
  19. Bratzler DW, Dellinger EP, Olsen KM, et al.; American Society of Health-System Pharmacists (ASHP); Infectious Diseases Society of America (IDSA); Surgical Infection Society (SIS); Society for Healthcare Epidemiology of America (SHEA). Clinical practice guidelines for antimicrobial prophylaxis in surgery. Surg Infect (Larchmt). 2013;14(1):73–156. doi: 10.1089/sur.2013.9999
  20. Illingworth KD, Mihalko WM, Parvizi J, et al. How to minimize infection and thereby maximize patient outcomes in total joint arthroplasty: A multicenter approach. AAOS exhibit selection. J Bone Joint Surg Am. 2013;95(8):e50. doi: 10.2106/JBJS.L.00596
  21. Namba RS. Risk factors associated with surgical site infection in 30,491 primary total hip replacements. J Bone Joint Surgery. British. 2012;94(10):1330–1338. doi: 10.1302/0301-620X.94B10.29184
  22. Moriarty TF, Schlegel U, Perren S, Richards RG. Infection in fracture fixation: Can we influence infection rates through implant design? J Mater Sci Mater Med. 2010;21(3):1031–1035. EDN: NSCTNG doi: 10.1007/s10856-009-3907-x
  23. Jämsen E, Furnes O, Engesaeter LB, et al. Prevention of deep infection in joint replacement surgery. Acta Orthopaedica. 2010;81(6):660–666. doi: 10.3109/17453674.2010.537805
  24. Yazici H, O’Neill MB, Kacar T, et al. Engineered chimeric peptides as antimicrobial surface coating agents toward infection-free implants. ACS Applied Materials Interfaces. 2016;8(6): 5070–5081. doi: 10.1021/acsami.5b03697
  25. Zhang L, Yan J, Yin Z, et al. Electrospun vancomycin-loaded coating on titanium implants for the prevention of implant-associated infections. Int J Nanomedicine. 2014;9(1): 3027–3036. doi: 10.2147/IJN.S63991
  26. Hirschfeld J, Akinoglu EM, Wirtz DC, et al. Long-term release of antibiotics by carbon nanotube-coated titanium alloy surfaces diminish biofilm formation by Staphylococcus epidermidis. Nanomedicine: Nanotechnology, Biology Medicine. 2017; 13(4):1587–1593. EDN: YGQVGJ doi: 10.1016/j.nano.2017.01.002
  27. Ranjous Y, Regdon G, Pintye-Hódi K, Sovány T. Standpoint on the priority of TNTs and CNTs as targeted drug delivery systems. Drug Discovery Today. 2019;24(9):1704–1709. doi: 10.1016/j.drudis.2019.05.019
  28. Applerot G, Lipovsky A, Dror R, et al. Enhanced antibacterial activity of nanocrystalline ZnO due to increased ROS-mediated cell injury. Adv Funct Mater. 2009;19(6):842–852. doi: 10.1002/adfm.200801081
  29. Miao S, Cheng K, Weng W, et al. Fabrication and evaluation of Zn containing fluoridated hydroxyapatite layer with Zn release ability. Acta Biomater. 2008;4(2):441–446. EDN: KOGUGD doi: 10.1016/j.actbio.2007.08.013
  30. Zreiqat H, Ramaswamy Y, Wu C, et al. The incorporation of strontium and zinc into a calcium-silicon ceramic for bone tissue engineering. Biomaterials. 2010;31(12):3175–3184. doi: 10.1016/j.biomaterials.2010.01.024
  31. Wu C, Ramaswamy Y, Chang J, et al. The effect of Zn contents on phase composition, chemical stability and cellular bioactivity in Zn-Ca-Si system ceramics. J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 2008;87(2):346–353. doi: 10.1002/jbm.b.31109
  32. Ramaswamy Y, Wu C, Zhou H, Zreiqat H. Biological response of human bone cells to zinc-modified Ca-Si-based ceramics. Acta Biomater. 2008;4(5):1487–1497. EDN: KOGSQP doi: 10.1016/j.actbio.2008.04.014
  33. Zhang HW, Qiao Y, Jiang X, et al. Ding, Antibacterial activity and increased bone marrow stem cell functions of Zn-incorporated TiO2 coatings on titanium. Acta Biomaterialia. 2012;8(2): 904–915. doi: 10.1016/j.actbio.2011.09.031
  34. Shimabukuro M. Antibacterial property and biocompatibility of silver, copper, and zinc in titanium dioxide layers incorporated by one-step micro-arc oxidation: A review. Antibiotics. 2020;9(10):716. doi: 10.3390/antibiotics9100716
  35. Shearier ER, Bowen PK, He W, et al. In vitro cytotoxicity, adhesion, and proliferation of human vascular cells exposed to zinc. ACS Biomater Sci Eng. 2016;2(4):634–642. doi: 10.1021/acsbiomaterials.6b00035
  36. Зайцев В.В., Карягина А.С., Лунин В.Г. Костные морфогенетические белки (ВМР): общая характеристика, перспективы клинического применения в травматологии и ортопедии // Вестник травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова. 2009. № 4. С. 79–84. [Zaitsev VV, Karyagina AS, Lunin VG. Bone morphogenetic proteins (BMPs): General characteristics, prospects of clinical application in traumatology and orthopaedics. Vestnik travmatologii i ortopedii im. N.N. Priorova. 2009;(4):79–84. (In Russ.)]
  37. Liu Z, Xu Z, Wang X, et al. Construction and osteogenic effects of 3D-printed porous titanium alloy loaded with VEGF/BMP-2 shell-core microspheres in a sustained-release system. Front Bioeng Biotechnol. 2022;10:1028278. EDN: MCLUHL doi: 10.3389/fbioe.2022.1028278
  38. Oryan A, Alidadi S, Moshiri A, Bigham-Sadegh A. Bone morphogenetic proteins: A powerful osteoinductive compound with non-negligible side effects and limitations. Biofactors. 2014;40(5):459–481. doi: 10.1002/biof.1177
  39. Ning J, Zhao Y, Ye Y, Yu J. Opposing roles and potential antagonistic mechanism between TGF-β and BMP pathways: Implications for cancer progression. EBio Medicine. 2019; 41:702–710. doi: 10.1016/j.ebiom.2019.02.033
  40. Wang MH, Zhou XM, Zhang MY, et al. BMP2 promotes proliferation and invasion of nasopharyngeal carcinoma cells via mTORC1 pathway. Aging (Albany NY). 2017;9(4):1326–1340. doi: 10.18632/aging.101230

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2024 Eco-Vector

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».