Биодеградация резорбируемых магниевых сплавов, перспективных для разработки эндопротезов, in vitro

Цель исследования — изучить характер и скорость биодеградации магниевых сплавов in vitro.

Материалы и методы. Исследовали биодеградацию магниевых сплавов Mg-Zn-Ca и WE43 (Mg-Y-Nd-Zr) в гомогенизированном (исходном) и упрочненном посредством механической обработки равноканальным угловым прессованием (РКУП) состояниях. Образцы инкубировали в модельной системе на основе стандартизированной фетальной телячьей сыворотки (ФТС) в статическом и динамическом режимах. Морфологию поверхности сплавов изучали с помощью световой микроскопии и компьютерной томографии. Биодеградацию оценивали посредством расчета потери массы за определенный период времени инкубации. Стимуляцию клеточной адгезии и колонизации определяли по клеточному индексу (CI) на анализаторе xCELLigence RTCA Systems (ACEA Biosciences, Inc., США) в процессе инкубации сплавов на основе WE43 и клеток линии HEK 293.

Результаты. Упрочнение магниевых сплавов Mg-Zn-Ca и WE43 методом РКУП и, как следствие, изменение их структуры приводит к ускорению процесса биодеградации примерно в 8 раз. Во время инкубации в ФТС в различных режимах обнаружено, что инкубация сплавов в токе жидкости приводила к ускорению процесса биодеградации более чем в 2 раза. Процесс биодеградации сопровождался локальной коррозией, но деградация имела краевой характер, т.е. была преимущественно сосредоточена по краям образцов, стимулируя клеточную адгезию и колонизацию. Такой характер деградации, как правило, не приводит к анизотропии прочностных свойств сплавов, что важно для материалов медицинского назначения. Поверхностная деструкция сплавов без изменений их рентгеновской плотности по толщине образцов подтверждена данными компьютерной томографии.

Заключение. Исследование скорости и характера биодеградации магниевых сплавов Mg-Zn-Ca и WE43 показало, что эти материалы в обоих структурных состояниях могут быть использованы для создания костных имплантатов и крепежных элементов.

1. Han H.S., Loffredo S., Jun I., Edwards J., Kim Y.C., Seok H.K., Witte F., Mantovani D., Glyn-Jones S. Current status and outlook on the clinical translation of biodegradable metals. Mater Today 2019; 23: 57–71, https://doi.org/10.1016/j.mattod.2018.05.018.
2. Li X., Liu X., Wu S., Yeung K.W.K., Zheng Y., Chu P.K. Design of magnesium alloys with controllable degradation for biomedical implants: from bulk to surface. Acta Biomater 2016; 45: 2–30, https://doi.org/10.1016/j.actbio.2016.09.005.
3. Kiselevsky М.V., Anisimova N.Yu., Polotsky B.Е., Martynenko N.S., Lukyanova Е.А., Sitdikova S.М., Dobatkin S.V., Estrin Yu.Z. Biodegradable magnesium alloys as promising materials for medical applications (review). Sovremennye tehnologii v medicine 2019; 11(3): 146–157, https://doi.org/10.17691/stm2019.11.3.18.
4. Zheng Y.F., Gu X.N., Witte F. Biodegradable metals. Mater Sci Eng R Rep 2014; 77: 1–34, https://doi.org/10.1016/j.mser.2014.01.001.
5. Фигурска М. Структура компактной костной ткани. Рос­сийский журнал биомеханики 2007; 11(3): 28–38.
6. Li G., Yang H., Zheng Y., Chen X.H., Yang J.A., Zhu D., Ruan L., Takashima K. challenges in the use of zinc and its alloys as biodegradable metals: perspective from biomechanical compatibility. Acta Biomater 2019; 97: 23–45, https://doi.org/10.1016/j.actbio.2019.07.038.
7. Chu P.W., Mire E.L., Marquis E.A. Microstructure of localized corrosion front on Mg alloys and the relationship with hydrogen evolution. Corros Sci 2017; 128: 253–264, https://doi.org/10.1016/j.corsci.2017.09.022.
8. Zhang F., Ma A., Song D., Jiang J., Lu F., Zhang L., Yang D., Chen J. Improving in-vitro biocorrosion resistance of Mg-Zn-Mn-Ca alloy in Hank’s solution through addition of cerium. J Rare Earth 2015; 33(1): 93–101, https://doi.org/10.1016/S1002-0721(14)60388-4.
9. Kulyasova O.B., Islamgaliev R.K., Parfenov E.V., Zheng Y.F., Valiev R.Z. Microstructure, mechanical and corrosion properties of ultrafine-grained Mg-2%Sr alloy. IOP Conf Ser Mater Sci Eng 2018; 380: 012014, https://doi.org/10.1088/1757-899X/380/1/012014.
10. Liu D., Yang D., Li X., Hu S. Mechanical properties, corrosion resistance and biocompatibilities of degradable Mg-RE alloys: a review. J Mater Res Technol 2019; 8(1): 1538–1549, https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2018.08.003.
11. Linderov M., Vasilev E., Merson D., Markushev M., Vinogradov A. Corrosion fatigue of fine grain Mg-Zn-Zr and Mg-Y-Zn alloys. Metals 2018; 8(1): 20, https://doi.org/10.3390/met8010020.
12. Kirkland N.T., Birbilis N., Staiger M.P. Assessing the corrosion of biodegradable magnesium implants: a critical review of current methodologies and their limitations. Acta Biomater 2012; 8(3): 925–936, https://doi.org/10.1016/j.actbio.2011.11.014.
13. Cao F., Song G.L., Atrens A. Corrosion and passivation of magnesium alloys. Corros Sci 2016; 111: 835–845, https://doi.org/10.1016/j.corsci.2016.05.041.
14. Song G., Atrens A., StJohn D. An hydrogen evolution method for the estimation of the corrosion rate of magnesium alloys. In: Magnesium technology. Hryn J.N. (editor). Warrendale, PA: TMS; 2001; p. 254–262, https://doi.org/10.1002/9781118805497.ch44.
15. Song Y., Shan D., Han E.H. Pitting corrosion of a rare earth Mg alloy GW93. J Mater Sci Technol 2017; 33(9): 954–960, https://doi.org/10.1016/j.jmst.2017.01.014.
16. Wei L., Li J., Zhang Y., Lai H. Effects of Zn content on microstructure, mechanical and degradation behaviors of Mg-xZn-0.2Ca-0.1Mn alloys. Mater Chem Phys 2020; 241: 122441, https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2019.122441.
17. Moussa M.E., Mohamed H.I., Waly M.A., Al-Ganainy G.S., Ahmed A.B., Talaat M.S. Comparison study of Sn and Bi addition on microstructure and bio-degradation rate of as-cast Mg-4wt% Zn alloy without and with Ca-P coating. J Alloy Compd 2019; 792: 1239–1247, https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.03.363.
18. Martynenko N.S., Lukyanova E.A., Serebryany V.N., Gorshenkov M.V., Shchetinin I.V., Raab G.I., Dobatkin S.V., Estrin Y. Increasing strength and ductility of magnesium alloy WE43 by equal-channel angular pressing. Mater Sci Eng A 2018; 712: 625–629, https://doi.org/10.1016/j.msea.2017.12.026.
19. Martynenko N., Lukyanova E., Serebryany V., Prosvirnin D., Terentiev V., Raab G., Dobatkin S., Estrin Y. Effect of equal channel angular pressing on structure, texture, mechanical and in-service properties of a biodegradable magnesium alloy. Mater Lett 2019; 238: 218–221, https://doi.org/10.1016/j.matlet.2018.12.024.
20. Tie D., Feyerabend F., Hort N., Hoeche D., Kainer K.U., Willumeit R., Mueller W.D. In vitro mechanical and corrosion properties of biodegradable Mg–Ag alloys. Mater Corros 2014; 65(6): 569–576, https://doi.org/10.1002/maco.201206903.
21. Marco I., Feyerabend F., Willumeit-Römer R., Van der Biest O. Degradation testing of Mg alloys in Dulbecco’s modified eagle medium: influence of medium sterilization. Mater Sci Eng C 2016; 62: 68–78, https://doi.org/10.1016/j.msec.2016.01.039.
22. Thomas S., Medhekar N.V., Frankel G.S., Birbilis N. Corrosion mechanism and hydrogen evolution on Mg. Curr Opin Solid State Mater Sci 2015;19(2): 85–94, https://doi.org/10.1016/j.cossms.2014.09.005.

Martynenko N.S., Anisimova N.Y., Kiselevskiy M.V., Temralieva D.R., Raab G.I., Kornyushenkov E.A., Rodionov M.V., Dobatkin S.V., Estrin Y.Z. In vitro Biodegradation of Resorbable Magnesium Alloys Promising for Implant Development. Sovremennye tehnologii v medicine 2020; 12(6): 47, https://doi.org/10.17691/stm2020.12.6.06