"Mostowanie kręgosłupa” – stop tytanu a polimer PEEK w zastosowaniu na międzytrzonową stabilizację kręgosłupa

• Autorzy: Ciupik L. F. , Kierzkowska A. , Sterna J. , Pieniążek J. , Cieślik-Górna M.

Warianty tytułu

EN

"Bridging of spine” – titanium alloy and polymer PEEK for intervertebral stabilization of spine

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

W implantologii kręgosłupowej stosowane są dwa typy implantów: „non-fusion” oraz „fusion”, czyli odpowiednio bez zrostu i ze zrostem kostnym. Większą grupę stanowią stabilizacje ze zrostem kostnym, dla których szybkość oraz jakość osteointegracji ma kluczowe znaczenie dla końcowego efektu leczenia. Najczęściej stosowanymi biomateriałami są stopy tytanu oraz polimer PEEK (polieteroeteroketon) o różnej topografii powierzchni 2D oraz przestrzennej konstrukcji 3D wynikających z zastosowanej obróbki wykańczającej, warstw powierzchniowych, metod wytwarzania. Wykazano, że osteointegracja zależy w dużym stopniu od m.in. odpowiedniej konfiguracji 2D i 3D, topografii, porowatości oraz energii powierzchniowej. W pracy przeanalizowano wpływ rodzaju biomateriału: stop Ti6Al4V ELI, PEEK Optima oraz technologii wytwarzania implantów: ubytkowa (PEEK, Ti), przyrostowa EBT - Electron Beam Technology (Ti-3D-Truss) na osteointegrację. Z zachowaniem analogicznych warunków procesu, jak przy produkcji implantów, przygotowano modele/próbki, które poddano badaniom biologicznym in vitro oraz in vivo na zwierzętach. Pobrane preparaty zwierzęce z modelami implantów oceniano pod kątem osteointegracji z użyciem przemysłowej tomografii rentgenowskiej CTt. Wyniki potwierdziły biokompatybilność badanych biomateriałów, a tym samym bezpieczeństwo stosowania w chirurgii kostnej. Implantowe stopy Ti6Al4V ELI w porównaniu z polimerem PEEK są korzystniejszymi biomateriałami na stabilizację międzytrzonową typu „fusion”. Polimer PEEK Optima jest dobrym materiałem w stabilizacjach typu „non-fusion”. Wykorzystanie technologii przyrostowej EBT do wytwarzania implantów z proszków Ti6Al4V ELI pozwala na uzyskanie „wulkanicznych” powierzchni oraz przestrzennych/ kratownicowych konstrukcji Ti-3D-Truss o dużym rozwinięciu powierzchniowym, które sprzyjają i przyspieszają przerost/obrost tkanki kostnej przez implant. Dotychczasowe doniesienia kliniczne wskazują na poprawę efektywności chirurgicznego leczenia, polegającego na przyspieszonym zroście kostnym w „mostowaniu” kręgosłupa z wykorzystaniem implantów międzytrzonowych typu Ti-3D-Truss.

EN

In spinal implantology there are two types of implants: “non-fusion” and “fusion”, that is without and with bone overgrowth, respectively. A larger group consists of stabilization with bone overgrowth, for which speed and quality of osseointegration is crucial for final treatment outcome. The most commonly used biomaterials are titanium alloys and polietero-eteroketon (PEEK) of different 2D surface topography and 3D spatial structure resulting from the finishing, surface layers or production methods. It has been shown that osseointegration depends largely on suitable configuration of 2D and 3D, topography, porosity and surface energy. The impact of biomaterial type: Ti6Al4V titanium alloy ELI, PEEK OPTIMA and implant production technology: deficient (PEEK, Ti), incremental EBT-Electron Beam Technology (Ti-3D-Truss) on the osseointegration were analyzed. In compliance with corresponding process conditions of implant production, models/samples were prepared and subjected to in vitro biological tests and in vivo animal tests. Collected animal specimens with implants models were tested for osseointegration with the use of CTt tomography. The results confirmed the biocompatibility of tested biomaterials, and thus safety in the bone surgery. Ti6Al4V ELI alloys compared with PEEK polymer are favourable biomaterials for “fusion” interbody stabilization. The polymer PEEK Optima is preferred material for “non-fusion” stabilizations. The use of EBT technology for implant production made of Ti6Al4V ELI powder allows to obtain “volcanic” surfaces and spatial/lattice Ti-3D-Truss structures with a large surface area which accelerate the bone over-/in-growth through the implant. Previous reports indicate improved clinical effectiveness of surgical treatment involving the accelerated bone overgrowth in the “bridging” of spine with the use of Ti-3D-Truss interbody implants.

Słowa kluczowe

PL

stabilizacja kręgosłupowa; osteointegracja; implant Ti-3D-Truss

EN

spinal stabilization; osseointegration; Ti-3D-Truss implant

• Wydawca: Polish Society for Biomaterials in Cracow
• Czasopismo: Engineering of Biomaterials
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 18, no. 133
• Strony: 14--21
• Opis fizyczny: Bibliogr. 14 poz., tab., wykr., zdj.

Twórcy

autor

Ciupik L. F.

• LfC Medical, ul. Kożuchowska 41, 65-364 Zielona Góra

autor

Kierzkowska A.

• LfC Medical, ul. Kożuchowska 41, 65-364 Zielona Góra

autor

Sterna J.

• Katedra Chorób Małych Zwierząt z Kliniką, SGGW, ul. Nowoursynowska 166, 02-787 Warszawa

autor

Pieniążek J.

• Wojewódzki Szpital Specjalistyczny nr 4 w Bytomiu, al. Legionów 10, 41-902 Bytom

autor

Cieślik-Górna M.

• IBeMT Instytut Bioinżynierii i Medycznych Technologii, ul. Muchy 2, 66-016 Czerwieńsk

Bibliografia

• [1] Ciupik L.F., Zarzycki D.: Spondyloimplantology of advanced spine treatment with DERO system, Polish DERO Group, Zielona Gora 2005.
• [2] Ciupik L.F.: “Ivy-like” mimetic mechanism of osteointegration LC for 3D-Frame Ti-alloy implants. Abstract, The 2nd International Conference Innovative Technologies in Biomedicine, Krakow 12-14.10.2015.
• [3] Kierzkowska A., Ciupik L.F., Klekiel M., Cecek J., Sterna J., Holper B.: Lumbar intervertebral fixation; acceleration of fusion with a 3D-truss Ti-trabecular implant. Abstract, 41st Congress of the Polish Society of Neurosurgeons, Bydgoszcz 06-09.06.2013.
• [4] Wierzchon T., Czarnowska E., Krupa D.: Surface engineering in manufacturing of titanium biomaterials, Publishing House of Warsaw University of Technology, Warszawa 2004.
• [5] Pilliar R.M., Lee J.M., Maniatopoulos C.: Observations on the effect of movement on bone ingrowth into porous-surfaced implants. Clin Orthop Relat Res 208 (1986) 108-113.
• [6] Yamamoto D., Kawai I., Kuroda K., Ichino R., Okido M., Seki A.: Osteoconductivity of anodized titanium with controlled micron-level surface roughness. Materials Transactions 52:8 (2011) 1650- 1654.
• [7] Ma R., Tang T.: Current strategies to improve the bioactivity of PEEK. Int. J. Mol. Sci. 15 (2014) 5426-5445.
• [8] Wang G., Zreiqat H.: Functional coatings or films for hard-tissue applications, Materials 3 (2010) 3994-4050.
• [9] Rao P.J., Pelletier M.H., Walsh W.R., Mobbs R.J.: Spine interbody implants: material selection and modification, functionalization and bioactivation of surfaces to improve osseointegration. Orthop Surg 6 (2014) 81-89.
• [10] Bertollo N., Da Assuncao R., Hancock N.J., Lau A., Walsh W.R.: Influence of electron beam melting manufactured implants on ingrowth and shear strength in an ovine model. J Arthroplasty 27 (2012) 1429-1436.
• [11] Thomsen P., Malmström J., Emanuelsson L., René M., Snis A.: Electron beam-melted, free-form-fabricated titanium alloy implants: Material surface characterization and early bone response in rabbits. J Biomed Mater Res B Appl Biomater 90 (2009) 35-44.
• [12] Murr L.E., Gaytan S.M., Martinez E., Medina F., Wicker R.B.: Next generation orthopaedic implants by additive manufacturing using electron beam melting, International Journal of Biomaterials (2012) 1-14.
• [13] Fukuda H.: Additive manufacturing technology for orthopedic implants in: M. Niinomi, T. Narushima, M. Nakai, Advances in Metallic Biomaterials (2015) 3-26.
• [14] Ciupik L.F., Kierzkowska A.: Technology-biomechanical evaluation of metal biomaterials derived by layer technology. Engineering of Biomaterials 93 (2010) 14-18.