Evaluation of the elemental composition and radiological density of bone tissue when replacing a metaphyseal defect with bioceramic phosphate-silicate granules (experimental study)

封面

如何引用文章

全文:

开放存取 开放存取
受限制的访问 ##reader.subscriptionAccessGranted##
受限制的访问 订阅存取

详细

Background: It is known that bioceramic implants containing various calcium or silicon compounds in isolation demonstrate osteoconductive effect in the replacement of post-traumatic bone defects. The combined use of these elements in single material should potentiate the organotypic filling of the bone cavity by creating favorable ion microenvironment and staged biodegradation.

AIM: To identify the correlation of radiological indicators of the density of newly formed bone tissue and content of micro- and macronutrients in a bone defect when it is replaced by bioceramics with various mass ratio of calcium phosphate and silicate.

MATERIALS AND METHODS: The study was performed on male rabbits of the “white giant” breed, which, after receiving a standardized delimited metaphysical bone defect, implants with variable ratio of calcium phosphate and calcium silicate (in proportions of 40/60, 50/50 and 60/40 wt. %) were used to replace it. The results were evaluated using multispiral computed tomography and scanning electron microscopy energy dispersive analysis with detection by the method of correlation analysis of possible connections between the obtained data.

RESULTS: Quantitative indicators of calcium and phosphorus content in bone regenerate in all groups increased mainly in the period from 30 to 60 days, and silicon content, reaching maximum amounts by the 30th day of the experiment, subsequently decreased monotonously, which showed participation of this element in the starting regenerative processes, and its decrease served as a marker of organotypic restructuring. In the elemental analysis of newly formed bone tissue during implantation of bioceramics containing phosphate and calcium silicate in the proportion of 60/40 wt. %. The highest amounts of calcium, phosphorus and silicon and the highest density of newly formed bone tissue were noted, which had direct correlation, and this pattern was observed both in the early stages (30 days) and throughout the experimental study.

CONCLUSION: Analyzing the data obtained, it can be concluded that it is advisable to study the features of the course of reparative osteogenesis depending on the ionic environment, as well as the high potential of using synthetic bioceramics in general and the prospects of using implants on the basis of phosphate-silicate composites for bone defects replacement.

作者简介

Andrey Rozhdestvenskiy

Omsk State Medical University

编辑信件的主要联系方式.
Email: Rozhdestvensky@bk.ru
ORCID iD: 0000-0002-9566-6926
SPIN 代码: 3348-5229

MD

俄罗斯联邦, 56 Serova str., 644020 Omsk

German Dzuba

Omsk State Medical University

Email: germanort@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-4292-213X
SPIN 代码: 3290-2830

MD, Dr. Sci. (Medicine), associate professor

俄罗斯联邦, 56 Serova str., 644020 Omsk

Denis Polonyankin

Omsk State Technical University

Email: apolonyankin@omgtu.ru
ORCID iD: 0000-0001-6799-3105
SPIN 代码: 8251-9838

Cand. Sci. (Pedagogy)

俄罗斯联邦, Omsk

参考

  1. Shteinle AV. Posttraumatic regeneration of bone tissue (part 1). Siberian Medical Journal. 2009;4(1):101–108. EDN: KZFTDH
  2. Borzunov DYu. Non-free bone grafting according to G.A. Ilizarov in the problem of rehabilitation of patients with long bones defects and pseudoarthroses. Genij Ortopedii. 2011;(2):21–26. EDN: OGCTHL
  3. Bokov AE, Mlyavykh SG, Shirokova NY, et al. Current Trends in the Development of Materials for Bone Grafting and Spinal Fusion (Review). Modern Technologies in Medicine. 2018;10(4):203–219. doi: 10.17691/stm2018.10.4.24
  4. Putliayev VI. Modern bioceramic materials. Sorov education journal. 2004;8(1):44–50.
  5. Zhou P, Xia D, Ni Z, et al. Calcium silicate bioactive ceramics induce osteogenesis through oncostatin M. Bioact Mater. 2020;6(3):810–822. doi: 10.1016/j.bioactmat.2020.09.018
  6. Persikov AV, Brodsky B. Unstable molecules form stable tissues. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2002;99(3):1101–1103. doi: 10.1073/pnas.042707899
  7. Gromova OA, Troshin Iyu, Limanova OA. Calcium and its synergists in supporting the structure of connective and bone tissue. Attending doctor. 2014;(5):69. EDN: SCPKLN
  8. Mu Y, Du Z, Xiao L, et al. The Localized Ionic Microenvironment in Bone Modelling/Remodelling: A Potential Guide for the Design of Biomaterials for Bone Tissue Engineering. J Funct Biomater. 2023;14(2):56. doi: 10.3390/jfb14020056
  9. Gharbi A, Oudadesse H, El Feki H, et al. High Boron Content Enhances Bioactive Glass Biodegradation. J Funct Biomater. 2023;14(7):364. doi: 10.3390/jfb14070364
  10. Jugdaohsingh R. Silicon and bone health. J Nutr Health Aging. 2007;11(2):99–110.
  11. Zhou B, Jiang X, Zhou X, et al. GelMA-based bioactive hydrogel scaffolds with multiple bone defect repair functions: therapeutic strategies and recent advances. Biomater Res. 2023;27(1):86. doi: 10.1186/s40824-023-00422-6
  12. Skripnikova IA, Guriev AV. Micronutrients in the prevention of osteoporosis: focus on silicon. Osteoporosis and osteopathy. 2014;17(2):36–40. doi: 10.14341/osteo2014236-40
  13. Ros-Tárraga P, Mazón P, Revilla-Nuin B, et al. High temperature CaSiO3-Ca3(PO4)2 ceramic promotes osteogenic differentiation in adult human mesenchymal stem cells. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2020;(107):110355. doi: 10.1016/j.msec.2019.110355
  14. Misch CE, Kircos LT. Diagnostic imaging and techniques. In: Misch C.E., editor. Contemporary Implant Dentistry. 2nd ed. Mosby; St. Louis; 1999. Р. 73–87.
  15. Rozhdestvenskiy AA, Dzuba GG, Erofeev SA, et al. Reparative regeneration when replacing a bone defect with a synthetic granular implant based on various combinations of calcium phosphate and silicate. Polytrauma. 2023;(4):63–71. EDN: BVAOQD
  16. Kupka JR, Sagheb K, Al-Nawas B, Schiegnitz E. The Sympathetic Nervous System in Dental Implantology. J Clin Med. 2023;12(8):2907. doi: 10.3390/jcm1208290
  17. Takayama T, Imamura K, Yamano S. Growth Factor Delivery Using a Collagen Membrane for Bone Tissue Regeneration. Biomolecules. 2023;13(5):809. doi: 10.3390/biom13050809
  18. Koritkin AA, Zukin AA, Zakharova DV, Novikova YaS. The use of platelet-rich plasma in replacing the focus of avascular necrosis of the femoral head with allografts. Traumatology and orthopedics of Russia. 2018;24(1):115–122. doi: 10.21823/2311-2905-2018-24-1-115-122
  19. Blazgenko AN, Rodin IA, Ponkina O, et al. Influence of A-PRP-therapy on reparative regeneration of bone tissue in fresh limb fractures. Innovative medicine of Kuban. 2019;3(15):32–38. doi: 10.35401/2500-0268-2019-15-3-32-38
  20. Wang Y, Kim J, Chan A, Whyne C, Nam D. A two-phase regulation of bone regeneration: IL-17F mediates osteoblastogenesis via C/EBP-β in vitro. Bone. 2018;116:47–57. doi: 10.1016/j.bone.2018.07.007
  21. Monageng E, Offor U, Takalani NB, Mohlala K, Opuwari CS. A Review on the Impact of Oxidative Stress and Medicinal Plants on Leydig Cells. Antioxidants (Basel). 2023;12(8):1559. doi: 10.3390/antiox12081559
  22. Dedov II, Melnichenko GA. Endocrinology. Moscow: GEOTAR-Media; 2019. 1112 p.
  23. Gao M, Du Z, Dong Q, Su S, Tian L. DAP1 regulates osteoblast autophagy via the ATG16L1-LC3 axis in Graves’ disease-induced osteoporosis. J Orthop Surg Res. 2023;18(1):711. doi: 10.1186/s13018-023-04171-z
  24. Miromanov AM, Gusev KA. Hormonal regulation of osteogenesis: a review of the literature. Traumatology and orthopedics of Russia. 2021;27(4):120–130. doi: 10.21823/2311-2905-1609
  25. Aguilar A, Gifre L, Ureña-Torres P, et al. Pathophysiology of bone disease in chronic kidney disease: from basics to renal osteodystrophy and osteoporosis. Front Physiol. 2023;14:1177829. doi: 10.3389/fphys.2023.1177829
  26. Hwang J, Lee SY, Jo CH. Degenerative tendon matrix induces tenogenic differentiation of mesenchymal stem cells. J Exp Orthop. 2023;10(1):15. doi: 10.1186/s40634-023-00581-4
  27. Xu B, Wang X, Wu C, et al. Flavonoid compound icariin enhances BMP-2 induced differentiation and signalling by targeting to connective tissue growth factor (CTGF) in SAMP6 osteoblasts. PloS One. 2018;13(7):e0200367. doi: 10.1371/journal.pone.0200367
  28. Shkurupy VA, Kim V, Kovner AV, Cherdanceva LA. Connective tissue and the problems of its pathological conditions. Bulletin of Siberian Medicine. 2017;16:75–85. doi: 10.20538/1682-0363-2017-4-75-85
  29. Mofakhami S, Salahinejad E. Biphasic calcium phosphate microspheres in biomedical applications. J Control Release. 2021;338:527–536. doi: 10.1016/j.jconrel.2021.09.004
  30. Kamitakahara M, Tatsukawa E, Shibata Y, et al. Effect of silicate incorporation on in vivo responses of α-tricalcium phosphate ceramics. J Mater Sci Mater Med. 2016;27(5):97. doi: 10.1007/s10856-016-5706-5
  31. Dashnyam K, Buitrago JO, Bold T, et al. Angiogenesis-promoted bone repair with silicate-shelled hydrogel fiber scaffolds. Biomater Sci. 2019;7(12):5221–5231. doi: 10.1039/c9bm01103j
  32. Edranov SS, Matveeva NY, Kalinichenko SG. Osteogenic and Regenerative Potential of Free Gingival Graft. Bull Exp Biol Med. 2021;171:404–401. doi: 10.1007/s10517-021-05237-w
  33. Zhang J, Liu Y, Chen Y, et al. Adipose-Derived Stem Cells: Current Applications and Future Directions in the Regeneration of Multiple Tissues. Stem Cells Int. 2020;2020:8810813. doi: 10.1155/2020/8810813
  34. Karadjian M, Essers C, Tsitlakidis S, et al. Biological Properties of Calcium Phosphate Bioactive Glass Composite Bone Substitutes: Current Experimental Evidence. Int J Mol Sci. 2019;20(2):305. doi: 10.3390/ijms20020305
  35. Keshavarz M, Alizadeh P, Kadumudi FB, et al. Multi-leveled Nanosilicate Implants Can Facilitate Near-Perfect Bone Healing. ACS Appl Mater Interfaces. 2023;15(17):21476–21495. doi: 10.1021/acsami.3c01717
  36. Polonyankin DA, Blesman AI, Postikov DV, Teployhov AA. Theoretical foundations of scanning electron microscopy and energy dispersive analysis of nanomaterials: tutorial. Omsk: OmGTU; 2019. 116 p.
  37. Chuiko AN, Kopitov AA. Computed tomography and basic mechanical characteristics of bone tissues. Medical visualization. 2012;(1):102–107. EDN: OYWKSL
  38. Misch CE. Density of bone: Effect on treatment planning, surgical approach, and healing. In: Contemporary Implant Dentistry. St. Louis, MI, USA; 1993. P. 469–485.
  39. Yablokov AE. Evaluation of the optical density of bone tissue in dental implantation. Russian Dentistry. 2019;12(3):8–13. doi: 10.17116/rosstomat2019120318
  40. Baek YW, Lim YJ, Kim B. Comparison of Implant Surgery Methods of Cortical Tapping and Cortical Widening in Bone of Various Density: A Three-Dimensional Finite Element Study. Materials (Basel). 2023;16(8):3261. doi: 10.3390/ma16083261

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
下载
2. Fig. 1. CT of the metaphyseal defect area: a — the zone of compression defect of the distal metaphysis of the femur of a laboratory animal, group 1 (CT-scan), b — the zone of compression defect of the distal metaphysis of the femur of a laboratory animal, group 3 (CT-scan).

下载 (138KB)
索引源数据
3. Fig. 2. Density indicators of newly formed bone tissue in the implantation zone of the material in groups: a — group 1, b — group 2, c — group 3, d — group 4.

下载 (310KB)
索引源数据
4. Fig. 3. Diagram of the average density of newly formed bone tissue in the groups during the entire follow-up period.

下载 (116KB)
索引源数据
5. Fig. 4. Micrography of the surface of a bone sample of a laboratory animal with implantation of granules of the composition HA/WT 60/40 wt.% on day 30 (a, b), maps of the distribution of calcium (c), phosphorus (d) and silicon (e) in this area.

下载 (837KB)
索引源数据

版权所有 © Eco-Vector, 2024

Creative Commons License
此作品已接受知识共享署名-非商业性使用-禁止演绎 4.0国际许可协议的许可。

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».