Morphological Assessment of Osseointegration of Titanium Implants with Ag- and Zn-Containing Calcium Phosphate Coatings

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Background. The condition of the implant surface plays an important role in extending the service life of implants and metal structures in the human body.

The aim of the study — to assess the effect of titanium implants with Ag- or Zn-containing calcium phosphate coatings on the surrounding bone tissue in experimental study.

Methods. Using light microscopy, we studied the condition of bone tissue in the proximal tibia (PT) of rabbits 4 weeks after the implantation of 3D-printed titanium cone-shaped implants with Ag- or Zn-containing calcium phosphate coating.

Results. In all cases, 3D-printed titanium implants with a rough surface integrated in the PT adhered very tightly to the bone tissue, the edges of which had minor cicatricial changes. Removal of the implants was difficult, and many tissue fragments remained on their surface. Small foreign fragments were present in the bone tissue samples examined. The sizes of foreign fragments were smaller after the use of silver ions, compared to the use of zinc ions, in both compact and cancellous bone by 84.4% (9.50±4.17 vs 17.78±7.95 μm) and 87.2% (11.21±10.68 vs 20.67±8.08 μm), respectively. In cancellous bone, the average diameter of the fragment groups and the average distance between the coating fragments or their groups were not statistically significantly different. In compact bone, they were 59.1% (155±35.98 vs 246.67±39.62 μm) and 21.2% (253.04±44.87 vs 308±50.85 μm) larger, respectively, after application of the Zn-containing coating.

Conclusions. Surface-modified titanium implants have demonstrated a tendency to osseointegration, even when the coating is damaged with the formation of foreign fragments migrating into the surrounding tissues. It is possible that modifying the technique and modes of coating application, as well as varying their thickness, will enable the full realization of the positive properties of the modified surface, including the beneficial antimicrobial characteristics of silver and zinc.

About the authors

Igor V. Maiborodin

Institute of Chemical Biology and Fundamental Medicine

Email: imai@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-8182-5084

Dr. Sci. (Med.), Professor

Russian Federation, Novosibirsk

Vitalina I. Maiborodina

Institute of Chemical Biology and Fundamental Medicine

Email: imai@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5169-6373

Dr. Sci. (Med.)

Russian Federation, Novosibirsk

Boris V. Sheplev

Institute of Chemical Biology and Fundamental Medicine

Email: imai@mail.ru
ORCID iD: 0009-0008-4140-3531

Dr. Sci. (Med.)

Russian Federation, Novosibirsk

Yuri P. Sharkeev

Institute of Strength Physics and Materials Science

Email: sharkeev@ispms.ru
ORCID iD: 0000-0001-5037-245X

Dr. Sci. (Phys.-Math.), Professor

Russian Federation, Tomsk

Mariya B. Sedelnikova

Institute of Strength Physics and Materials Science

Email: smasha5@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-5741-6053

Dr. Sci. (Tech.), Associate Professor

Russian Federation, Tomsk

Vitaliy V. Pavlov

Novosibirsk Research Institute of Traumatology and Orthopedics n.a. Ya.L. Tsivyan

Email: pavlovdoc@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-8997-7330

Dr. Sci. (Med.), Associate Professor

Russian Federation, Novosibirsk

Vyacheslav A. Bazlov

Novosibirsk Research Institute of Traumatology and Orthopedics n.a. Ya.L. Tsivyan

Email: sbazlov@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-8982-5516

Cand. Sci. (Med.)

Russian Federation, Novosibirsk

Evgeniya A. Anastasieva

Novosibirsk Research Institute of Traumatology and Orthopedics n.a. Ya.L. Tsivyan

Email: evgeniya.anastasieva@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-9329-8373
Russian Federation, Novosibirsk

Maxim V. Efimenko

Novosibirsk Research Institute of Traumatology and Orthopedics n.a. Ya.L. Tsivyan

Email: pavlovdoc@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-1516-7877
Russian Federation, Novosibirsk

Irina А. Kirilova

Novosibirsk Research Institute of Traumatology and Orthopedics n.a. Ya.L. Tsivyan

Author for correspondence.
Email: irinakirilova71@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-1911-9741

Dr. Sci. (Med.), Associate Professor

Russian Federation, Novosibirsk

Andrey A. Korytkin

Novosibirsk Research Institute of Traumatology and Orthopedics n.a. Ya.L. Tsivyan

Email: andrey.korytkin@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-9231-5891

Cand. Sci. (Med.), Associate Professor

Russian Federation, Novosibirsk

References

  1. Velasco-Ortega E., Alfonso-Rodríguez C.A., Monsalve-Guil L., España-López A., Jiménez-Guerra A., Garzón I. et al. Relevant aspects in the surface properties in titanium dental implants for the cellular viability. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2016;64:1-10. doi: 10.1016/j.msec.2016.03.049.
  2. López-Valverde N., López-Valverde A., Aragoneses J.M., Macedo de Sousa B., Rodrigues M.J., Ramírez J.M. Systematic Review and Meta-Analysis of the Effectiveness of Calcium-Phosphate Coating on the Osseointegration of Titanium Implants. Materials (Basel). 2021;14(11):3015. doi: 10.3390/ma14113015.
  3. Costa Filho P.M.D., Marcantonio C.C., Oliveira D.P., Lopes M.E.S., Puetate J.C.S., Faria L.V. et al. Titanium micro-nano textured surface with strontium incorporation improves osseointegration: an in vivo and in vitro study. J Appl Oral Sci. 2024;32:e20240144. doi: 10.1590/1678-7757-2024-0144.
  4. Su Y., Komasa S., Li P., Nishizaki M., Chen L., Terada C., Yoshimine S. et al. Synergistic effect of nanotopography and bioactive ions on peri-implant bone response. Int J Nanomedicine. 2017;12:925-934. doi: 10.2147/IJN.S126248.
  5. Корыткин А.А., Орлинская Н.Ю., Новикова Я.С., Герасимов С.А., Давыденко Д.В., Кулакова К.В. и др. Биосовместимость и костная интеграция титановых имплантатов различной пористости с кальций-фосфатным покрытием и без покрытия. Современные технологии в медицине. 2021;13(2): 52-58. doi: 10.17691/stm2021.13.2.06. Korytkin A.A., Orlinskaya N.Yu., Novikova Ya.S., Gerasimov S.A., Davydenko D.V., Kulakova K.V. et al. Biocompatibility and osseointegration of calcium phosphate-coated and non-coated titanium implants with various porosities. Modern Technologies in Medicine. 2021;13(2):52-58. (In Russian). doi: 10.17691/stm2021.13.2.06.
  6. Tan N., Liu X., Cai Y., Zhang S., Jian B., Zhou Y. et al. The influence of direct laser metal sintering implants on the early stages of osseointegration in diabetic mini-pigs. Int J Nanomedicine. 2017;12:5433-5442. doi: 10.2147/IJN.S138615.
  7. Майбородин И.В., Шевела А.А., Тодер М.С., Шевела А.И. Современные тенденции выбора и обработки материалов для дентальной имплантации. Стоматология. 2018;(4):68-76. doi: 10.17116/stomat20189704168. Maiborodin I.V., Shevela A.A., Toder M.S., Shevela A.I. Current trends of the choice and processing of materials for dental implantation. Stomatology. 2018;97(4):68-76. (In Russian). doi: 10.17116/stomat20189704168.
  8. Tsikopoulos K., Sidiropoulos K., Kitridis D., Hassan A., Drago L., Mavrogenis A. et al. Is coating of titanium implants effective at preventing Staphylococcus aureus infections? A meta-analysis of animal model studies. Int Orthop. 2021;45:821-835. doi: 10.1007/s00264-020-04660-4.
  9. Lee J.H., Kwon J.S., Moon S.K., Uhm S.H., Choi B.H., Joo U.H. et al. Titanium-silver alloy miniplates for mandibular fixation: In vitro and in vivo study. J Oral Maxillofac Surg. 2016;74(8):1622.e1-1622.e12. doi: 10.1016/j.joms.2016.04.010.
  10. Сманалиев М.Д., Юлдашев И.М. Возможности покрытия поверхности дентальных титановых имплантатов нано частицами из нано раствора серебра. Бюллетень науки и практики. 2021;7(9):308-314. doi: 10.33619/2414-2948/70/26. Smanaliev M., Yuldashev I. Possibilities of Dental Titanium Implants Surface Coating With Nano Particles from Nano Silver Solution. Bulletin of Science and Practice. 2021;7(9):308-314. (In Russian). doi: 10.33619/2414-2948/70/26.
  11. Николаев Н.С., Любимова Л.В., Пчелова Н.Н., Преображенская Е.В., Алексеева А.В. Использование имплантатов с покрытием на основе двумерно-упорядоченного линейно-цепочечного углерода, легированного серебром, для лечения перипротезной инфекции. Травматология и ортопедия России. 2019;25(4):98-108. doi: 10.21823/2311-2905-2019-25-4-98-108. Nikolaev N.S., Lyubimova L.V., Pchelova N.N., Preobrazhenskaya E.V., Alekseeva A.V. Treatment of Periprosthetic Infection with Silver-Doped Implants Based on Two-Dimensional Ordered Linear Chain Carbon. Traumatology and Orthopedics of Russia. 2019;25(4):98-108. (In Russian). doi: 10.21823/2311-2905-2019-25-4-98-108.
  12. Liu R., Memarzadeh K., Chang B., Zhang Y., Ma Z., Allaker R.P. et al. Antibacterial effect of copper-bearing titanium alloy (Ti-Cu) against Streptococcus mutans and Porphyromonas gingivalis. Sci Rep. 2016;6:29985. doi: 10.1038/srep29985.
  13. Heo D.N., Ko W.K., Lee H.R., Lee S.J., Lee D., Um S.H. et al. Titanium dental implants surface-immobilized with gold nanoparticles as osteoinductive agents for rapid osseointegration. J Colloid Interface Sci. 2016:469: 129-137. doi: 10.1016/j.jcis.2016.02.022.
  14. Li M., Wu G., Wang M., Hunziker E.B., Liu Y. Crystalline biomimetic calcium phosphate coating on mini-pin implants to accelerate osseointegration and extend drug release duration for an orthodontic application. Nanomaterials. 2022;12(14):2439. doi: 10.3390/nano12142439.
  15. Lin X., Chen J., Liao Y., Pathak J.L., Li H., Liu Y. Biomimetic calcium phosphate coating as a drug delivery vehicle for bone tissue engineering: A mini-review. Coatings. 2020;10(11):1118. doi: 10.3390/coatings10111118.
  16. Шаркеев Ю.П., Седельникова М.Б., Толкачева Т.В., Щеглова Н.А., Панченко А.А., Красовский И.Б. и др. Микродуговые Zn- и Ag-содержащие покрытия для имплантатов со сложной поровой архитектурой, полученных методом 3D-печати из титанового сплава. Травматология и ортопедия России. 2020;26(2): 109-119. doi: 10.21823/2311-2905-2020-26-2-109-119. Sharkeev Yu.P., Sedelnikova M.B., Tolkacheva T.V., Shcheglova N.A., Panchenko A.A., Krasovsky I.B. et al. Micro-Arc Zn- and Ag-Containing Coatings for Implants with Complex Porous Architecture Obtained by 3D Printing Method from Titanium Alloy. Traumatology and Orthopedics of Russia. 2020;26(2):109-119. (In Russian). doi: 10.21823/2311-2905-2020-26-2-109-119.
  17. Стогов М.В., Еманов А.А., Кузнецов В.П., Комарова Е.Г., Горбач Е.Н., Киреева Е.А. и др. Влияние цинксодержащего кальций-фосфатного покрытия на остеоинтеграцию чрескожных имплантатов для протезирования конечностей. Гений ортопедии. 2024;30(5):677-686. doi: 10.18019/1028-4427-2024-30-5-677-686. Stogov M.V., Emanov A.A., Kuznetsov V.P., Komarova E.G., Gorbach E.N., Kireeva E.A. et al. The effect of zinc-containing calcium phosphate coating on the osseointegration of transcutaneous implants for limb prosthetics. Genij Ortopedii. 2024;30(5):677-686. (In Russian). doi: 10.18019/1028-4427-2024-30-5-677-686.
  18. Germaini M.M., Belhabib S., Guessasma S., Deterre R., Corre P., Weiss P. Additive manufacturing of biomaterials for bone tissue engineering – A critical review of the state of the art and new concepts. Progress in Materials Science. 2022;130:100963. doi: 10.1016/j.pmatsci.2022.100963.
  19. Renuka R., Devi K.R., Sivakami M., Thilagavathi T., Uthrakumar R., Kaviyarasu K. Biosynthesis of silver nanoparticles using phyllanthus emblica fruit extract for antimicrobial application. Biocatalysis and Agricultural Biotechnology. 2020;24:101567. doi: 10.1016/j.bcab.2020.101567.
  20. Bruna T., Maldonado-Bravo F., Jara P., Caro N. Silver Nanoparticles and Their Antibacterial Applications. Int J Mol Sci. 2021;22(13):7202. doi: 10.3390/ijms22137202.
  21. Тапальский Д.В., Осипов В.А., Сухая Г.Н., Ярмоленко М.А., Рогачев А.А., Рогачев А.В. Биосовместимые композиционные антибактериальные покрытия для защиты имплантатов от микробных биопленок. Проблемы здоровья и экологии. 2013; (2):129-134. doi: 10.51523/2708-6011.2013-10-2-24. Tapalskiy D.V., Osipov V.A., Sukhaya G.N., Yarmolenko M.A., Rogachiov A.A., Rogachiov A.V. Biocompatible composite antibacterial coatings for protection of implants against microbial biofilms. Health and Ecology Issues. 2013;(2):129-134. (In Russian). doi: 10.51523/2708-6011.2013-10-2-24.
  22. Roszak J., Smok-Pieniążek A., Spryszyńska S., Kowalczyk K., Domeradzka-Gajda K., Świercz R. et al. Cytotoxic effects in transformed and non-transformed human breast cell lines after exposure to silver nanoparticles in combination with selected aluminium compounds, parabens or phthalates. J Hazard Mater. 2020;392:122442. doi: 10.1016/j.jhazmat.2020.122442.
  23. Ferdous Z., Nemmar A. Health Impact of Silver Nanoparticles: A Review of the Biodistribution and Toxicity Following Various Routes of Exposure. Int J Mol Sci. 2020;21(7):2375. doi: 10.3390/ijms21072375.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Figure 1. Appearance and overall dimensions of a 3D-printed titanium cone-shaped implant

Download (44KB)
Indexing metadata
3. Figure 2 (a, b). X-rays of the proximal tibia of rabbits 4 weeks after integration of 3D-printed implants: a, b — titanium without surface modification;

Download (124KB)
Indexing metadata
4. Figure 2 (c, d, e, f). X-rays of the proximal tibia of rabbits 4 weeks after integration of 3D-printed implants: c, d — titanium with surface modification via Ag-containing calcium phosphate coating; e, f — titanium with surface modification via Zn-containing calcium phosphate coating; a, c, e — left limb; b, d, f — right limb

Download (257KB)
Indexing metadata
5. Figure 3. The surface of implants removed from the rabbits’ proximal tibia 4 weeks after installation, examination in reflected light: a — titanium without surface modification; b — titanium with surface modification via Ag-containing calcium phosphate coating; c — titanium with surface modification via Zn-containing calcium phosphate coating

Download (88KB)
Indexing metadata
6. Figure 4 (a, b, c, d). Proximal tibia of the rabbits 4 weeks after implants installation: a — defect of cancellous and compact bone tissue at the site of the removed implant; hyperemia is visible in some areas; b — restoration of compact bone tissue between the head of the implant and the bone edge; the scar is mostly thin (arrows); c — pronounced inflammatory reaction in sclerosed cancellous bone tissue containing numerous metal fragments; hyperemia is present; metal particles surrounded by connective tissue are located among numerous leukocytes and extravascular erythrocytes, with macrophage fusion forming multinucleated cells (arrows); d — significant deformity of sclerosed compact bone tissue between the implant head and the edge of the hole; compact bone contains numerous metal fragments of various shapes and sizes;

Download (1021KB)
Indexing metadata
7. Figure 4 (e, f). Proximal tibia of the rabbits 4 weeks after implants installation: e — numerous metal particles in the red bone marrow with an inflammatory reaction between the cancellous bone tissue and the implant; f — ingrowth of metal fragments (arrows) into regenerating bone tissue, with signs of sclerosis and cicatricial changes at the edge of the hole where the implant head was located. Hematoxylin and eosin staining

Download (399KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 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».