Effect of surface modification of titanium mesh on biological behavior in vivo experiments

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

BACKGROUND: Titanium alloys are widely used in medicine due to their high biocompatibility, corrosion resistance and mechanical strength. However, standard titanium implants have a limited ability to integrate with bone tissue, which can lead to various complications and the need for revision operations. Modification of the implant surface with various biologically active compounds is a promising direction for solving this problem. Among the possible approaches, special attention should be paid to the use of inorganic coatings such as calcium oxides and phosphates, which combine high resistance, corrosion resistance and good mechanical properties.

AIM: Determining the modification effect of the titanium (Grade 2) mesh surface on the biocompatibility and osseogenic properties of materials with in vivo experiments using the small laboratory animals.

MATERIALS AND METHODS: The titanium mesh surface was modified by microarc oxidation in electrolyte with dispersed hydroxyapatite (HAp). The effectiveness of the surface modification was in vivo tested with a trepanation model in the skull of Wistar rats.

RESULTS: The formation of a structured regenerate at the bone surface without a significant defect reduction was revealed. The tissue reaction to the implantation of metal meshes in the defect of the parietal bones of the skull was weak, relatively mature dense connective tissue capsules were formed around the meshes, in which vascularization and inflammatory infiltration were minimal, bone regeneration was observed along the defect edges. Surface modification with microarc oxidation led to more pronounced bone regeneration compared to a surface-unmodified mesh.

CONCLUSION: Modification of the surface of the titanium-based mesh by micro-arc oxidation in the electrolyte with dispersed HAp has a positive effect on bone regeneration when closing defects of flat bones.

About the authors

Dmitry V. Smolentsev

Priorov National Medical Research Centre for Traumatology and Orthopaedics

Author for correspondence.
Email: SmolentsevDV@cito-priorov.ru
ORCID iD: 0000-0001-5386-1929
SPIN-code: 3702-1955
Russian Federation, 10 Priorova str., 127299 Moscow

Yulia S. Lukina

Priorov National Medical Research Centre for Traumatology and Orthopaedics

Email: lukina_rctu@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0121-1232
SPIN-code: 2814-7745

Cand. Sci. (Engineering)

Russian Federation, 10 Priorova str., 127299 Moscow

Leonid L. Bionyshev-Abramov

Priorov National Medical Research Centre for Traumatology and Orthopaedics

Email: sity-x@bk.ru
ORCID iD: 0000-0002-1326-6794
SPIN-code: 1192-3848
Russian Federation, 10 Priorova str., 127299 Moscow

Natalia B. Serezhnikova

Priorov National Medical Research Centre for Traumatology and Orthopaedics; Sechenov First Moscow State Medical University

Email: natalia.serj@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-4097-1552
SPIN-code: 2249-9762

Cand. Sci. (Biology)

Russian Federation, 10 Priorova str., 127299 Moscow; Moscow

Andrey S. Skryabin

Bauman Moscow State Technical University

Email: terra107@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-8578-2632
SPIN-code: 3286-8502

Cand. Sci. (Engineering)

Russian Federation, Moscow

Alexey V. Shakurov

Bauman Moscow State Technical University

Email: shakurov@bmstu.ru
ORCID iD: 0000-0001-6110-8101
SPIN-code: 1894-4707

Cand. Sci. (Engineering), associate professor

Russian Federation, Moscow

Vladimir R. Vesnin

Bauman Moscow State Technical University

Email: vesnin.volodya@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-1829-9891
SPIN-code: 7496-0481
Russian Federation, Moscow

Elizaveta S. Skriabina

Bauman Moscow State Technical University

Email: elzabra@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0000-1881-2822
Russian Federation, Moscow

Petr A. Tsygankov

Industrial University of Santander

Email: piotrtsy@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1221-9988
SPIN-code: 5218-3083
Colombia, Bucaramanga

References

  1. Aprile P, Letourneur D, Simon-Yarza T. Membranes for Guided Bone Regeneration: A Road from Bench to Bedside. Adv Healthcare Mater. 2020;9(19):2000707. doi: 10.1002/adhm.202000707
  2. Baylón K, Rodríguez-Camarillo P, Elías-Zúñiga A, et al. Past, present and future of surgical meshes: A review. Membranes. 2017;7(3):47. doi: 10.3390/membranes7030047
  3. Dorozhkin SV. Synthetic amorphous calcium phosphates (ACPs): Preparation, structure, properties, and biomedical applications. Biomater Sci. 2021;9(23):7748–7798. doi: 10.1039/d1bm01239h
  4. Skriabin AS, Shakurov AV, Vesnin VR, et al. Titanium Membranes with Hydroxyapatite/Titania Bioactive Ceramic Coatings: Characterization and In Vivo Biocompatibility Testing. ACS Omega. 2022;7(51):47880–47891. doi: 10.1021/acsomega.2c05718
  5. Tsygankov PA, Skryabin AS, Krikorov AA, et al. Formation of a combined bioceramics layer on titanium implants. J Phys Conf Ser. 2019;1386:012011. doi: 10.1088/1742-6596/1386/1/012011
  6. Gnedenkov SV, Scharkeev YP, Sinebryukhov SL, et al. Formation and properties of bioactive surface layers on titanium. Inorg Mater Appl Res. 2011;2:474–481. doi: 10.1134/S2075113311050133
  7. Scriabin AS, Vesnin VR, Shakurov AV, et al. Production of calcium-containing oxide coatings on titanium membranes for the tasks of maxillofacial surgery and dentistry. Prikladnaya fizika. 2024;(4):63–69. (in Russ.). doi: 10.51368/1996-0948-2024-4-63-69
  8. Balachandran U, Eror NG. Raman spectra of titanium dioxide. J Solid State Chem. 1982;42(3):276–282. doi: 10.1016/0022-4596(82)90006-8
  9. Lin G-W, Chen J-S, Tseng W, Lu F-H. Formation of anatase TiO2 coatings by plasma electrolytic oxidation for photocatalytic applications. Surf Coat Technol. 2019;357:28–35. doi: 10.1016/j.surfcoat.2018.10.010
  10. Yang Y, Kim KH, Agrawal CM, Ong JL. Effect of post-deposition heating temperature and the presence of water vapor during heat treatment on crystallinity of calcium phosphate coatings. Biomaterials. 2003;24(28):5131–7. doi: 10.1016/s0142-9612(03)00459-9
  11. Lavos-Valereto IC, Wolynec S, Deboni MCZ, Koenig Jr B. In vitro and in vivo biocompatibility testing of Ti–6AI–7Nb alloy with and without plasma-sprayed hydroxyapatite coating. J Biomed Mater Res. 2001;58(6):727–33. doi: 10.1002/jbm.1072
  12. Hirota M, Ametani A, Monden Y, Noishiki Y, Hayakawa T, Tohnai I. Molecular precursor method facilitates thin hydroxyapatite coating of titanium fiber web scaffold and enhances bone formation: experimental study in rat cranial bone defects. Int J Oral Maxillofac Implants. 2010;25(5):888–92.
  13. Naderi A, Zhang B, Belgodere JA, Sunder K, Palardy G. Improved biocompatible, flexible mesh composites for implant applications via hydroxyapatite coating with potential for 3-dimensional extracellular matrix network and bone regeneration. ACS applied materials & interfaces. 2021;13(23):26824–26840. doi: 10.1021/acsami.1c09034
  14. Kylmäoja E, Holopainen J, Abushahba F, Ritala M, Tuukkanen J. Osteoblast attachment on titanium coated with hydroxyapatite by atomic layer deposition. Biomolecules. 2022;12(5):654. doi: 10.3390/biom12050654
  15. Kozelskaya AI, Rutkowski S, Frueh J, et al. Surface modification of additively fabricated titanium-based implants by means of bioactive micro-arc oxidation coatings for bone replacement. Journal of Functional Biomaterials. 2022;13(4):285. doi: 10.3390/jfb13040285

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Photograph of the surgical field.

Download (259KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Electronic photographs of coated mesh sanding in BSE and SE visualization modes: 1 — titanium mesh, 2 — oxide coating, 3 — resin.

Download (168KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Optical photographs of the original (a) and coated (b) grids, as well as the Raman spectra (c): 1 — the original grid, 2 — the coated grid.

Download (393KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. A 3D model of an animal’s skull with an installed mesh, reconstructed according to computed tomography data.

Download (137KB)
Indexing metadata
6. Table 1. Fig. 1-1

Download (11KB)
Indexing metadata
7. Table 1. Fig.1-2

Download (13KB)
Indexing metadata
8. Table 1. Fig.1-3

Download (16KB)
Indexing metadata
9. Table 1. Fig.2-1

Download (11KB)
Indexing metadata
10. Table 1. Fig.2-2

Download (11KB)
Indexing metadata
11. Table 1. Fig.2-3

Download (13KB)
Indexing metadata
12. Table 1. Fig.3-1

Download (12KB)
Indexing metadata
13. Table 1. Fig.3-2

Download (12KB)
Indexing metadata
14. Table 1. Fig.3-3

Download (15KB)
Indexing metadata
15. Table 1. Fig.4-1

Download (13KB)
Indexing metadata
16. Table 1. Fig.4-2

Download (12KB)
Indexing metadata
17. Table 1. Fig.4-3

Download (17KB)
Indexing metadata
18. Table 2. Fig.1-1

Download (11KB)
Indexing metadata
19. Table 2. Fig.1-2

Download (12KB)
Indexing metadata
20. Table 2. Fig.1-3

Download (12KB)
Indexing metadata
21. Table 2. Fig.2-1

Download (9KB)
Indexing metadata
22. Table 2. Fig.2-2

Download (11KB)
Indexing metadata
23. Table 2. Fig.2-3

Download (11KB)
Indexing metadata
24. Table 2. Fig.3-1

Download (10KB)
Indexing metadata
25. Table 2. Fig.3-2

Download (13KB)
Indexing metadata
26. Таблица 2. Рис.3-3

Download (10KB)
Indexing metadata
27. Table 2. Fig.4-1

Download (11KB)
Indexing metadata
28. Table 2. Fig.4-2

Download (14KB)
Indexing metadata
29. Table 2. Fig.4-3

Download (15KB)
Indexing metadata
30. Fig. 5. Images of mesh implantation sites (control group) three months after surgery: a, e, f — standard light microscopy, magnification ×50; b, g — standard light microscopy, magnification ×200; c — standard light microscopy, magnification ×400; d — phase contrast microscopy, magnification ×400; h — phase contrast microscopy, magnification ×200. Hematoxylin-eosin staining.

Download (409KB)
Indexing metadata
31. Fig. 6. Images of mesh implantation sites (experimental group) 3 months after surgery: a, e, f — standard light microscopy, magnification ×50; b, g — standard light microscopy, magnification ×200; c — standard light microscopy, magnification ×400; d — phase contrast microscopy, magnification ×400; h — phase contrast microscopy, magnification ×200. Hematoxylin-eosin staining.

Download (439KB)
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».