Determination of osseointegration properties of magnesium doped TiN coatings in vivo

Abstract

Kemik implantanları son yıllarda travmatik kemik hasarları için oldukça önemli bir araştırmakonusu olmuştur. Başarılı bir implantasyon, iyi osseointegrasyon ve kemik-implant ara yüzbağlanma gücüne bağlıdır. Titanyum ve alaşımları ile geliştirilmiş implantlar, diğer metalimplantlara göre daha iyi bir osseointegrasyon sağlayarak önemli bir çalışma alanıoluşturmuştur. Bu araştırmadaki amaç, titaniyum nitrit plakalarını ve vidalarını magnezyumile kaplayarak, bunların osseointegrasyon kapasitesini arttırmaktır. In vivo deneyler, 16erkek tavşanın uyluk kemiği üzerinde yapılmıştır. Hayvanların uyluk kemiğinde bir kırıkmeydana getirilmiş ve sonrasında TiN ve (Ti, Mg) N ince film kaplı plakaları kemiğe implantyapılmıştır. Altı haftalık gözlem sonucunda, iki implant grubu arasındaki rejenerasonfarklılıkları gözlenmiştir. İmplantasyondan altı hafta sonra, kemik örnekleri dissekteedilerek; mikro tomografi analizi, X-ışını ile görüntüleme, histolojik analiz, taramalıelektron mikroskobu (SEM) ve von Kossa boyama tekniği ile kemiğin de novo oluşumu veimplant yüzeyindeki kemik cevapları incelenmiştir. Mikro CT-görüntüleri ve histolojikanaliz sonuçları, TiN ve (Ti, Mg) N kaplı plakalarının kallus oluşumunu kırık hattıçevresinde tetiklediğini göstermiştir. Bu sonuçlar çerçevesinde, (Ti, Mg) N kaplı implantlarsadece kemik oluşumu değil aynı zamanda kemik rejenerasyonunu da sağlamıştır. Ayrıca,SEM ve von Kossa boyama değerlendirmeleri, Mg kaplı yüzeylerin yoğun osteoblastoluşumunu ve kemik mineralizasyonunu arttırdığını göstermiştir. EDS analizi plaklarınelemental tanımlamasını ortaya çıkarmış ve hıdroksıapatıtın yalnızca (Ti, Mg) N kaplıplakalarda oluştuğu gözlemlenmiştir. Bu sonuçlar, Mg ilaveli yüzeylerin osseointegrasyonuve iyileşme sürecini hızlandırdığını göstermiştir. Sonuç olarak, daha iyi bir kemikrejenerasyonu, kaplamalara magnezyum eklenmesi ile sağlanmıştır ve bu da (Ti, Mg) Nkaplı implantlarının ileride klinik uygulamalarda sert doku kemik implantasyonlarındakullanılabileceğini göstermiştir.

Bone implantations have been a mandatory investigative subject in cases with traumaticbone defects within the recent years. A successful implantation relies on wellosseointegration and implant interface strength. Titanium implants with its alloys have beena decisive area to challenge other metallic implants for gaining an improvedosseointegration. In this study, the aim is to provide a better osseointegration capabilitiesthrough the addition of the magnesium doped titanium nitride coatings onto Ti6Al4V basedplates and screws. In vivo experiments were held on the femur of 16 male rabbits. A fracturewas made on the femur of the animals, and then TiN and (Ti, Mg) N thin film coated plateswere implanted for six weeks to observe the regeneration differences between the twoimplant groups. After six weeks of implantation, bone samples were dissected and evaluatedwith Micro CT-Scan analysis, X-ray imaging, histological analysis, scanning electronmicroscopy (SEM), and von Kossa staining, in order to examine the de novo bone formationaround fracture site and bone responses to the implant's surfaces. Micro CT-images andhistological analysis results indicated that both TiN and (Ti, Mg) N coated plates enhancedcallus formation around the fracture line. Thus, (Ti, Mg) N implants led not only to boneformation but also complete regeneration of the bone. Moreover, SEM and von Kossa stainevaluations showed that Mg coated surfaces influenced intensive osteoblast formation andmineralization of bones. EDS analysis revealed the elemental characterization of the platesand it was observed that hydroxyapatite was formed only on (Ti, Mg) N coated plates. Thisensures that the addition of Mg significantly increased the osseointegration rates withaccelerated healing process. In conclusion, higher remodeling process was obtained from theaddition of magnesium into the coatings, which clarifies that (Ti, Mg) N thin film coatedimplants can be used in further clinical applications as a hard tissue implant for bone.