Experimental-clinical study of carbon biomaterials application in orthopedics and traumatology (literature review)





carbon biomaterials, experiment, osteosynthesis, bone regeneration, clinical application


Based on analysis of 60 literature sources and own studies found that different forms of carbon are non-toxic and safe, with adequate supply mechanical strength. Carbon biomate­rials are non-magnetic, they do not cause allergic reactions, local and systemic reactions. In the culture of osteoblasts and in animal experiments after implantation of carbon biomate­rial in bone defect identified it’s osteointegration and high biocompatibility. Implants made of carbon composite materi­als is not inferior in mechanical and biological characteris­tics of different artificial biomaterials, but have much lower cost. Carbon has electrical conductivity. The use of various forms of carbon implants makes it possible to optimize re­parative osteogenesis, to decrease patient stay, to monitor the operated portion of the skeleton using MRI, it makes pos­sible postoperative radiotherapy and electrotherapy during rehabilitation. In terms of physical, chemical and mechanical properties, biological inertness of carbon are unique bioma­terials, including bone implants can be made of any shape and size. Well established in the regeneration of bone and carbon coating of metal implants. Developments in nanotech­nology have led to the creation of nanotubes based on car­bon, the use of which is prospective and empowers regenera­tory medicine due to their combination with cell transplants, collagen and hyaluronic acid. Biomaterials based on carbon can saturate medications, expanding their use in medicine.

Author Biographies

Mykola Korzh

Sytenko Institute of Spine and Joint Pathology, Kharkiv. Ukraine

MD, Prof. in Orthopaedics and Traumatology


Ninel Dedukh

Sytenko Institute of Spine and Joint Pathology, Kharkiv. Ukraine 

Dr. Biol. Sci., Prof.



Olexiy Tyazhelov

Sytenko Institute of Spine and Joint Pathology, Kharkiv. Ukraine 

MD, Prof. in Orthopaedics and Traumatology



Lu Chzhou

Sytenko Institute of Spine and Joint Pathology, Kharkiv. Ukraine 





Technology and market perspective for future value added materials. final report from Oxford research as Luxembourg [web course]. Publications Office of the European Union, 2012. Available from: http://ec.europa.eu/research/industrial_ technologies/pdf/technology-market-perspective en.pdf.

Керамопластика в ортопедии и травматологии / А. А. Корж, Г. Х. Грунтовский, Н. А. Корж, В. Т. Мыхайлив. — Львов : Свит, 1992. — 111 с.

Биоматериалы в ортопедии и травматологии — роль А. А. Коржа в развитии проблемы / Н. А. Корж, С. В. Ма¬лышкина, Н. В. Дедух, И. Б. Тимченко // Наследие. Алексей Александрович Корж : научно-историческое издание ; под ред. Л. Д. Горидовой. — Харьков, 2014. — С. 35–49.

Имплантационные материалы и остеогенез. Роль биоло¬гической фиксации и остеоинтеграции в реконструкции кости / Н. А. Корж, Л. А. Кладченко, С. В. Малышкина, И. Б. Тимченко // Ортопедия, травматология и протези¬рование. — 2005. — № 4. — С. 118–127.

Zyman Z, Glushko V, Dedukh N, Malyshkina S, Ashukina N. Porous calcium phosphate ceramic granules and their behaviour in differently loaded areas of skeleton. J Mater. Sci. Mater. Med. 2008;19(5):2197–2205. DOI: 10.1007/s10856-007-3311-3.

Lee JH, Ryu MY, Baek HR, Lee KM, Seo JH, Lee HK Fabrication and evaluation of porous beta-tricalcium phosphate/ hydroxyapatite (60/40) composite as a bone graft extender using rat calvarial bone defect model. The Scientific World Journal. 2013;2013:481789. DOI: 10.1155/2013/481789.

Meimandi Parizi A, Oryan A, Shafiei-Sarvestani Z, Bigham-Sadegh A. Effectiveness of synthetic hydroxyapatite versus Persian Gulf coral in an animal model of long bone defect reconstruction. J Orthop. Traumatol. 2013;14(4):259–268. DOI: 10.1007/s10195-013-0261-z.

Abdollahi S. A. Ma C., Cerruti M. Surface transformations of Bioglass 45S5 during scaffold synthesis for bone tissue engineering. Langmuir. 2013;29(5):1466–1474. DOI: 10.1021/la304647r.

Eyesan SU, Ugwoegbulem OA, Obalum DC. Bone cement in the management of cystic tumour defects of bone at National Orthopaedic Hospital, Igbobi, Lagos. Niger. J Clin. Pract. 2009;12(4):367–370.

Eglin D, Alini M. Degradable polymeric materials for osteosynthesis: tutorial. Eur. Cell. Mater. 2008;16:80–91.

Васюк В. Л. Використання біоматеріалу полігліколіду для остеосинтезу переломів кісток / В. Л. Васюк, О. Г. Дудко, Г. Є. Дудко // Ортопедия, травматология и протезирование. — 2008. — № 4. — С. 28–30.

Hänzi AC, Gerber I, Schinhammer M, Löffler JF, Uggowitzer PJ On the in vitro and in vivo degradation performance and biological response of new biodegradable Mg-Y-Zn alloys. Acta Biomater. 2010;6(5):1824–1833. DOI: 10.1016/j.actbio.2009.10.008.

Golovakha M, Chorny V, Yatsun Ye, Tertishny S, Dikiy K. Regeneration of the bone tissue in osteosynthesis with implants made of magnesium-based alloys in experiment. Orthopaedics, Traumatology and Prosthetics. 2013;2:45–50. DOI: 10.15674/0030-59872013245-50.

Shin US, Yoon IK, Lee GS, Jang WC, Knowles JC, Kim HW Carbon nanotubes in nanocomposites and hybrids with hydroxyapatite for bone replacements. J Tissue Eng. 2011;2010:674287. DOI: 10.4061/2011/674287.

Скрябин В. Л. Применение гидроксиапатита и пористого углерода для замещения крупных дефектов губчатой кости / В. Л. Скрябин, В. М. Ладейщиков, А. С. Денисов // Казанский медицинский журнал. — 2010. — T. 91. — С. 552–555.

Углерод-углеродные материалы для ортопедии и травматологии / И. Л. Синани, А. Г. Щурик, Ю. К. Осоргин, В. М. Бушуев // Российский журнал биомеханики. — 2012. — Т. 16, № 2 (56). — C. 74–82.

Albrektsson T. Johansson C. Osteoinduction, osteoconduction and osseo¬integration. Eur. Spine J. 2001;10:96–101.

Lee MJ, Sohn SK, Kim KT, Kim CH, Ahn HB, Rho MS, Jeong MH, Sun SK. Effect of hydroxyapatite on bone integration in a rabbit tibial defect model. Clin. Orthop. Surg. 2010;2(2):90–97. DOI: 10.4055/cios.2010.2.2.90.

Pilanci O, Cinar C, Kuvat SV, et al. Effects of hydroxyapatite on bone graft resorption in an experimental model of maxillary alveolar arch defects. Arch. Clin. Exp. Surg. 2013;2(3):170–175. DOI: 10.5455/aces.20121018123137

Ruys AJ, Wei M, Sorrell CC, et al. Sintering effects on the strength of hydroxyapatite. Biomaterials. 1995;16(5):409–415.

Золкин П. И. Углеродные материалы в медицине / П. И. Золкин, В. С. Островский. — М. : Металлургиздат, 2014. — 142 с.

Биохимия. Учебник / под ред. Е. С. Северина, изд. 5. — М. : ГЭОТАР-Медио. 2016. — 768 с.

Bruckmenn H, Huttinger KJ. Carbon as a promising material in endoprosthetics. Biomaterials. 1980;1:67–72.

Юмашев Г. С. Замещение краевых дефектов кости углеродными имплантатами / Г. С. Юмашев, И. Н. Лавров, В. И. Костиков // Вестник хирургии. — 1986. — № 3. — С. 93–96.

Применение углеродных материалов в медицине : обзор литературы / Г. С. Юмашев, И. Н. Лавров, В. И. Костиков // Ортопедия, травматология и протезирование. — 1983. — № 5. — С. 62–64.

Шевченко С. Д. Замещение пристеночных диафизарных дефектов длинных костей углеродными материалами в эксперименте / С. Д. Шевченко, А. В. Ролик // Ортопедия, травматология и протезирование. — 1987. — № 7. — C. 38–39.

Ролик А. В. Замещение костных полостей и дефектов углеродными имплантатами в эксперименте и клинике : автореф. дис. ... канд. мед. наук / А. В. Ролик. — Харьков, 1987. — 16 с.

Мусалатов Х. А. Углеродные имплантаты в травматологии и ортопедии : дис. … д-ра мед. наук / Х. А. Мусалатов. — М., 1990. — 364 с.

Тяжелов О. А. Проблеми заміщення дефектів кісток і роль вуглець-вуглецевих імплантатів у їх вирішенні / О. А. Тяжелов, М. П. Комаров, Е. В. Чертьонкова, H. Ю. Полєтаєва // Ортопедия, травматология и протезирование. — 2008. — № 4. — С. 123–128.

Комаров М. П. Заміщення дефектів довгих кісток штуч¬ними імплантатами на основі вуглецю (експериментальне дослідження з клінічною апробацією) : автореф. … канд. мед. наук / М. П. Комаров. — 2008. — 18 с.

Дедух Н. В. Репаративная регенерация костного дефекта, заполненного «войлокоподобным» углеродным биома¬териалом / Н. В. Дедух, Лу Чжоу, С. В. Малышкина // Український морфологічний альманах. — 2014. — Т. 12, № 1. — С. 36–41.

Malyshkina S, Chzhou L, Dedukh N. Restructuring of bone tissue under filling bone cavities with carbon synthetic biomaterial. Orthopaedics, Traumatology and Prosthetics. 2014;3:30–37. DOI: 10.15674/0030- 59872014330-37.

. Биоиндикация материала на основе углерода в исследованиях in vitro и in vivo / Н. В. Дедух, Лу Чжоу, И. В. Вишнякова // Вісник проблем біології та медицини. — 2016. — Вип. 3, Том 1 (131). — С. 82–86.

Леонтьева Ф. С. Влияние на метаболичесий статус крыс углеродсодержащего биоматериала, имплантированного в дефект бедренной кости / Ф. С. Леонтьева, Б. Н. Шев¬цов, Лу Чжоу // Вісник проблем біології та медицини. — 2016. — Вип. 2, Т. 3 (130). — С. 155–159.

Dedukh NV, Karpinsky MYu, Chzhou L, Malyshkina SV. Regeneration and mechanical strength of bone in the implantation conditions of carbon material Orthopaedics, Traumatology and Prosthetics. 2016;3:41–47. DOI: 10.15674/0030-59872016341-47.

Elias KL, Price RL, Webster TJ. Enhanced functions of osteoblasts on nanometer diameter carbon fibers. Biomaterials. 2002;23(15):3279–3287.

Tran PA, Zhang L, Webster TL. Carbon nanofibers and carbon nanotubes in re¬generative medicine. Adv. Deliv.Rev. 2009;61(12):1097–1114. DOI: 10.1016/j.addr.2009.07.010.

Ганжа А. А. Применение при чрескостном остеосинтезе спиц и стержней с наноструктурированными углеродными покрытиями в условиях остеопороза (экспериментально- клиническое исследование) : дис. … канд. мед. наук / А. А. Ганжа. — Пермь, 2016.

Sá MA, Andrade VB, Mendes RM, Caliari MV, Ladeira LO, Silva EE, Silva GA, Corrêa-Júnior JD, Ferreira AJ. Carbon nanotubes functionalized with sodium hyaluronate on bone repair in diabetic rat sockets. Oral. Dis. 2013;19(5):484–493. DOI: 10.1111/odi.12030.

Mendes RM, Silva GA, Caliari MV, Silva EE, Ladeira LO, Ferreira AJ Effects of single wall carbon nanotubes and its functionaliza¬tion with sodium hyalunate on bone repair. Life Sci. 2010;87(7–8):215–222. DOI: 10.1016/j.lfs.2010.06.010.

Martins PA, de Sa MA, Andrade VB, et al. Bone repair utilizing carbon nanotubes. Bioengineering Applica¬tions of Carbon Nanostructures. Ed. Ado Jorio. Springer, 2016. рр. 1–17.

Еликашвили М. А. Использование культивированных стромальных клеток костного мозга в сочетании с угле¬родным матриксом для замещения костных дефектов : автореф. дис. ... канд. мед. наук / М. А. Еликашвили. — М., 1993. — 22 с.

Гребенюк Ю. А. Новый имплантационный материал в лечении опухолей длинных костей (экспериментальное исследование) / Ю. А. Гребенюк, С. А. Ткаченко, Е. А. Солоницын // Травма. — 2008. — Т. 9, № 4. — С. 402–406.

Еловиков А. М. Пластика костных дефектов и полостей конструкциями, изготовленными из углерод-углеродного материала «Углекон-М» при хирургических вмешательствах на околоносовых пазухах: автореф. дис. … канд. мед. наук / А. М. Еловиков. — Пермь, 2003. — 22 c.

Штраубе Г. И. Результаты исследования реакции костной ткани на имплантацию пористого углеродного материала : мат. 4-й науч.-практ. конф. [«Современные стоматологи¬ческие технологии»]. — Барнаул, 2000. — С. 234–237.

Оцінка біосумісності вуглець-вуглецевого композиційного матеріалу в експерименті / О. А. Тяжелов, Н. О. Ашукіна, Г. В. Іванов, М. П. Комаров // Ортопедия, травматология и протезирование. — 2006. — № 4. — С. 47–50.

Напружено-деформований стан моделі стегнової кістки при заміщенні сегментарного діафізарного дефекту вуглецевими імплантатами різної форми / О. А. Тяжелов, І. А. Суббота, Н. Ю. Полєтаєва, М. П. Комаров // Здобут¬ки клінічної і експериментальної медицини. — 2006. — № 2. — С. 99–103.

Рамі М. А. Абу Хамде. Експериментально-механічне обґрунтування використання вуглецевих імплантатів для лікування переломів довгих кісток пацієнтів похилого віку: автореф. дис. … канд. мед. наук, 14.01.21 травматологія і ортопедія / Рамі М. А. Абу Хамде Самара. — Харків, 2003. — 16 c.

Moyen O, Cheleux N, Jeanson Y. Tenous en composite a base de fibres. Interet 213 biomecanigue et propraetes adhesives. Cah. Proth. 2001;116:43–50.

Шевцов В. И. Опорная пластика дефектов костей с использованием наноструктурных имплантатов. Клинические рекомендации / В. И. Шевцов, В. Д. Шатохин, С. Ю. Пушкин. –– Самара, 2014. — 24 c.

Скрябин В. Л. Использование углеродных наноструктурных имплантатов для замещения пострезекционных дефектов при опухолевых и кистозных поражениях костей. Клинические рекомендации / В. Л. Скрябин, А. С. Денисов. — Пермь, 2014. — 17 с.

Allison DC, Menendez LR. Carbon fiber fixation in oncologic bone surgery: abstracts book of Musculoskeletal Tumor Society Annual Meeting. San Francisco, California, 2013. 47 р.

Rosenthal H. Invisible stabilization of impending and pathological fractures a preliminary report on carbon fiber technology: abstracts book of the MSTS meeting. 2013.

Баландина И. А. Применение углеродистых имплантатов «Углерод-М» в хирургии шейного отдела позвоночника / И. А. Баландина, Н. Е. Устюжанцев, A. A. Маклаков // Трав¬матология и ортопедия России. — 2006. — № 2. — С. 33–39.

Беляков М. В. Применение углерод – углеродных имплантатов для переднего спондилодеза при воспалительных заболеваниях позвоночника (экспериментально-клини¬ческое исследование) : дис. ... канд. мед. наук / М. В. Беляков. — СПб., 2006. — 113 с.

Бурлаков С. В. Применение комбинированных углеродных и пористых никелид титановых имплантатов при радикально-восстановительных операциях у больных туберкулезом и остеомиелитом позвоночника : дис. … канд. мед. наук / С. В. Бурлаков. — СПб., 2009. — 87 с.

Steinbergn EL, Rath E, Shlaifer A, et al. Carbon fiber reinforced PEEK Optima-A composite material biomechanical properties and wear/debris characteristics of CF-PEEK composites for orthopedic trauma implants. J Mech. Behav. Biomed. Mater. 2013;17:221–228. DOI: 10.1016/j.jmbbm.2012.09.

Kim KS, Yang TK, Lee JC. Radiological changes in the bone fusion site after posterior lumbar interbody fusion using carbon cages im¬pacted with laminar bone chips: Eollow-up study over more than 4 years. Spine. 2005;30(6):655–660.

Hillock R, Howard S. Utility of carbon fiber implants in orthopedic surgery: literature review. Reconstructive Review. 2014;4(1):23–32. DOI: 10.15438/rr.v4i1.55.

Zimel MN, Hwang S, Riedel ER, Healey JH. Carbon fiber intramedullary nails reduce artifact in postopera¬tive advanced imaging. Skeletal Radiol. 2015;44(9):1317–1325. DOI: 10.1007/s00256-015-2158-9.

Шевченко С. Д. Электростимуляция регенерации при за¬мещении дефектов костей углеродными имплантатами / С. Д. Шевченко // Ортопедия, травматология и протези¬рование. — 1988. — № 7. — С. 32–35.