Jakie różne metody obróbki powierzchni są dostępne dla implantów dentystycznych?

Odbudowa implantów stała się obecnie optymalną metodą przywracania estetyki i funkcji żucia pacjentom z brakującymi zębami. Zdolność implantu do tworzenia stabilnej osteointegracji ma kluczowe znaczenie, co sprawia, że ​​obróbka powierzchniowa jest kluczowym przedmiotem bieżących badań w dziedzinie implantologii jamy ustnej. Poddane modyfikacjom fizycznym, chemicznym i biologicznym morfologia powierzchni, skład chemiczny i aktywność biologiczna implantów tytanowych ulegają zmianie, co prowadzi do pomyślnego i stabilnego tworzenia się osteointegracji.

Poniżej znajduje się kompleksowy przegląd metod modyfikacji powierzchni implantów w trzech aspektach: fizycznym, chemicznym i biologicznym.

Co to jest modyfikacja fizyczna?

Modyfikacja fizyczna polega na zmianie morfologii powierzchni i chropowatości implantów za pomocą metod fizycznych, takich jak natryskiwanie plazmowe, piaskowanie, obróbka laserowa itp., aby zapewnić lepszą podstawę do osteointegracji.

1. Obróbka plazmowa

Technologia natryskiwania plazmowego wykorzystuje łuk plazmowy napędzany prądem stałym jako źródło ciepła do podgrzewania materiałów takich jak ceramika, stopy, metale itp. do stanu stopionego lub półstopionego. Materiały te są następnie szybko natryskiwane na wstępnie obrobioną powierzchnię implantu, tworząc mocno przylegającą warstwę powierzchniową. Obecnie w zastosowaniach klinicznych powszechnie stosowane są powłoki hydroksyapatytowe. Cząsteczki hydroksyapatytu natryskuje się na powierzchnię implantu w wysokich temperaturach, a po szybkim schłodzeniu tworzy się warstwa pokryta pęknięciami. Badania wskazują, że porowate powłoki tytanowe natryskiwane plazmą atmosferyczną mogą zwiększać zdolność implantów z czystego tytanu do osteointegracji.

2. Implantacja jonowa

Podstawowa zasada technologii implantacji jonów polega na skierowaniu wiązki jonów do implantu, gdzie jony podlegają szeregowi oddziaływań fizycznych i chemicznych z atomami lub cząsteczkami w implancie. Padające jony stopniowo tracą energię i ostatecznie zatrzymują się w implancie, powodując zmiany w składzie powierzchni, strukturze i właściwościach implantu. Wykorzystując technologię implantacji jonowej, na powierzchnię implantu można wszczepić pierwiastki takie jak magnez, cynk, wapń i srebro, aby zoptymalizować jego właściwości powierzchniowe. Wszczepienie jonów srebra do wytrawionych kwasem implantów tytanowych może zmniejszyć ruchliwość nanocząstek srebra, co skutkuje doskonałą aktywnością przeciwbakteryjną i dobrą kompatybilnością z komórkami ssaków.

Wstrzykiwanie jonów magnezu do powierzchni implantów może zwiększyć adhezję komórek powierzchniowych, co jest korzystne dla poprawy zdolności implantu do osteointegracji. Zastosowanie technologii implantacji i osadzania jonów metodą zanurzeniową w plazmie w celu wstrzyknięcia jonów cynku na gładką powierzchnię czystego tytanu może zwiększyć jego biokompatybilność. Technologia implantacji jonów jest wszechstronna, solidna i charakteryzuje się dobrą sterowalnością i powtarzalnością. Jednakże wszczepiona warstwa jest cienka, jony mogą przemieszczać się jedynie po liniach prostych, a koszt sprzętu jest wysoki. Chociaż perspektywy zastosowań są szerokie, powszechne przyjęcie stwarza wyzwania.

3. Obróbka piaskowaniem

Piaskowanie wykorzystuje sprężone powietrze jako energię do wytworzenia strumienia o dużej prędkości, który natryskuje materiały ścierne na powierzchnię implantów, zapewniając im pewien stopień czystości i chropowatości. Piaskowanie zwiększa powierzchnię, poprawiając adhezję i proliferację komórek, zwiększając w ten sposób osteointegrację.

4. Obróbka wchłanialnymi środkami ściernymi

Obróbka powierzchni wchłanialnymi środkami ściernymi polega na natryskiwaniu ceramiki z fosforanu wapnia na powierzchnię implantu. Implant tytanowy potraktowany wchłanialnym środkiem ściernym może zwiększyć efekt absorpcji po dezynfekcji chlorem, wykazując wyższą aktywność antybakteryjną. Badania wykazały, że implanty potraktowane wchłanialnym materiałem ściernym wykazują wyższy ogólny wskaźnik powodzenia implantacji, bez znaczącej utraty kości wyrostka zębodołowego. Stosując tę ​​metodę w celu uzyskania określonej chropowatości powierzchni, resztkowe cząsteczki fosforanu wapnia na powierzchni można usunąć za pomocą słabego kwasu, zmniejszając zatrzymywanie obcych substancji. Uważa się to za korzystne.

5. Fizyczne osadzanie z fazy gazowej

Fizyczne osadzanie z fazy gazowej (PVD) to technologia działająca w warunkach próżniowych, przekształcająca źródło materiału – stałe lub ciekłe – w gazowe atomy, cząsteczki lub częściowo zjonizowane jony. Osiąga się to za pomocą gazu pod niskim ciśnieniem, umożliwiającego osadzanie się na powierzchni implantu w celu wytworzenia funkcjonalnych cienkich warstw. W ostatnich latach opracowano wielkoskalowe powłoki metodą rozpylania magnetronowego. Charakteryzuje się dużą szybkością osadzania, dobrą powtarzalnością procesu i możliwością łatwej automatyzacji. Stosowany przy modyfikacji powierzchni implantów poprawia kontakt kości z implantem, wykazując znaczny potencjał rozwojowy.

6. Obróbka elektroerozyjna

Obróbka elektroerozyjna (EDM) to wyspecjalizowana metoda przetwarzania, która wykorzystuje erozyjny efekt pulsacyjnego wyładowania pomiędzy dwiema elektrodami zanurzonymi w płynie roboczym w celu usunięcia materiałów przewodzących. Na poddanej obróbce powierzchni implantu wytwarza się mikroszorstka i biologicznie aktywna warstwa dwutlenku tytanu, zwiększająca wytrzymałość połączenia kość-implant i zmniejszająca wrażliwość otaczającej kości na osłonę naprężeniową. Eksperymenty wykazały, że umieszczenie śrub implantów poddanych obróbce EDM w kościach udowych dużych białych królików powoduje znaczny wzrost objętości nowej kości po tygodniu. Dlatego też obróbka elektroerozyjna jest prawdopodobnie metodą modyfikacji powierzchni, która wspiera zwiększoną osteointegrację.

7. Obróbka cieplna

Obróbka cieplna to kompleksowy proces, podczas którego implant jest podgrzewany, utrzymywany w określonej temperaturze, a następnie schładzany w określonym ośrodku w celu kontrolowania jego działania poprzez zmianę struktury powierzchni lub wnętrza. Wraz ze wzrostem temperatury zwiększają się również właściwości powierzchni i biokompatybilność implantu. Ogrzewanie tytanu w atmosferze lub nadtlenku może spowodować utworzenie na jego powierzchni gęstej warstwy tlenku, zwiększając biokompatybilność. Eksperymenty wykazały, że przygotowanie powłoki azotku tytanu na powierzchni implantu za pomocą azotu, a następnie obróbka cieplna roztworem chlorku wapnia, określa temperaturę 120 stopni jako temperaturę krytyczną dla obróbki hydrotermicznej. Obróbka cieplna poniżej 120 stopni może związać wapń z powierzchnią azotku tytanu, zachowując jego morfologię i twardość oraz poprawiając zwilżalność.

Po obróbce cieplnej adhezja i proliferacja komórek fibroblastów na powierzchni znacznie się poprawia, co sugeruje, że obróbka hydrotermalna może potencjalnie zapewnić powłoki tytanowe o dobrej odporności na zużycie i biokompatybilności z tkankami miękkimi. Dodatkowo, poprzez obróbkę hydrotermalną, magnez można utrwalić na powierzchni tytanu, zwiększając absorpcję białek powierzchniowych, zwiększając adhezję i rozprzestrzenianie się komórek, co wskazuje, że zastosowanie roztworu chlorku magnezu do obróbki cieplnej jest skuteczną metodą zwiększania biokompatybilności powierzchni implantów tytanowych.

8. Leczenie laserowe

Leczenie laserowe polega na szybkim podgrzaniu implantu za pomocą wiązki lasera w środowiskach takich jak atmosfera lub próżnia. W procesie tym dochodzi do miejscowego szybkiego ogrzewania lub chłodzenia, wywołując zmiany w strukturze tkanki lub wprowadzając inne materiały w celu poprawy właściwości powierzchniowych. Badania wykazały, że implanty z powierzchniami poddanymi obróbce laserowego topienia powierzchni mogą sprzyjać adhezji i proliferacji komórek. Eksperymenty wskazują, że powłoki hydroksyapatytowe można osadzać na powierzchniach tytanu za pomocą osadzania laserem impulsowym, co skutkuje większymi siłami przyczepności mechanicznej. Jednak po zabiegu ablacji laserowej pojawiają się znaczące zmiany w morfologii i chropowatości powierzchni, z mniej zauważalną adhezją i proliferacją komórek osteoblastopodobnych na leczonej powierzchni.

9. Leczenie ultrafioletem

Krótkofalowe promieniowanie ultrafioletowe (UV) może zwiększyć zdolność implantów tytanowych do osteointegracji. Implanty z czystego tytanu w kształcie spirali, wytrawione kwasem, wszczepiano do trzonów kości udowych królików po ekspozycji na światło UV przez 48 godzin w porównaniu z implantami niepoddawanymi działaniu promieni UV. Wyniki wskazują, że leczenie promieniami UV może zwiększyć objętość kości korowej w położeniu koronowym implantów tytanowych bez zmniejszania gęstości kości. Dodatkowo powierzchnie implantów poddane działaniu promieni UV wykazują pozytywny wpływ na zachowanie ludzkich fibroblastów dziąseł, w tym na adhezję, proliferację i uwalnianie kolagenu, 24 godziny po zabiegu.

10. Szorstkowanie powierzchni w skali nano

Dzięki nanotechnologii implanty mogą uzyskać lepszą mikrostrukturę powierzchni, sprzyjając osteointegracji i skracając czas gojenia. Chropowatość w skali mikro/submikro, wraz z cechami w nanoskali, zwiększa różnicowanie komórek osteogennych i wytwarzanie czynników lokalnych, co sugeruje lepszy potencjał osteointegracji implantu w organizmie. Zróżnicowane wymiary i rozkład zmodyfikowanej powierzchni implantu determinują unikalne struktury w nanoskali, umożliwiające modulację odpowiednich reakcji kości w organizmie. Niepewność związana z bieżącym rozwojem technologii sprawia, że ​​jest to punkt centralny dalszych badań.

Co to jest modyfikacja chemiczna?

Chemiczna modyfikacja powierzchni odnosi się do zmiany struktury i stanu powierzchni poprzez adsorpcję chemiczną lub reakcję pomiędzy powierzchnią implantu a modyfikatorami powierzchni. Jest to obecnie najczęściej stosowana metoda modyfikacji powierzchni, obejmująca anodowanie, obróbkę kwasowo-zasadową, technikę zol-żel itp.

1. Anodowanie

Anodowanie to proces tworzenia warstwy tlenku na powierzchni metalowej anody w obecności elektrolitu i określonych warunkach procesu pod wpływem przyłożonego prądu elektrycznego. Porowata powierzchnia utworzona przez anodowanie implantów tytanowych wzmacnia reakcje komórek osteogennych, wzmacnia ekspresję genów osteogennych i poprawia nanomechaniczne właściwości zmineralizowanej tkanki. Badania wykazały, że anodowanie tytanu i stopu tytanu-cyrkonu w elektrolicie zawierającym DL- -glicerofosforan i octan wapnia zwiększa zawartość tlenu, wapnia i fosforu na powierzchni implantu. Zwiększa się średnia chropowatość, znacząco zmniejsza się kąt zwilżania, znacznie wzrasta proliferacja komórek, aktywność fosfatazy zasadowej i odkładanie się wapnia wokół implantu, przyczyniając się do wzmożonej osteointegracji. Rozwój stopów tytanu i cyrkonu stworzył także nowe możliwości anodowania.

2. Utlenianie mikrołukiem

Utlenianie mikrołukiem opiera się na przejściowych efektach wysokiej temperatury i wysokiego ciśnienia wytwarzanych przez wyładowanie łukowe na powierzchni tytanu i jego stopów w połączeniu z elektrolitem i określonymi parametrami elektrycznymi, tworząc warstwę folii ceramicznej na bazie tlenków metali. Utlenianie mikrołukiem może tworzyć nanobioaktywne warstwy tlenku tytanu, poprawiać przyczepność implantu i zwiększać siłę adhezji komórek. Stosując utlenianie mikrołukiem, można przygotować porowate powłoki hydroksyapatytowe na powierzchniach stopu tytanu, znacznie poprawiając kontakt kości z implantem i właściwości mechaniczne na styku, promując w ten sposób wzrost kości.

3. Utlenianie elektrolityczne w plazmie

Utlenianie elektrolityczne w plazmie to technika wykorzystująca wysokie napięcie i duży prąd do wygenerowania natychmiastowego wyładowania plazmowego mikrołuku na powierzchni elektrody zanurzonej w elektrolicie, przebicia się przez warstwę pasywacyjną i spiekania, tworząc warstwę tlenku ceramicznego. Wyniki eksperymentów pokazują, że powłoki poddane obróbce plazmowej wykazują zwiększoną hydrofilowość, zauważalne zachowanie adsorpcji komórek i zwiększoną syntezę kolagenu. Dwuwarstwowe powłoki hydroksyapatytowo-dwutlenek tytanu przygotowane przez utlenianie elektrolityczne w plazmie posiadają bioaktywność hydroksyapatytu i ulepszoną morfologię dwutlenku tytanu, skutecznie sprzyjając osteointegracji. Metoda ta jest bardzo obiecująca w zastosowaniach biomedycznych.

4. Elektroosadzanie

Stosowanie technik elektrochemicznego osadzania w celu osadzania powłok z fosforanu wapnia domieszkowanego strontem na powierzchni implantów wzmaga proliferację osteoblastów, co sugeruje, że powłoki z fosforanu wapnia domieszkowanego strontem mogą przyczyniać się do zwiększonego tworzenia kości wokół implantu. Początkowo powierzchnie tytanu poddawane są anodowaniu w celu utworzenia nanorurek dwutlenku tytanu, a następnie nanorurki węglowe są osadzane elektroforetycznie na nanorurkach dwutlenku tytanu. Wyniki wskazują, że powlekanie nanorurek węglowych nanorurkami z dwutlenku tytanu pomaga poprawić ich bioaktywność, dzięki czemu tego typu modyfikacja powierzchni nadaje się do zastosowań biomedycznych.

5. Obróbka kwasowo-zasadowa

Obróbka kwasowo-zasadowa polega na zastosowaniu procesów chemicznych w celu wytworzenia stabilnego związku lub zmiany morfologii powierzchni implantu poprzez oddziaływania chemiczne lub elektrochemiczne z ośrodkami kwaśnymi. Wytrawianie kwasem to zjawisko polegające na zmianie morfologii powierzchni implantu na skutek interakcji chemicznych lub elektrochemicznych z mediami kwaśnymi, znacząco wpływającymi na kontakt kości z implantem. Jest to niezawodna metoda modyfikacji powierzchni. Powierzchnie poddane obróbce termicznej metodą alkaliczną wykazują takie cechy, jak duża liczba uporządkowanych nanospików i jednolita porowata sieć wewnętrzna przypominająca gąbkę. Zwiększa to syntezę kolagenu w fibroblastach dziąseł, co skutkuje dobrą odpornością na przyczepianie się tkanki łącznej o charakterze przyzębia. Obróbka termiczna alkaliami może zwiększyć kontakt kości z implantem, skutecznie stosowana do natryskiwanego termicznie tytanu metalicznego w celu zwiększenia siły osteointegracji.

6. Metoda zol-żel

Metoda zol-żel polega na wykorzystaniu związków o dużej aktywności chemicznej jako prekursorów do stworzenia jednolitego, przezroczystego układu zoli w warunkach ciekłych. Materiały te są następnie równomiernie mieszane, ulegają reakcjom hydrolizy i kondensacji, tworzą stabilne przezroczyste układy zoli i ostatecznie w wyniku starzenia przekształcają się w żele. Po wyschnięciu spiekanie zestala żel, w wyniku czego powstają materiały molekularne, a nawet nanostrukturalne. Polimery organiczne można nakładać metodą zol-żel w celu nadania aktywności biologicznej powierzchni dwutlenku tytanu. Na przykład modyfikacja powierzchni za pomocą poli(tereftalanu glikolu etylenowego) zwiększa stabilność mechaniczną, biokompatybilność, doskonałą zdolność do osteointegracji i zdolność przewodzenia kostnego powierzchni styku kości z implantem. Połączenie miękkiej litografii i zolu-żelu to metoda tworzenia mikrowzorów biologicznie aktywnych nanocząstek na powierzchni implantów, kierujących regeneracją tkanek. Stosując tę ​​metodę do wytworzenia cienkiej warstwy tlenku cyrkonu z mikrocząstkami krzemu, stwierdzono, że jest on biokompatybilny i zdolny do indukowania adhezji, proliferacji i rozprzestrzeniania się osteoblastów. Można go stosować do wspomagania regeneracji tkanki przyzębia, sprzyjając w ten sposób odkładaniu się gęstej tkanki i zapobiegając recesji dziąseł i zapaleniu tkanek wokół implantu.

Co to jest modyfikacja biologiczna?

W ostatnich latach biomodyfikacja powierzchni implantów stała się gorącym punktem badań, których celem jest nadanie powłokom implantów funkcji bioaktywnych o wysokiej stabilności mechanicznej. Jednocześnie celem jest naśladowanie struktury i cech składu naturalnej kości, aby lepiej promować wzrost kości. Oto kilka wprowadzenia do różnych metod.

1. Technologia samodzielnego montażu

Samoorganizacja odnosi się do techniki, w której podstawowe jednostki strukturalne spontanicznie tworzą uporządkowane struktury. Technologia samoorganizacji jednowarstwowej na powierzchniach tytanu wykorzystuje kilka różnych grup funkcyjnych, aby lepiej unieruchomić środki biochemiczne, zapewniając pewną kontrolę nad chemicznym projektowaniem powierzchni. Samoorganizacja warstwa po warstwie polega na naprzemiennym osadzaniu wielowarstw polielektrolitu na naładowanym podłożu w roztworze z przeciwnie naładowanym polielektrolitem. Stosując metodę warstwa po warstwie z chitozanem/siRNA funkcjonalizującym powierzchnie tytanu, zwilżalność, morfologia i chropowatość powierzchni zmieniają się podczas procesu tworzenia błony, znacząco sprzyjając różnicowaniu komórek osteogennych. Opracowanie wielowarstwowych powłok lizozymowych z wykorzystaniem nanocząstek srebra, chitozanu i kwasu hialuronowego jako surowców to strategia wytwarzania długotrwałych antybakteryjnych wielowarstwowych powłok, skutecznie zapobiegająca wczesnym infekcjom implantów. Technologia samodzielnego montażu jest prosta, nie wymaga specjalnego sprzętu i zapewnia kontrolę struktury membrany na poziomie molekularnym, co w ostatnich latach zyskało szerokie zainteresowanie.

2. Adsorpcja biocząsteczek

Adsorpcja odnosi się do zjawiska, w którym cząsteczki lub jony z otaczającego ośrodka są przyciągane do powierzchni implantu. Adsorpcja fizyczna zależy głównie od sił międzycząsteczkowych, podczas gdy adsorpcja chemiczna opiera się na wiązaniach chemicznych między cząsteczkami. Wykorzystując peptydy kotwiczące w celu dodania funkcjonalności biologicznej powierzchni implantu, specyficzne peptydy wiążące się z powierzchnią w pożywce do hodowli komórkowej wykazują stabilną adsorpcję, zwiększając biokompatybilność implantu. Chitozan, alginian sodu usieciowany chitozanem i pektyna usieciowana chitozanem kowalencyjnie związanym z powierzchniami tytanu mogą poprawić zwilżalność i zapewnić powierzchniom pokrytym chitozanem pęcznienie i uwalnianie leku. Kowalencyjne utrwalanie powłoki polidopaminowej białkiem kolagenowym może być również metodą poprawy właściwości powierzchniowych. W porównaniu do adsorpcji fizycznej, adsorpcja chemiczna, wykorzystująca siły wiązań chemicznych, zapewnia większą energię i stabilność adsorpcji.

3. Powłoki z materiałów bioaktywnych

Materiały bioaktywne ogólnie odnoszą się do materiałów nieożywionych stosowanych do celów medycznych, przeznaczonych do kontaktu z żywymi tkankami i realizowania swoich funkcji bioaktywnych. Szkło bioaktywne to materiał zdolny do naprawy, wymiany i regeneracji tkanek w organizmie, tworząc wiązania między tkankami i materiałami. Produkty degradacji mogą promować wytwarzanie czynników wzrostu i proliferację komórek, zwiększać ekspresję genów osteoblastów i ułatwiać wzrost tkanki kostnej. Powlekanie nim implantów pozwala bezpiecznie i skutecznie osiągnąć osteointegrację, co reprezentuje kierunek rozwoju materiałów powlekających implanty dentystyczne.

Ponadto do modyfikacji powierzchni implantów można zastosować wiele leków bioaktywnych. Na przykład powlekanie implantów tytanowych roztworem politereftalanu etylenu/1,25-dihydroksywitaminy D3 przy użyciu technologii elektroprzędzenia może wytworzyć cząstki o wielkości submikronowej, które stymulują tworzenie kości. Zastosowanie resweratrolu, cząsteczki przeciwzapalnej, do modyfikacji powierzchni lub powlekania implantów może przyspieszyć tworzenie się kości. Łączenie antybiotyków o szerokim spektrum działania, takich jak streptomycyna, na powierzchni implantów może poprawić tworzenie kości i zmniejszyć ryzyko infekcji wokół implantów.

4. Depozycja biomimetyczna

Odkładanie się biomimetyczne naśladuje mechanizm mineralizacji hydroksyapatytu w organizmie. Powłoki hydroksyapatytowe naturalnie osadzają się na powierzchni podłoża w roztworze wodnym w warunkach zbliżonych do środowiska ludzkiego. Wykorzystując mezenchymalne komórki macierzyste szpiku kostnego indukowane in vitro na biomimetycznie modyfikowanych powierzchniach stopu tytanu, poprawia się ich zdolność adhezyjna i zwiększa się tempo proliferacji. Biomimetyczne osadzanie się hydroksyapatytu na powierzchniach tytanu po obróbce mieszanymi kwasami może indukować aktywność biologiczną tytanu. Badając wpływ symulowanego czasu zanurzenia w płynach ustrojowych na aktywność komórek osteogennych anodyzowanych nanorurek tytanowych, stwierdzono, że optymalne było zanurzenie na 3-godzinę. Zanurzenie w 10-krotnie większym niż symulowany płynie ustrojowym jest szybką i ekonomiczną technologią poprawiającą osteointegrację anodowego implantu tytanowego. Jednakże potencjał bioaktywności implantów może być ograniczony przez nadmierne i niekontrolowane powłoki hydroksyapatytowe.

Powyższe modyfikacje powierzchni implantów były w ostatnich latach przedmiotem gorących badań. Metody są różnorodne i poczyniono znaczny postęp w promowaniu tworzenia kości, osteointegracji i odporności na infekcje. Połączone zastosowania mogą prowadzić do bardziej wszechstronnych wyników i mogą stanowić trend w przyszłym rozwoju badań.