Какие виды обработки поверхности доступны для зубных имплантатов?

Имплантационная реставрация стала на сегодняшний день оптимальным методом восстановления эстетики и жевательной функции пациентов с отсутствующими зубами. Способность имплантата формировать стабильную остеоинтеграцию имеет решающее значение, поэтому обработка поверхности является ключевым направлением современных исследований в области оральной имплантологии. После физических, химических и биологических модификаций морфология поверхности, химический состав и биологическая активность титановых имплантатов изменяются, что приводит к успешному и стабильному формированию остеоинтеграции.

Ниже приводится всесторонний обзор методов модификации поверхности имплантатов с трех аспектов: физического, химического и биологического.

Что такое физическая модификация?

Физическая модификация включает изменение морфологии поверхности и шероховатости имплантатов с помощью физических методов, таких как плазменное напыление, пескоструйная обработка, лазерная обработка и т. д., чтобы обеспечить лучшую основу для остеоинтеграции.

1. Плазменная обработка

Технология плазменного напыления использует плазменную дугу, возбуждаемую постоянным током, в качестве источника тепла для нагрева материалов, таких как керамика, сплавы, металлы и т. д., до расплавленного или полурасплавленного состояния. Эти материалы затем быстро распыляются на предварительно обработанную поверхность имплантата, образуя прочно прикрепленный поверхностный слой. В настоящее время покрытия из гидроксиапатита широко используются в клинической практике. Частицы гидроксиапатита распыляются на поверхность имплантата при высоких температурах, и после быстрого охлаждения образуется слой, покрытый трещинами. Исследования показывают, что пористые титановые покрытия, напыленные атмосферной плазмой, могут повысить способность имплантатов из чистого титана к остеоинтеграции.

2. Ионная имплантация

Фундаментальный принцип технологии ионной имплантации заключается в направлении ионного луча внутрь имплантата, где ионы подвергаются ряду физических и химических взаимодействий с атомами или молекулами имплантата. Падающие ионы постепенно теряют энергию и в конечном итоге останавливаются в имплантате, вызывая изменения в составе поверхности, структуре и свойствах имплантата. Используя технологию ионной имплантации, такие элементы, как магний, цинк, кальций и серебро, можно имплантировать в поверхность имплантата для оптимизации его поверхностных свойств. Имплантация ионов серебра в титановые имплантаты, протравленные кислотой, может уменьшить подвижность наночастиц серебра, что приводит к превосходной антибактериальной активности и хорошей совместимости с клетками млекопитающих.

Введение ионов магния в поверхность имплантатов может усилить адгезию поверхностных клеток, что полезно для улучшения способности имплантата к остеоинтеграции. Использование технологии плазменной иммерсионной ионной имплантации и осаждения для введения ионов цинка в гладкую поверхность чистого титана может повысить его биосовместимость. Технология ионной имплантации универсальна, надежна и демонстрирует хорошую управляемость и повторяемость. Однако имплантированный слой тонкий, ионы могут перемещаться только по прямым линиям, а стоимость оборудования высока. Хотя перспективы применения широки, широкое внедрение создает проблемы.

3. Пескоструйная обработка

При пескоструйной очистке в качестве энергии используется сжатый воздух для создания высокоскоростной струи, которая распыляет абразивы на поверхность имплантатов, придавая им определенную степень чистоты и шероховатости. Пескоструйная обработка увеличивает площадь поверхности, улучшая адгезию и пролиферацию клеток, тем самым усиливая остеоинтеграцию.

4. Обработка рассасывающимися абразивными материалами.

Обработка поверхности рассасывающимися абразивными материалами предполагает напыление на поверхность имплантата кальций-фосфатной керамики. Титановый имплантат, обработанный рассасывающейся абразивной средой, может усилить эффект абсорбции после дезинфекции хлором, проявляя более высокую антибактериальную активность. Исследования показали, что имплантаты, обработанные рассасывающимися абразивными материалами, демонстрируют более высокий общий уровень успеха при имплантации без значительной потери альвеолярной кости. Используя этот метод для достижения определенной шероховатости поверхности, остаточные частицы фосфата кальция на поверхности можно удалить слабой кислотой, уменьшая задержку посторонних веществ. Это считается выгодным.

5. Физическое осаждение из паровой фазы

Физическое осаждение из паровой фазы (PVD) — это технология, которая работает в условиях вакуума и преобразует исходный материал — твердый или жидкий — в газообразные атомы, молекулы или частично ионизированные ионы. Это достигается за счет газа низкого давления, позволяющего наносить на поверхность имплантата функциональные тонкие пленки. В последние годы были разработаны крупномасштабные покрытия магнетронного напыления. Он демонстрирует высокую скорость осаждения, хорошую повторяемость процесса и легко автоматизируется. Применяемый для модификации поверхностей имплантатов, он улучшает контакт кости с имплантатом, демонстрируя значительный потенциал для развития.

6. Электроэрозионная обработка.

Электроэрозионная обработка (EDM) — это специализированный метод обработки, в котором используется эрозионный эффект импульсного разряда между двумя электродами, погруженными в рабочую жидкость, для удаления проводящих материалов. На обработанной поверхности имплантата образуется микрошероховатый и биологически активный слой диоксида титана, повышающий прочность соединения кость-имплантат и снижающий чувствительность окружающей кости к защите от напряжений. Эксперименты показали, что установка винтов имплантатов, обработанных EDM, в бедренные кости крупных белых кроликов приводит к значительному увеличению объема новой кости через одну неделю. Таким образом, электроэрозионная обработка, вероятно, является методом модификации поверхности, который способствует усиленной остеоинтеграции.

7. Термическая обработка

Термическая обработка — это комплексный процесс, при котором имплантат нагревается, поддерживается при определенной температуре, а затем охлаждается в определенной среде для контроля его характеристик путем изменения структуры поверхности или внутренней части. С повышением температуры также увеличиваются характеристики поверхности и биосовместимость имплантата. Нагревание титана в атмосфере или перекиси может образовать на его поверхности плотную оксидную пленку, повышающую биосовместимость. Эксперименты показали, что подготовка покрытия из нитрида титана на поверхности имплантата с использованием газообразного азота с последующей термообработкой раствором хлорида кальция определяет 120 градусов как критическую температуру для гидротермической обработки. Термическая обработка при температуре ниже 120 градусов может связывать кальций с поверхностью нитрида титана, сохраняя его морфологию и твердость, а также улучшая смачиваемость.

После термообработки адгезия и пролиферация клеток фибробластов на поверхности значительно улучшаются, что позволяет предположить, что гидротермальная обработка потенциально может обеспечить титановым покрытиям хорошую износостойкость и биосовместимость с мягкими тканями. Кроме того, посредством гидротермической обработки магний может фиксироваться на поверхности титана, увеличивая поглощение поверхностных белков, усиливая адгезию и распространение клеток, что указывает на то, что использование раствора хлорида магния для термообработки является эффективным методом повышения биосовместимости поверхностей титановых имплантатов.

8. Лазерное лечение

Лазерное лечение включает быстрый нагрев имплантата лазерным лучом в таких средах, как атмосфера или вакуум. Этот процесс обеспечивает локальный быстрый нагрев или охлаждение, вызывая изменения в структуре ткани или вводя другие материалы для улучшения характеристик поверхности. Исследования показали, что имплантаты с поверхностями, обработанными методом лазерного плавления, могут способствовать адгезии и пролиферации клеток. Эксперименты показывают, что покрытия из гидроксиапатита можно наносить на поверхности титана посредством импульсного лазерного осаждения, что приводит к более высоким механическим силам адгезии. Однако после лазерной абляции происходят значительные изменения в морфологии и шероховатости поверхности с менее заметной адгезией и пролиферацией остеобластоподобных клеток на обработанной поверхности.

9. Ультрафиолетовая обработка

Коротковолновое ультрафиолетовое (УФ) облучение может улучшить способность титановых имплантатов к остеоинтеграции. Имплантаты из чистого титана спиралевидной формы, протравленные кислотой, были имплантированы в диафиз бедренной кости кроликов после воздействия УФ-излучения в течение 48 часов и сравнивались с имплантатами, не подвергавшимися УФ-обработке. Результаты показывают, что УФ-обработка может увеличить объем кортикальной кости в коронковой части титановых имплантатов без снижения плотности кости. Кроме того, обработанные УФ-излучением поверхности имплантатов оказывают положительное влияние на поведение фибробластов десен человека, включая адгезию, пролиферацию и высвобождение коллагена, через 24 часа после обработки.

10. Наномасштабная обработка шероховатости поверхности

Благодаря нанотехнологиям имплантаты могут улучшить микроструктуру поверхности, способствуя остеоинтеграции и сокращая время заживления. Микро/субмикромасштабная шероховатость, наряду с наноразмерными особенностями, увеличивает дифференцировку остеогенных клеток и выработку местных факторов, что указывает на улучшенный потенциал остеоинтеграции имплантата в организме. Разнообразные размеры и распределение модифицированной поверхности имплантата определяют уникальные наноразмерные структуры, позволяющие модулировать соответствующие реакции кости в организме. Неопределенность, связанная с текущими технологическими разработками, делает его центром внимания для дальнейших исследований.

Что такое химическая модификация?

Химическая модификация поверхности означает изменение структуры и состояния поверхности посредством химической адсорбции или реакции между поверхностью имплантата и модификаторами поверхности. В настоящее время это наиболее часто используемый метод модификации поверхности, включая анодирование, кислотно-щелочную обработку, золь-гель-метод и т. д.

1. Анодирование

Анодирование — это процесс образования оксидной пленки на поверхности металлического анода в присутствии электролита и определенных технологических условиях под действием приложенного электрического тока. Пористая поверхность, создаваемая анодированием титановых имплантатов, усиливает реакцию остеогенных клеток, усиливает экспрессию остеогенных генов и улучшает наномеханические свойства минерализованной ткани. Исследования показали, что анодирование титана и титан-циркониевого сплава в электролите, содержащем DL- -глицерофосфат и ацетат кальция, увеличивает содержание кислорода, кальция и фосфора на поверхности имплантата. Увеличивается средняя шероховатость, значительно уменьшается контактный угол, значительно увеличивается пролиферация клеток, активность щелочной фосфатазы и отложение кальция вокруг имплантата, что способствует усилению остеоинтеграции. Развитие титано-циркониевых сплавов также открыло новые возможности для анодирования.

2. Микродуговое оксидирование

Микродуговое оксидирование основано на кратковременных воздействиях высокой температуры и высокого давления, создаваемых дуговым разрядом на поверхности титана и его сплавов в сочетании с электролитом и определенными электрическими параметрами для формирования слоя керамической пленки на основе оксидов металлов. Микродуговое оксидирование может создавать нанобиоактивные слои оксида титана, улучшать адгезию имплантата и увеличивать прочность адгезии клеток. С помощью микродугового оксидирования можно получить пористые гидроксиапатитовые покрытия на поверхностях титановых сплавов, что значительно улучшает контакт кость-имплантат и механические свойства на контактной поверхности, тем самым способствуя росту кости.

3. Плазменное электролитическое окисление.

Плазменное электролитическое оксидирование — это метод, в котором используется высокое напряжение и большой ток для создания мгновенного плазменного микродугового разряда на поверхности электрода, погруженного в электролит, прорывающего пассивирующий слой и спекания с образованием керамической оксидной пленки. Экспериментальные результаты показывают, что покрытия, обработанные плазмой, обладают повышенной гидрофильностью, заметной способностью к клеточной адсорбции и повышенным синтезом коллагена. Двухслойные покрытия гидроксиапатит-диоксид титана, полученные методом плазменно-электролитического окисления, обладают биологической активностью гидроксиапатита и улучшенной морфологией диоксида титана, эффективно способствуя остеоинтеграции. Этот метод имеет большие перспективы в биомедицинских приложениях.

4. Электроосаждение

Использование методов электрохимического осаждения для нанесения покрытий из фосфата кальция, легированного стронцием, на поверхности имплантатов усиливает пролиферацию остеобластов, что позволяет предположить, что покрытия из фосфата кальция, легированного стронцием, могут способствовать усилению образования кости вокруг имплантата. Первоначально поверхности титана подвергаются анодированию с образованием нанотрубок диоксида титана, а затем углеродные нанотрубки электрофоретически осаждаются на нанотрубки диоксида титана. Результаты показывают, что покрытие углеродными нанотрубками нанотрубок диоксида титана помогает улучшить их биологическую активность, что делает этот тип модификации поверхности подходящим для биомедицинских применений.

5. Кислотно-щелочная обработка

Кислотно-основная обработка предполагает использование химических процессов для создания стабильного соединения или изменения морфологии поверхности имплантата посредством химического или электрохимического взаимодействия с кислой средой. Кислотное травление — это явление, при котором поверхность имплантата претерпевает изменение морфологии из-за химического или электрохимического взаимодействия с кислой средой, что существенно влияет на контакт кости с имплантатом. Это надежный метод модификации поверхности. Поверхности, обработанные щелочной термической обработкой, обладают такими характеристиками, как большое количество упорядоченных наношипов и однородная пористая внутренняя сеть, напоминающая губку. Это усиливает синтез коллагена в фибробластах десны, что приводит к хорошей устойчивости к прикреплению пародонтоподобной соединительной ткани. Щелочная термическая обработка может улучшить контакт кости с имплантатом, эффективно применяемая к термически напылённому металлическому титану для повышения прочности остеоинтеграции.

6. Золь-гель метод

Золь-гель метод предполагает использование соединений с высокой химической активностью в качестве прекурсоров для создания однородной прозрачной золь-системы в жидких условиях. Затем эти материалы равномерно смешиваются, подвергаются реакциям гидролиза и конденсации, образуют стабильные прозрачные системы золей и в конечном итоге в результате старения превращаются в гели. После высыхания спекание затвердевает гель, в результате чего получаются молекулярные и даже наноструктурированные материалы. Органические полимеры можно наносить золь-гель-методом для придания биологической активности поверхности диоксида титана. Например, модификация поверхности с использованием поли(этиленгликольтерефталата) повышает механическую стабильность, биосовместимость, превосходную способность к остеоинтеграции и способность костной проводимости поверхности, контактирующей с костью и имплантатом. Сочетание мягкой литографии и золь-геля — это метод создания микроузоров из биологически активных наночастиц на поверхности имплантатов, направляющих регенерацию тканей. Используя этот метод для создания тонкой пленки оксида циркония с кремнием микроразмеров, было обнаружено, что он биосовместим и способен индуцировать адгезию, пролиферацию и распространение остеобластов. Его можно использовать для управления регенерацией тканей пародонта, тем самым способствуя отложению плотной ткани и предотвращая рецессию десны и периимплантит.

Что такое биологическая модификация?

В последние годы биомодификация поверхности имплантатов стала горячей точкой исследований, целью которых является придание биоактивных функций покрытию имплантатов с высокой механической стабильностью. Одновременно цель состоит в том, чтобы имитировать структуру и композиционные характеристики натуральной кости, чтобы лучше способствовать росту костей. Вот несколько вводных сведений о различных методах.

1. Технология самостоятельной сборки

Самосборка относится к методу, при котором основные структурные единицы спонтанно образуют упорядоченные структуры. Технология самосборки монослоев на титановых поверхностях использует несколько различных функциональных групп для лучшей иммобилизации биохимических агентов, обеспечивая химическую структуру поверхности с определенной управляемостью. Послойная самосборка предполагает попеременное нанесение мультислоев полиэлектролита на заряженную подложку в растворе с противоположно заряженным полиэлектролитом. При использовании послойного метода с функционализацией титановых поверхностей хитозаном/миРНК смачиваемость поверхности, морфология и шероховатость чередуются в процессе формирования пленки, что значительно способствует дифференцировке остеогенных клеток. Создание многослойных покрытий из лизоцима с использованием наночастиц серебра, хитозана и гиалуроновой кислоты в качестве сырья является стратегией получения долговечных антибактериальных многослойных покрытий, эффективно предотвращающих ранние инфекции имплантатов. Технология самосборки проста, не требует специального оборудования и обеспечивает контроль структуры мембраны на молекулярном уровне, что в последние годы привлекает всеобщее внимание.

2. Адсорбция биомолекул.

Адсорбция – это явление, при котором молекулы или ионы окружающей среды притягиваются к поверхности имплантата. Физическая адсорбция в основном определяется межмолекулярными силами, тогда как химическая адсорбция основана на химических связях между молекулами. Используя закрепляющие пептиды для придания биологической функциональности поверхности имплантата, специфические поверхностно-связывающиеся пептиды в среде культуры клеток демонстрируют стабильную адсорбцию, повышая биосовместимость имплантата. Хитозан, альгинат натрия, сшитый хитозаном, и пектин, сшитый хитозаном, ковалентно связанным с поверхностями титана, могут улучшить смачиваемость и придать поверхностям, покрытым хитозаном, свойства набухания и высвобождения лекарственного средства. Ковалентная фиксация полидофаминового покрытия белком коллагена также может быть методом улучшения характеристик поверхности. По сравнению с физической адсорбцией химическая адсорбция, использующая силы химических связей, обеспечивает большую энергию и стабильность адсорбции.

3. Покрытия из биоактивных материалов

Биоактивные материалы обычно относятся к неживым материалам, используемым в медицинских целях, предназначенным для контакта с живыми тканями и реализации их биоактивных функций. Биоактивное стекло — это материал, способный восстанавливать, заменять и регенерировать ткани организма, образуя связи между тканями и материалами. Продукты его деградации могут способствовать выработке факторов роста и пролиферации клеток, усиливать экспрессию генов остеобластов и способствовать росту костной ткани. Нанесение его на имплантаты позволяет безопасно и эффективно добиться остеоинтеграции, что представляет собой направление развития материалов для покрытия зубных имплантатов.

Кроме того, для модификации поверхности имплантатов можно использовать многочисленные биоактивные препараты. Например, покрытие титановых имплантатов раствором полиэтилентерефталата/1,25-дигидроксивитамина D3 с использованием технологии электропрядения может привести к образованию частиц субмикронного размера, которые стимулируют костеобразование. Применение ресвератрола, противовоспалительной молекулы, для модификации поверхности или покрытия имплантатов может ускорить формирование кости. Комбинирование антибиотиков широкого спектра действия, таких как стрептомицин, на поверхности имплантатов может улучшить костеобразование и снизить риск инфекций вокруг имплантатов.

4. Биомиметическое осаждение

Биомиметическое отложение имитирует механизм минерализации гидроксиапатита в организме. Покрытия из гидроксиапатита естественным образом осаждаются на поверхности подложки в водном растворе в условиях, аналогичных среде организма. При использовании мезенхимальных стволовых клеток костного мозга, индуцированных in vitro на биомиметически модифицированных поверхностях титановых сплавов, улучшается их адгезионная способность и увеличивается скорость пролиферации. Биомиметическое осаждение гидроксиапатита на поверхности титана после обработки смешанной кислотой может вызвать биологическую активность титана. При изучении влияния времени погружения в моделируемую жидкость организма на активность остеогенных клеток анодированных титановых нанотрубок было обнаружено, что 3-часовое погружение является оптимальным. Погружение в 10-кратную модельную жидкость организма является быстрой и экономичной технологией улучшения остеоинтеграции анодного титанового имплантата. Однако потенциал биологической активности имплантатов может быть ограничен чрезмерным и неконтролируемым покрытием из гидроксиапатита.

Вышеупомянутые модификации поверхности имплантатов в последние годы стали горячей точкой исследований. Методы разнообразны, и достигнут значительный прогресс в стимулировании костеобразования, остеоинтеграции и устойчивости к инфекциям. Комбинированные приложения могут привести к более полной производительности и могут стать тенденцией в будущих исследованиях.