Aké rôzne povrchové úpravy sú k dispozícii pre zubné implantáty?

Obnova implantátu sa stala súčasnou optimálnou metódou na obnovenie estetiky a funkcie žuvania u pacientov s chýbajúcimi zubami. Schopnosť implantátu vytvárať stabilnú osseointegráciu je kľúčová, vďaka čomu je povrchová úprava kľúčovým zameraním súčasného výskumu v oblasti orálnej implantológie. Po fyzikálnych, chemických a biologických modifikáciách sa mení povrchová morfológia, chemické zloženie a biologická aktivita titánových implantátov, čo vedie k úspešnej a stabilnej tvorbe osseointegrácie.

Nasleduje komplexný prehľad metód povrchovej úpravy implantátov z troch hľadísk: fyzikálneho, chemického a biologického.

Čo je fyzická modifikácia?

Fyzikálna modifikácia zahŕňa zmenu povrchovej morfológie a drsnosti implantátov pomocou fyzikálnych metód, ako je plazmové striekanie, pieskovanie, laserové ošetrenie atď., aby sa poskytol lepší základ pre osseointegráciu.

1. Liečba plazmou

Technológia plazmového striekania využíva plazmový oblúk poháňaný jednosmerným prúdom ako zdroj tepla na ohrev materiálov, ako je keramika, zliatiny, kovy atď., do roztaveného alebo poloroztaveného stavu. Tieto materiály sa potom rýchlo nastriekajú na vopred upravený povrch implantátu, čím sa vytvorí pevne pripojená povrchová vrstva. V súčasnosti sa v klinických aplikáciách bežne používajú hydroxyapatitové povlaky. Častice hydroxyapatitu sa pri vysokých teplotách nastriekajú na povrch implantátu a po rýchlom ochladení sa vytvorí vrstva pokrytá trhlinami. Výskum naznačuje, že atmosférické plazmou striekané porézne titánové povlaky môžu zvýšiť schopnosť osseointegrácie čistých titánových implantátov.

2. Iónová implantácia

Základný princíp technológie iónovej implantácie zahŕňa smerovanie iónového lúča do implantátu, kde ióny podliehajú sérii fyzikálnych a chemických interakcií s atómami alebo molekulami v implantáte. Dopadajúce ióny postupne strácajú energiu a nakoniec zostanú v implantáte, čo spôsobí zmeny v zložení povrchu, štruktúre a vlastnostiach implantátu. Pomocou technológie iónovej implantácie možno do povrchu implantátu implantovať prvky ako horčík, zinok, vápnik a striebro, aby sa optimalizovali jeho povrchové vlastnosti. Implantácia iónov striebra do titánových implantátov leptaných kyselinou môže znížiť pohyblivosť nanočastíc striebra, čo má za následok vynikajúcu antibakteriálnu aktivitu a dobrú kompatibilitu s bunkami cicavcov.

Injekcia horčíkových iónov do povrchu implantátov môže zvýšiť adhéziu povrchových buniek, čo je prospešné pre zlepšenie osseointegračnej schopnosti implantátu. Použitie plazmovej imerznej implantácie a technológie depozície na vstrekovanie iónov zinku do hladkého povrchu čistého titánu môže zvýšiť jeho biokompatibilitu. Technológia iónovej implantácie je všestranná, robustná a vykazuje dobrú ovládateľnosť a opakovateľnosť. Implantovaná vrstva je však tenká, ióny sa môžu pohybovať iba v priamych líniách a náklady na vybavenie sú vysoké. Zatiaľ čo vyhliadky na uplatnenie sú široké, široké prijatie predstavuje výzvy.

3. Ošetrenie pieskovaním

Pieskovanie využíva stlačený vzduch ako energiu na generovanie vysokorýchlostného prúdu na rozprašovanie abrazív na povrch implantátov, čím im poskytuje určitý stupeň čistoty a drsnosti. Pieskovanie zväčšuje povrch, zlepšuje adhéziu a proliferáciu buniek, čím sa zvyšuje osseointegrácia.

4. Ošetrenie absorbovateľnými abrazívnymi médiami

Povrchová úprava absorbovateľným abrazívnym médiom zahŕňa nastriekanie kalciumfosfátovej keramiky na povrch implantátu. Titánový implantát ošetrený absorbovateľným abrazívnym médiom môže zvýšiť absorpčný účinok po dezinfekcii chlórom a vykazuje vyššiu antibakteriálnu aktivitu. Štúdie zistili, že implantáty ošetrené absorbovateľným abrazívnym médiom vykazujú vyššiu celkovú mieru úspešnosti pri implantácii, bez významnej straty alveolárnej kosti. Použitím tejto metódy na dosiahnutie určitej drsnosti povrchu možno zvyškové častice fosforečnanu vápenatého na povrchu odstrániť slabou kyselinou, čím sa zníži zadržiavanie cudzích látok. To sa považuje za výhodné.

5. Fyzikálna depozícia z pár

Fyzikálne nanášanie z plynnej fázy (PVD) je technológia, ktorá funguje vo vákuu a transformuje materiálový zdroj – tuhú látku alebo kvapalinu – na plynné atómy, molekuly alebo čiastočne ionizované ióny. Toto je dosiahnuté nízkotlakovým plynom, ktorý umožňuje depozíciu na povrchu implantátu, aby sa vytvorili funkčné tenké filmy. V posledných rokoch bol vyvinutý rozsiahly magnetrónový naprašovací povlak. Vykazuje vysokú rýchlosť nanášania, dobrú opakovateľnosť procesu a ľahko sa automatizuje. Aplikuje sa pri úprave povrchov implantátov, zlepšuje kontakt kosti s implantátom a vykazuje významný potenciál pre rozvoj.

6. Obrábanie elektrickým výbojom

Electrical Discharge Machining (EDM) je špecializovaná metóda spracovania, ktorá využíva erozívny účinok pulzného výboja medzi dvoma elektródami ponorenými do pracovnej tekutiny na odstránenie vodivých materiálov. Ošetrený povrch implantátu vytvára mikrodrsnú a biologicky aktívnu vrstvu oxidu titaničitého, čím sa zvyšuje pevnosť rozhrania kosť-implantát a znižuje sa citlivosť okolitej kosti na tienenie stresu. Experimenty ukázali, že umiestnenie implantátových skrutiek ošetrených EDM do stehenných kostí veľkých bielych králikov vedie k významnému zvýšeniu objemu novej kosti po jednom týždni. Obrábanie elektrickým výbojom je preto pravdepodobne metódou úpravy povrchu, ktorá podporuje zvýšenú osseointegráciu.

7. Tepelné spracovanie

Tepelné spracovanie je komplexný proces, pri ktorom sa implantát zahrieva, udržiava na určitej teplote a potom sa ochladzuje v špecifickom médiu, aby sa kontroloval jeho výkon zmenou štruktúry povrchu alebo vnútra. So stúpajúcou teplotou sa zvyšujú aj povrchové charakteristiky a biokompatibilita implantátu. Zahrievanie titánu v atmosfére alebo peroxidu môže na svojom povrchu vytvoriť hustý oxidový film, čím sa zvyšuje biokompatibilita. Experimenty ukázali, že príprava povlaku z nitridu titánu na povrchu implantátu pomocou plynného dusíka, po ktorom nasleduje tepelné spracovanie roztokom chloridu vápenatého, určuje 120 stupňov ako kritickú teplotu pre hydrotermálnu úpravu. Tepelné spracovanie pod 120 stupňov môže viazať vápnik na povrch nitridu titánu, zachovať jeho morfológiu a tvrdosť a zlepšiť zmáčavosť.

Po tepelnom spracovaní sa adhézia a proliferácia fibroblastových buniek na povrchu výrazne zlepšuje, čo naznačuje, že hydrotermálna úprava má potenciál poskytnúť titánové povlaky s dobrou odolnosťou proti opotrebovaniu a biokompatibilitou mäkkých tkanív. Navyše, prostredníctvom hydrotermálnej úpravy môže byť horčík fixovaný na titánový povrch, čím sa zvyšuje absorpcia povrchových proteínov, zvyšuje sa adhézia buniek a šírenie, čo naznačuje, že použitie roztoku chloridu horečnatého na tepelné spracovanie je účinnou metódou na zvýšenie biokompatibility povrchov titánových implantátov.

8. Laserové ošetrenie

Laserová liečba zahŕňa rýchle zahriatie implantátu pomocou laserového lúča v prostrediach, ako je atmosféra alebo vákuum. Týmto procesom sa dosiahne lokalizované rýchle zahriatie alebo ochladenie, indukcia zmien v štruktúre tkaniva alebo zavedenie iných materiálov na zlepšenie povrchového výkonu. Výskum ukázal, že implantáty s povrchmi ošetrenými laserovým tavením povrchu môžu podporovať adhéziu a proliferáciu buniek. Experimenty naznačujú, že hydroxyapatitové povlaky je možné nanášať na titánové povrchy pomocou pulzného laserového nanášania, čo vedie k vyšším mechanickým silám priľnavosti. Po ošetrení laserovou abláciou však dochádza k významným zmenám v morfológii a drsnosti povrchu, pričom na ošetrenom povrchu je menej nápadná adhézia a proliferácia buniek podobných osteoblastom.

9. Liečba ultrafialovým žiarením

Krátkovlnné ultrafialové (UV) žiarenie môže zvýšiť osseointegračnú schopnosť titánových implantátov. Implantáty z čistého titánu v tvare špirály, leptané kyselinou, sa implantovali do stehennej kosti králikov po vystavení UV žiareniu počas 48 hodín a porovnali sa s implantátmi, ktoré neboli vystavené UV žiareniu. Výsledky naznačujú, že UV ošetrenie môže zvýšiť objem kortikálnej kosti v koronálnej polohe titánových implantátov bez zníženia hustoty kostí. Okrem toho povrchy implantátov ošetrené UV žiarením vykazujú pozitívne účinky na správanie ľudských gingiválnych fibroblastov, vrátane adhézie, proliferácie a uvoľňovania kolagénu, 24 hodín po ošetrení.

10. Ošetrenie na zdrsnenie povrchu nanoúrovní

Prostredníctvom nanotechnológie môžu implantáty dosiahnuť zlepšenú povrchovú mikroštruktúru, podporujúcu osseointegráciu a skrátenie doby hojenia. Drsnosť v mikro/submikroúrovni spolu s vlastnosťami nanometrov zvyšuje diferenciáciu osteogénnych buniek a produkciu lokálnych faktorov, čo naznačuje zlepšený potenciál pre osseointegráciu implantátu v tele. Rôznorodé rozmery a distribúcia upraveného povrchu implantátu určujú jedinečné štruktúry nanometrov, čo umožňuje moduláciu príslušných kostných reakcií v tele. Neistota spojená so súčasným technologickým vývojom z neho robí ústredný bod pre ďalší výskum.

Čo je chemická modifikácia?

Chemická modifikácia povrchu znamená zmenu štruktúry a stavu povrchu chemickou adsorpciou alebo reakciou medzi povrchom implantátu a povrchovými modifikátormi. V súčasnosti je to najpoužívanejšia metóda povrchovej úpravy vrátane eloxovania, acidobázickej úpravy, sol-gel techniky atď.

1. Eloxovanie

Anodizácia je proces vytvárania oxidového filmu na povrchu kovovej anódy v prítomnosti elektrolytu a špecifických procesných podmienok pri pôsobení aplikovaného elektrického prúdu. Pórovitý povrch vytvorený anodizáciou titánových implantátov zosilňuje reakcie osteogénnych buniek, posilňuje expresiu osteogénnych génov a zlepšuje nanomechanické vlastnosti mineralizovaného tkaniva. Štúdie ukázali, že anodizácia titánu a zliatiny titánu a zirkónu v elektrolyte obsahujúcom DL- -glycerofosfát a octan vápenatý zvyšuje obsah kyslíka, vápnika a fosforu na povrchu implantátu. Priemerná drsnosť sa zvyšuje, kontaktný uhol sa výrazne znižuje a výrazne sa zvyšuje bunková proliferácia, aktivita alkalickej fosfatázy a ukladanie vápnika okolo implantátu, čo prispieva k zvýšenej osseointegrácii. Vývoj zliatin titánu a zirkónu tiež priniesol nové možnosti eloxovania.

2. Mikrooblúková oxidácia

Mikrooblúková oxidácia sa spolieha na prechodné vysokoteplotné a vysokotlakové efekty generované oblúkovým výbojom na povrchu titánu a jeho zliatin v kombinácii s elektrolytom a špecifickými elektrickými parametrami, aby sa vytvorila vrstva keramického filmu na báze oxidov kovov. Mikrooblúková oxidácia môže vytvoriť nano-bioaktívne vrstvy oxidu titánu, zvýšiť priľnavosť implantátu a zvýšiť pevnosť adhézie buniek. Pomocou mikrooblúkovej oxidácie je možné pripraviť porézne hydroxyapatitové povlaky na povrchoch zliatiny titánu, čím sa výrazne zlepší kontakt kosti s implantátom a mechanické vlastnosti na kontaktnom rozhraní, čím sa podporí rast kostí.

3. Elektrolytická oxidácia v plazme

Plazmová elektrolytická oxidácia je technika, ktorá využíva vysoké napätie a veľký prúd na generovanie okamžitého plazmového mikrooblúkového výboja na povrchu elektródy ponorenej do elektrolytu, pričom dochádza k prerazeniu pasivačnej vrstvy a spekaniu za vzniku filmu keramického oxidu. Experimentálne výsledky ukazujú, že povlaky ošetrené plazmou vykazujú zvýšenú hydrofilitu, viditeľnú bunkovú adsorpciu a zvýšenú syntézu kolagénu. Dvojvrstvové povlaky hydroxyapatit-oxid titaničitý pripravené plazmovou elektrolytickou oxidáciou majú bioaktivitu hydroxyapatitu a zlepšenú morfológiu oxidu titaničitého, čo účinne podporuje osseointegráciu. Táto metóda má veľký prísľub v biomedicínskych aplikáciách.

4. Elektrodepozícia

Použitie techník elektrochemického nanášania na nanášanie povlakov fosforečnanu vápenatého dopovaného stronciom na povrchy implantátov zvyšuje proliferáciu osteoblastov, čo naznačuje, že povlaky fosforečnanu vápenatého dopovaného stronciom môžu prispievať k zvýšenej tvorbe kosti okolo implantátu. Najprv sa povrchy titánu podrobia anodizácii, aby sa vytvorili nanorúrky oxidu titaničitého, a potom sa uhlíkové nanorúrky elektroforeticky nanesú na nanorúrky oxidu titaničitého. Výsledky naznačujú, že potiahnutie uhlíkových nanorúriek na nanorúrky oxidu titaničitého pomáha zlepšiť ich biologickú aktivitu, vďaka čomu je tento typ povrchovej úpravy vhodný pre biomedicínske aplikácie.

5. Acidobázická úprava

Acidobázická liečba zahŕňa použitie chemických procesov na vytvorenie stabilnej zlúčeniny alebo zmenu povrchovej morfológie implantátu prostredníctvom chemických alebo elektrochemických interakcií s kyslým prostredím. Leptanie kyselinou je jav, pri ktorom dochádza k zmene morfológie povrchu implantátu v dôsledku chemických alebo elektrochemických interakcií s kyslým prostredím, čo výrazne ovplyvňuje kontakt kosti s implantátom. Je to spoľahlivá metóda povrchovej úpravy. Povrchy ošetrené alkalickým tepelným spracovaním vykazujú vlastnosti, ako je veľký počet usporiadaných nanohrotov a špongiovitá rovnomerná porézna vnútorná sieť. To zvyšuje syntézu kolagénu v gingiválnych fibroblastoch, čo vedie k dobrej odolnosti voči prichyteniu periodontálneho spojivového tkaniva. Alkalické tepelné ošetrenie môže zvýšiť kontakt kosti s implantátom, účinne aplikované na tepelne striekaný titánový kov na zvýšenie pevnosti osseointegrácie.

6. Sol-Gélová metóda

Metóda sol-gél zahŕňa použitie zlúčenín s vysokou chemickou aktivitou ako prekurzorov na vytvorenie jednotného, ​​transparentného sol systému v kvapalných podmienkach. Tieto materiály sa potom rovnomerne premiešajú, podstúpia hydrolýzu a kondenzačné reakcie, vytvoria stabilné transparentné sólové systémy a nakoniec sa starnutím vyvinú do gélov. Po vysušení spekaním gél stuhne, výsledkom čoho sú molekulárne a dokonca nanoštruktúrne materiály. Organické polyméry môžu byť aplikované metódou sol-gél, aby sa povrchu oxidu titaničitého dodala biologická aktivita. Napríklad povrchová modifikácia pomocou poly(etylénglykoltereftalátu) zvyšuje mechanickú stabilitu, biokompatibilitu, vynikajúcu schopnosť osseointegrácie a schopnosť kostnej vodivosti kontaktného povrchu kosti a implantátu. Kombinácia mäkkej litografie a sol-gélu je metóda na vytvorenie mikrovzorcov biologicky aktívnych nanočastíc na povrchoch implantátov, ktoré riadia regeneráciu tkaniva. Použitím tejto metódy na výrobu tenkého filmu oxidu zirkoničitého s mikrokremíkom sa zistilo, že je biokompatibilný a schopný vyvolať adhéziu osteoblastov, proliferáciu a šírenie. Môže sa použiť na usmernenie regenerácie periodontálneho tkaniva, čím sa podporí ukladanie hustého tkaniva a zabráni sa recesii ďasien a periimplantitíde.

Čo je biologická modifikácia?

V posledných rokoch sa povrchová biomodifikácia implantátov stala stredobodom výskumu s cieľom poskytnúť bioaktívne funkcie poťahu implantátov s vysokou mechanickou stabilitou. Súčasne je cieľom napodobniť štruktúru a kompozičné charakteristiky prirodzenej kosti, aby sa lepšie podporil rast kostí. Tu je niekoľko úvodov do rôznych metód.

1. Technológia vlastnej montáže

Vlastná montáž sa týka techniky, kde základné štruktúrne jednotky spontánne vytvárajú usporiadané štruktúry. Technológia samo-zostavenia monovrstvy na titánových povrchoch využíva niekoľko rôznych funkčných skupín na lepšiu imobilizáciu biochemických činidiel, čím poskytuje povrchový chemický dizajn s určitou ovládateľnosťou. Samozostavenie vrstva po vrstve zahŕňa striedavé nanášanie polyelektrolytových multivrstiev na nabitý substrát v roztoku s opačne nabitým polyelektrolytom. Použitím metódy vrstva po vrstve s titánovými povrchmi funkcionalizujúcimi chitosan/siRNA sa počas procesu tvorby filmu strieda povrchová zmáčavosť, morfológia a drsnosť, čo výrazne podporuje diferenciáciu osteogénnych buniek. Vytvorenie lyzozýmových viacvrstvových povlakov s použitím nanočastíc striebra, chitosanu a kyseliny hyalurónovej ako surovín je stratégiou na prípravu dlhotrvajúcich antibakteriálnych viacvrstvových povlakov, ktoré účinne bránia skorým infekciám implantátov. Technológia vlastnej montáže je jednoduchá, nevyžaduje žiadne špeciálne vybavenie a ponúka kontrolu membránovej štruktúry na molekulárnej úrovni, ktorá si v posledných rokoch získala širokú pozornosť.

2. Adsorpcia biomolekúl

Adsorpcia sa týka javu, pri ktorom sú molekuly alebo ióny v okolitom médiu priťahované k povrchu implantátu. Fyzikálna adsorpcia je riadená hlavne medzimolekulovými silami, zatiaľ čo chemická adsorpcia sa spolieha na chemické väzby medzi molekulami. Použitím kotviacich peptidov na pridanie biologickej funkčnosti k povrchu implantátu, špecifické peptidy viažuce povrch v médiu bunkovej kultúry vykazujú stabilnú adsorpciu, čím sa zvyšuje biokompatibilita implantátu. Chitosan, alginát sodný zosieťovaný s chitosanom a pektín zosieťovaný s chitosanom kovalentne naviazaným na titánové povrchy môžu zlepšiť zmáčavosť a poskytnúť povrchy potiahnuté chitosanom s napučiavacími vlastnosťami a schopnosťami uvoľňovať liečivo. Kovalentná fixácia polydopamínového poťahu kolagénovým proteínom môže byť tiež metódou na zlepšenie povrchovej účinnosti. V porovnaní s fyzikálnou adsorpciou ponúka chemická adsorpcia, využívajúca sily chemických väzieb, väčšiu adsorpčnú energiu a stabilitu.

3. Nátery s bioaktívnym materiálom

Bioaktívne materiály vo všeobecnosti označujú neživé materiály používané na lekárske účely, ktoré majú prísť do kontaktu so živými tkanivami a realizovať ich bioaktívne funkcie. Bioaktívne sklo je materiál schopný opravovať, nahrádzať a regenerovať tkanivá v tele a vytvárať väzby medzi tkanivami a materiálmi. Jeho degradačné produkty môžu podporovať tvorbu rastových faktorov a bunkovú proliferáciu, zvyšovať expresiu génu osteoblastov a uľahčovať rast kostného tkaniva. Nanesením na implantáty možno bezpečne a efektívne dosiahnuť osseointegráciu, čo predstavuje smer vývoja povlakových materiálov zubných implantátov.

Okrem toho sa na povrchovú úpravu implantátov môže použiť množstvo bioaktívnych liečiv. Napríklad potiahnutím titánových implantátov roztokom polyetyléntereftalátu/1,25-dihydroxyvitamínu D3 pomocou technológie elektrostatického zvlákňovania môžu vzniknúť častice submikrónovej veľkosti, ktoré stimulujú tvorbu kosti. Aplikácia resveratrolu, protizápalovej molekuly, na povrchovú úpravu alebo potiahnutie implantátov môže urýchliť tvorbu kosti. Kombinácia širokospektrálnych antibiotík, ako je streptomycín, na povrchu implantátov môže zlepšiť tvorbu kosti a znížiť riziko infekcií v okolí implantátov.

4. Biomimetická depozícia

Biomimetické ukladanie napodobňuje mechanizmus mineralizácie hydroxyapatitu v tele. Hydroxyapatitové povlaky sa prirodzene ukladajú na povrchu substrátu vo vodnom roztoku za podmienok podobných telu. Použitím mezenchymálnych kmeňových buniek kostnej drene indukovaných in vitro na povrchoch biomimeticky modifikovaných titánových zliatin sa zlepšuje ich adhézna schopnosť a zvyšuje sa rýchlosť proliferácie. Biomimetické ukladanie hydroxyapatitu na titánové povrchy po zmiešanom kyslom ošetrení môže vyvolať biologickú aktivitu titánu. Pri štúdiu účinku simulovaného času ponorenia do telesnej tekutiny na aktivitu osteogénnych buniek eloxovaných titánových nanorúriek sa zistilo, že 3-hodinový ponor bol optimálny. Ponorenie do 10-násobku simulovanej telesnej tekutiny je rýchla a ekonomická technológia na zlepšenie osseointegrácie anodického titánového implantátu. Potenciál bioaktivity implantátov však môže byť obmedzený nadmerným a nekontrolovaným hydroxyapatitovým povlakom.

Vyššie uvedené povrchové úpravy implantátov sú v posledných rokoch stredobodom výskumu. Metódy sú rôznorodé a významný pokrok sa dosiahol v podpore tvorby kostí, osseointegrácie a odolnosti voči infekciám. Kombinované aplikácie môžu viesť ku komplexnejšiemu výkonu a mohli by byť trendom v budúcom vývoji výskumu.