Какви различни повърхностни обработки са налични за зъбни импланти?

Възстановяването с импланти се превърна в съвременния оптимален метод за възстановяване на естетиката и дъвкателната функция на пациенти с липсващи зъби. Способността на импланта да образува стабилна остеоинтеграция е от решаващо значение, което прави обработката на повърхността ключов фокус в текущите изследвания в областта на оралната имплантология. След претърпяване на физически, химични и биологични модификации повърхностната морфология, химичният състав и биологичната активност на титаниевите импланти се променят, което води до успешно и стабилно образуване на остеоинтеграция.

Следва цялостен преглед на методите за модифициране на повърхността на импланти от три аспекта: физичен, химичен и биологичен.

Какво е физическа модификация?

Физическата модификация включва промяна на морфологията на повърхността и грапавостта на имплантите чрез физични методи като плазмено пръскане, пясъкоструене, лазерно третиране и др., за да се осигури по-добра основа за остеоинтеграция.

1. Плазмено лечение

Технологията за плазмено пръскане използва плазмена дъга, задвижвана от постоянен ток, като източник на топлина за нагряване на материали като керамика, сплави, метали и др. до разтопено или полуразтопено състояние. След това тези материали се напръскват бързо върху предварително обработената повърхност на импланта, образувайки здраво закрепен повърхностен слой. Понастоящем хидроксиапатитните покрития обикновено се използват в клинични приложения. Частиците хидроксиапатит се напръскват върху повърхността на импланта при високи температури и след бързо охлаждане се образува слой, покрит с пукнатини. Изследванията показват, че порестите титаниеви покрития с атмосферно плазмено пръскане могат да подобрят способността за остеоинтеграция на имплантите от чист титан.

2. Йонна имплантация

Основният принцип на технологията за имплантиране на йони включва насочване на йонен лъч към импланта, където йоните претърпяват серия от физически и химични взаимодействия с атомите или молекулите в импланта. Падналите йони постепенно губят енергия и в крайна сметка се спират в импланта, причинявайки промени в състава на повърхността, структурата и свойствата на импланта. Използвайки технологията за имплантиране на йони, елементи като магнезий, цинк, калций и сребро могат да бъдат имплантирани в повърхността на импланта, за да се оптимизират повърхностните му свойства. Имплантирането на сребърни йони в ецвани с киселина титанови импланти може да намали мобилността на сребърните наночастици, което води до отлична антибактериална активност и добра съвместимост с клетките на бозайниците.

Инжектирането на магнезиеви йони в повърхността на имплантите може да подобри адхезията на повърхностните клетки, благоприятно за подобряване на способността за остеоинтеграция на импланта. Използването на технология за имплантиране и отлагане на йони с плазмено потапяне за инжектиране на цинкови йони в гладката повърхност на чист титан може да увеличи неговата биосъвместимост. Технологията за имплантиране на йони е универсална, здрава и показва добра управляемост и повторяемост. Имплантираният слой обаче е тънък, йоните могат да се движат само по прави линии и цената на оборудването е висока. Докато перспективите за приложение са широки, широкото приемане поставя предизвикателства.

3. Пясъкоструйна обработка

Пясъкоструенето използва сгъстен въздух като сила за генериране на високоскоростна струя за пръскане на абразиви върху повърхността на имплантите, осигурявайки им определена степен на чистота и грапавост. Пясъкоструенето увеличава повърхностната площ, подобрява клетъчната адхезия и пролиферация, като по този начин подобрява остеоинтеграцията.

4. Обработка с абсорбируеми абразивни среди

Повърхностната обработка с абсорбируема абразивна среда включва пръскане на калциево-фосфатна керамика върху повърхността на импланта. Титановият имплант, обработен с абсорбируема абразивна среда, може да подобри ефекта на абсорбция след дезинфекция с хлор, показвайки по-висока антибактериална активност. Проучванията са установили, че импланти, третирани с абсорбируема абразивна среда, показват по-висок общ процент на успех при имплантирането, без значителна загуба на алвеоларна кост. Използвайки този метод за постигане на определена грапавост на повърхността, остатъчните частици калциев фосфат върху повърхността могат да бъдат отстранени със слаба киселина, намалявайки задържането на чужди вещества. Това се счита за предимство.

5. Физическо отлагане на пари

Физическото отлагане на пари (PVD) е технология, която работи при условия на вакуум, трансформирайки източника на материал - твърдо или течно - в газообразни атоми, молекули или частично йонизирани йони. Това се постига чрез газ с ниско налягане, което позволява отлагане върху повърхността на импланта за създаване на функционални тънки филми. През последните години е разработено широкомащабно магнетронно разпрашващо покритие. Той показва висока скорост на отлагане, добра повторяемост на процеса и лесно се автоматизира. Приложен при модификация на повърхности на импланти, той подобрява контакта кост-имплант, показвайки значителен потенциал за развитие.

6. Електроерозионна обработка

Електроразрядна обработка (EDM) е специализиран метод на обработка, който използва ерозионния ефект на импулсен разряд между два електрода, потопени в работна течност, за отстраняване на проводими материали. Третираната повърхност на импланта развива микрограпав и биологично активен слой от титанов диоксид, повишавайки здравината на интерфейса кост-имплант и намалявайки чувствителността на околната кост към защита от напрежение. Експериментите показват, че поставянето на обработени с EDM имплантни винтове в бедрените кости на големи бели зайци води до значително увеличаване на обема на новата кост след една седмица. Следователно обработката с електроразряд вероятно е метод за модификация на повърхността, който поддържа подобрена остеоинтеграция.

7. Термична обработка

Топлинната обработка е цялостен процес, при който имплантът се нагрява, поддържа се при определена температура и след това се охлажда в специфична среда, за да се контролира работата му чрез промяна на структурата на повърхността или вътрешността. С повишаването на температурата повърхностните характеристики и биосъвместимостта на импланта също се увеличават. Нагряването на титан в атмосферата или пероксид може да образува плътен оксиден филм върху повърхността му, подобрявайки биосъвместимостта. Експериментите показват, че приготвянето на покритие от титанов нитрид върху повърхността на импланта с помощта на азотен газ, последвано от термична обработка с разтвор на калциев хлорид, определя 120 градуса като критична температура за хидротермално третиране. Топлинната обработка под 120 градуса може да свърже калция към повърхността на титановия нитрид, поддържайки неговата морфология и твърдост и подобрявайки омокряемостта.

След термична обработка, адхезията и пролиферацията на фибробластните клетки на повърхността значително се подобряват, което предполага, че хидротермалната обработка има потенциала да осигури титаниеви покрития с добра устойчивост на износване и биосъвместимост на меките тъкани. Освен това, чрез хидротермално третиране, магнезият може да се фиксира върху титановата повърхност, увеличавайки повърхностната абсорбция на протеини, подобрявайки клетъчната адхезия и разпространение, което показва, че използването на разтвор на магнезиев хлорид за топлинна обработка е ефективен метод за повишаване на биосъвместимостта на повърхностите на титаниеви импланти.

8. Лазерно лечение

Лазерното лечение включва бързо нагряване на импланта с помощта на лазерен лъч в среда като атмосфера или вакуум. Този процес постига локализирано бързо нагряване или охлаждане, предизвиквайки промени в структурата на тъканите или въвеждайки други материали за подобряване на повърхностните характеристики. Изследванията показват, че импланти с повърхности, обработени чрез лазерно повърхностно топене, могат да стимулират клетъчната адхезия и пролиферация. Експериментите показват, че хидроксиапатитните покрития могат да бъдат отложени върху титанови повърхности чрез импулсно лазерно отлагане, което води до по-високи механични адхезионни сили. Въпреки това, значителни промени в морфологията на повърхността и грапавостта настъпват след лечение с лазерна аблация, с по-малко забележима адхезия и пролиферация на остеобластоподобни клетки върху третираната повърхност.

9. Ултравиолетово третиране

Късовълновото ултравиолетово (UV) облъчване може да подобри способността за остеоинтеграция на титаниевите импланти. Спираловидни импланти от чист титан, ецвани с киселина, бяха имплантирани в бедрената кост на зайци след излагане на UV светлина в продължение на 48 часа и сравнени с импланти, които не бяха подложени на UV обработка. Резултатите показват, че UV третирането може да увеличи обема на кортикалната кост в коронарната позиция на титаниеви импланти, без да намалява костната плътност. Освен това, третираните с ултравиолетови лъчи повърхности на импланти показват положителен ефект върху поведението на човешките гингивални фибробласти, включително адхезия, пролиферация и освобождаване на колаген, 24 часа след третирането.

10. Наномащабна обработка за нагрубяване на повърхността

Чрез нанотехнологиите имплантите могат да постигнат подобрена повърхностна микроструктура, насърчавайки остеоинтеграцията и намалявайки времето за зарастване. Микро/субмикромащабната грапавост, заедно с наномащабните характеристики, увеличава диференциацията на остеогенните клетки и производството на локални фактори, което предполага подобрен потенциал за остеоинтеграция на импланта в тялото. Разнообразните размери и разпределение на модифицираната повърхност на импланта определят уникални наномащабни структури, позволяващи модулирането на съответните костни реакции в тялото. Несигурността, свързана с настоящото технологично развитие, го прави фокусна точка за по-нататъшни изследвания.

Какво е химическа модификация?

Повърхностната химическа модификация се отнася до промяна на повърхностната структура и състояние чрез химическа адсорбция или реакция между повърхността на импланта и повърхностните модификатори. Понастоящем това е най-често използваният метод за модифициране на повърхността, включително анодизация, киселинно-алкална обработка, зол-гел техника и др.

1. Анодиране

Анодирането е процес на образуване на оксиден филм върху повърхността на металния анод в присъствието на електролит и специфични условия на процеса под действието на приложен електрически ток. Порестата повърхност, създадена чрез анодизиране на титаниеви импланти, подобрява реакциите на остеогенните клетки, засилва експресията на остеогенните гени и подобрява наномеханичните свойства на минерализираната тъкан. Проучванията показват, че анодизирането на титан и титаниево-циркониева сплав в електролит, съдържащ DL- -глицерофосфат и калциев ацетат, повишава съдържанието на кислород, калций и фосфор върху повърхността на импланта. Средната грапавост се увеличава, контактният ъгъл значително намалява и клетъчната пролиферация, активността на алкалната фосфатаза и отлагането на калций около импланта значително се увеличават, което допринася за подобрената остеоинтеграция. Развитието на титан-циркониеви сплави също предостави нови възможности за анодизиране.

2. Микродъгово окисление

Микродъговото оксидиране разчита на преходните ефекти при висока температура и високо налягане, генерирани от дъговия разряд върху повърхността на титан и неговите сплави в комбинация с електролит и специфични електрически параметри, за да се образува слой от керамичен филм на базата на метални оксиди. Микродъговото оксидиране може да създаде нано-биоактивни слоеве от титанов оксид, да подобри адхезията на импланта и да увеличи силата на клетъчна адхезия. Използвайки микродъгово окисление, порести хидроксиапатитни покрития могат да бъдат приготвени върху повърхности от титаниева сплав, като значително подобряват контакта кост-имплант и механичните свойства на контактната повърхност, като по този начин насърчават растежа на костта.

3. Плазмено електролитно окисляване

Плазменото електролитно оксидиране е техника, която използва високо напрежение и голям ток за генериране на мигновен плазмен микро-дъгов разряд върху повърхността на електрода, потопен в електролит, пробивайки пасивиращия слой и синтеровайки, за да образува филм от керамичен оксид. Експерименталните резултати показват, че покритията, обработени с плазма, показват повишена хидрофилност, забележимо поведение на клетъчна адсорбция и повишен синтез на колаген. Двуслойните покрития от хидроксиапатит и титанов диоксид, приготвени чрез плазмено електролитно оксидиране, притежават биоактивността на хидроксиапатит и подобрената морфология на титановия диоксид, като ефективно насърчават остеоинтеграцията. Този метод има голямо обещание в биомедицинските приложения.

4. Електроотлагане

Използването на електрохимични техники за отлагане за нанасяне на покрития от калциев фосфат, добавен на стронций върху повърхностите на импланта, засилва пролиферацията на остеобластите, което предполага, че покритията с добавен стронций калциев фосфат могат да допринесат за повишено образуване на кост около импланта. Първоначално титановите повърхности се подлагат на анодизиране, за да се образуват нанотръби от титанов диоксид, а след това въглеродните нанотръби се отлагат електрофоретично върху нанотръбите от титанов диоксид. Резултатите показват, че покриването на въглеродни нанотръби върху нанотръби от титанов диоксид спомага за подобряване на тяхната биоактивност, което прави този тип повърхностна модификация подходяща за биомедицински приложения.

5. Киселинно-алкално лечение

Киселинно-алкалното третиране включва използване на химични процеси за генериране на стабилно съединение или промяна на повърхностната морфология на импланта чрез химически или електрохимични взаимодействия с кисела среда. Киселинното ецване е феномен, при който повърхността на импланта претърпява промяна в морфологията поради химични или електрохимични взаимодействия с кисела среда, което значително засяга контакта кост-имплант. Това е надежден метод за модифициране на повърхността. Повърхностите, обработени с алкална термична обработка, показват характеристики като голям брой подредени наношипове и подобна на гъба равномерна пореста вътрешна мрежа. Това засилва синтеза на колаген във фибробластите на венците, което води до добра устойчивост на прикрепване на пародонтоподобна съединителна тъкан. Алкална термична обработка може да увеличи контакта между кост и имплант, ефективно приложена върху термично напръскан титанов метал за подобряване на здравината на остеоинтеграцията.

6. Сол-гел метод

Методът зол-гел включва използване на съединения с висока химическа активност като прекурсори за създаване на еднаква, прозрачна золна система при течни условия. След това тези материали се смесват равномерно, претърпяват реакции на хидролиза и кондензация, образуват стабилни прозрачни золни системи и в крайна сметка се развиват в гелове чрез стареене. След изсушаване, синтероването втвърдява гела, което води до молекулярни и дори наноструктурирани материали. Органичните полимери могат да се прилагат чрез метода зол-гел за придаване на биологична активност на повърхността на титанов диоксид. Например, повърхностна модификация с помощта на поли(етилен гликол терефталат) подобрява механичната стабилност, биосъвместимостта, отличната способност за остеоинтеграция и способността за костна проводимост на контактната повърхност кост-имплант. Комбинирането на мека литография и зол-гел е метод за създаване на микромодели от биологично активни наночастици върху повърхностите на имплантите, насочващи регенерацията на тъканите. Използвайки този метод за производство на тънък филм от циркониев оксид със силиций с микро размери, беше установено, че е биосъвместим и способен да индуцира остеобластна адхезия, пролиферация и разпространение. Може да се използва за насочване на регенерацията на пародонталната тъкан, като по този начин насърчава отлагането на плътна тъкан и предотвратява рецесия на венците и периимплантит.

Какво е биологична модификация?

През последните години повърхностната биомодификация на имплантите се превърна в изследователска гореща точка, целяща да придаде биоактивни функции на покритието на имплантите с висока механична стабилност. Едновременно с това целта е да се имитира структурата и композиционните характеристики на естествената кост, за да се насърчи по-добре растежа на костта. Ето няколко въведения в различни методи.

1. Технология за самосглобяване

Самосглобяването се отнася до техника, при която основните структурни единици спонтанно образуват подредени структури. Технологията за самосглобяващ се монослой върху титанови повърхности използва няколко различни функционални групи за по-добро обездвижване на биохимичните агенти, осигурявайки повърхностен химичен дизайн с известна управляемост. Самосглобяването слой по слой включва редуващо се отлагане на многослойни полиелектролити върху заредена подложка в разтвор с противоположно зареден полиелектролит. Използвайки метода слой по слой с хитозан/siRNA функционализиращи титаниеви повърхности, омокряемостта на повърхността, морфологията и грапавостта се редуват по време на процеса на образуване на филм, което значително насърчава диференциацията на остеогенните клетки. Създаването на лизозимни многослойни покрития, използващи сребърни наночастици, хитозан и хиалуронова киселина като суровини, е стратегия за получаване на дълготрайни антибактериални многослойни покрития, ефективно предотвратяващи ранни инфекции на импланта. Технологията за самосглобяване е проста, не изисква специално оборудване и предлага контрол на мембранна структура на молекулярно ниво, привличайки широко внимание през последните години.

2. Биомолекулна адсорбция

Адсорбцията се отнася до феномена, при който молекулите или йоните в околната среда се привличат към повърхността на импланта. Физическата адсорбция се управлява главно от междумолекулни сили, докато химичната адсорбция разчита на химични връзки между молекулите. Използвайки закрепващи пептиди за добавяне на биологична функционалност към повърхността на импланта, специфични свързващи повърхността пептиди в средата на клетъчната култура показват стабилна адсорбция, повишавайки биосъвместимостта на импланта. Хитозан, натриев алгинат, омрежен с хитозан, и пектин, омрежен с хитозан, ковалентно свързан към титаниеви повърхности, могат да подобрят омокряемостта и да осигурят на покрити с хитозан повърхности свойства за набъбване и освобождаване на лекарството. Ковалентното фиксиране на полидопаминово покритие с колагенов протеин може също да бъде метод за подобряване на повърхностните характеристики. В сравнение с физическата адсорбция, химическата адсорбция, използвайки силите на химичните връзки, предлага по-голяма адсорбционна енергия и стабилност.

3. Покрития от биоактивен материал

Биоактивните материали обикновено се отнасят до неживи материали, използвани за медицински цели, предназначени да влязат в контакт с живи тъкани и да реализират своите биоактивни функции. Биоактивното стъкло е материал, способен да поправя, заменя и регенерира тъканите в тялото, образувайки връзки между тъканите и материалите. Неговите продукти на разграждане могат да насърчат генерирането на растежни фактори и клетъчната пролиферация, да подобрят генната експресия на остеобластите и да улеснят растежа на костната тъкан. Покриването му върху имплантите може безопасно и ефективно да постигне остеоинтеграция, представлявайки посоката на развитие на материалите за покритие на зъбни импланти.

Освен това, множество биоактивни лекарства могат да се използват за повърхностна модификация на имплантите. Например, покриването на титаниеви импланти с разтвор на полиетилен терефталат/1,25-дихидроксивитамин D3 с помощта на технология за електрозавъртане може да произведе частици с размер субмикрон, които стимулират образуването на кост. Прилагането на ресвератрол, противовъзпалителна молекула, за повърхностна модификация или покритие върху импланти може да ускори образуването на кост. Комбинирането на широкоспектърни антибиотици, като стрептомицин, върху повърхността на имплантите може да подобри образуването на кост и да намали риска от инфекции около имплантите.

4. Биомиметично отлагане

Биомиметичното отлагане имитира механизма на минерализация на хидроксиапатит в тялото. Хидроксиапатитните покрития естествено се отлагат върху повърхността на субстрата във воден разтвор при условия, подобни на телесната среда. Използвайки мезенхимни стволови клетки от костен мозък, индуцирани in vitro върху биомиметично модифицирани повърхности от титанова сплав, тяхната адхезионна способност се подобрява и скоростта на пролиферация се увеличава. Биомиметичното отлагане на хидроксиапатит върху титанови повърхности след обработка със смесена киселина може да предизвика биологична активност в титана. При изследване на ефекта от симулираното време на потапяне в телесна течност върху остеогенната клетъчна активност на анодизирани титанови нанотръби беше установено, че 3--часово потапяне е оптимално. Потапянето в 10 пъти повече симулирана телесна течност е бърза и икономична технология за подобряване на остеоинтеграцията на аноден титанов имплант. Въпреки това потенциалът за биоактивност на имплантите може да бъде ограничен от прекомерни и неконтролирани хидроксиапатитни покрития.

Горепосочените повърхностни модификации на имплантите са гореща точка на изследване през последните години. Методите са разнообразни и е постигнат значителен напредък в насърчаването на образуването на кост, остеоинтеграцията и устойчивостта на инфекции. Комбинираните приложения могат да доведат до по-всеобхватна производителност и могат да бъдат тенденция в бъдещото развитие на научните изследвания.