Avances de la investigación sobre la modificación de la superficie de los implantes de titanio mediante oligoelementos.

   Los implantes dentales ocupan un lugar importante en el campo de la restauración de la pérdida de dientes. Sin embargo, los implantes dentales todavía tienen factores de riesgo como la infección del implante y la osteointegración imperfecta. Para mejorar la osteointegración y las propiedades antibacterianas de los implantes, los investigadores han investigado mucho sobre la modificación de los materiales de los implantes, y la modificación de oligoelementos es uno de los puntos calientes. Los estudios han demostrado que los oligoelementos como la plata, el zinc, el flúor, el estroncio y el manganeso están estrechamente relacionados con la salud bucal y tienen un excelente desempeño antibacteriano y osteogénico. Los implantes modificados con microelementos son de gran importancia para mejorar la tasa de éxito de los implantes dentales y mejorar el efecto del tratamiento.

  1. Tecnología de aplicación de modificación superficial de implantes de titanio con oligoelementos

  1.1 Método de implantación de iones por inmersión en plasma

  El método tradicional de implantación de iones consiste en acelerar los iones cargados en la superficie del material verticalmente para formar un recubrimiento con propiedades especiales. La implantación de iones por inmersión en plasma (PIII) es una mejora del método de implantación de iones. Este método sumerge el material en el plasma y realiza la implantación de iones desde múltiples ángulos, lo que resuelve el problema de que la tecnología de implantación de iones tiene requisitos estrictos para el ángulo de implantación y la tecnología no afecta la estructura de la superficie del material y es adecuada para materiales con estructuras complejas como implantes.

"La composición de la película superficial después de la inyección puede ser la sustancia simple del elemento modificador, el óxido del elemento modificador o el compuesto del elemento modificador y el elemento matriz, dependiendo de la composición del material del elemento modificador y la matriz. y las condiciones durante la inyección. Por ejemplo, cuando los implantes de titanio son modificados por elementos no metálicos, se pueden formar compuestos como TiN y TiF4. Cuando los implantes de titanio son modificados por elementos metálicos, los depósitos de ZnO, MgO o zinc metálico puro o magnesio pueden Ser formado.

  1.2 Método de oxidación por micro arco

   La microoxidación por arco (MAO) consiste en formar una película de óxido gruesa y estable en la superficie del metal al depender de la alta temperatura instantánea generada por la descarga del arco en el electrolito. La composición y el rendimiento de la película se ven afectados principalmente por la composición química del electrolito. El grosor, el tamaño de los poros y la rugosidad del óxido producido por este método también son más fáciles de controlar que otros métodos. Similar al método PIII, el método MAO todavía puede formar una película de óxido con propiedades uniformes, adherencia cercana y resistencia al desgaste en materiales con estructuras superficiales complejas.

  1.3 Otro

El método de pulverización catódica con magnetrón utiliza partículas para impactar la superficie de un objetivo en el vacío, pulverizando partículas en la superficie del objetivo, lo que les permite enfriarse y depositarse en la superficie del material para formar una estructura de nano-revestimiento. El recubrimiento es relativamente delgado, pero la unión es más firme. Las características técnicas de la pulverización catódica con magnetrón son que la temperatura del sustrato es baja, los parámetros del proceso de la película delgada son relativamente fáciles de controlar y es adecuado para el recubrimiento de áreas grandes; El método de deposición electroquímica consiste en colocar el material en la solución de oligoelementos o sal fundida correspondiente, y hacer que la superficie del material del cátodo se recubre con una película metálica. La combinación de este método con el método PIII se denomina implantación y deposición de iones por inmersión en plasma (PIII & D), que es ampliamente utilizado en el campo de la biomedicina. Para la selección de los métodos de modificación, es necesario considerar la naturaleza del material, la naturaleza del elemento modificado, la eficiencia, el consumo de energía, etc., y para el mismo elemento, si diferentes métodos de modificación producirán diferentes efectos biológicos. comparó el estudio.

  2. Oligoelementos utilizados para la modificación de la superficie de los implantes de titanio

  El titanio es un material biológicamente inerte y no posee actividades biológicas como propiedades osteoinductoras y antibacterianas, y los implantes metálicos están sujetos a corrosión electroquímica en la cavidad bucal. La modificación simple de la topografía de la superficie tiene un efecto limitado sobre el rendimiento biológico de los implantes de titanio, mientras que la modificación de oligoelementos puede proporcionar rendimientos que los implantes de titanio tradicionales no poseen.

  2.1 flúor

  El fluoruro tiene una amplia gama de aplicaciones en la cavidad bucal. Lee y col. utilizó ácido fluorhídrico (HF) para grabar el disco de titanio después del pulido con chorro de arena. El fluoruro en la superficie del disco de titanio apareció principalmente en forma de TiOF2. Se encontró a través del experimento de cultivo de células similares a osteoblastos MG-63 en la superficie del disco de titanio. En comparación con el grupo de control, se pueden observar más células y más expresión del gen Cbfα1 (Runx2) relacionado con osteogénicos en el disco de titanio grabado por HF. También se mejora la humectabilidad de la superficie del disco de titanio, lo que mejora la actividad de diferenciación de las células.

Wang y col. utilizó el método PIII para inyectar flúor en la superficie del implante de titanio. La superficie modificada del implante agregó una nueva capa de superficie compuesta principalmente de TiF4. El implante modificado con flúor (F-Ti) fue eficaz contra Porphyromonas gingivalis. (Porphyromonas gingivalis, Pg) tiene un efecto lítico, que debilita la proliferación de células tipo osteoblastos MG-63 y el efecto negativo sobre la actividad de la fosfatasa alcalina (ALP). La interferencia de OPG / RANKL, una vía importante en los osteoclastos, está relacionada en cierta medida; Los experimentos in vivo muestran que los implantes F-Ti tienen una mayor capacidad para quelar los iones de calcio, lo que resulta en más depósitos óseos, en comparación con los implantes de titanio puro en el grupo de control. El cuerpo tiene un alto grado de osteointegración del implante.

Collaert y col. implantó 125 implantes de titanio modificado con flúor en las mandíbulas de 25 pacientes mandibulares edéntulos. Después de dos años de seguimiento, encontraron que la pérdida ósea promedio alrededor de 125 implantes modificados con flúor era de solo 0,11 mm y no había ningún implante. Se produce inflamación periférica y la tasa de éxito se puede considerar del 100%. Antes de este experimento (2011), la pérdida ósea promedio del implante TiOblast utilizado en el experimento clínico con la misma operación quirúrgica alcanzaba 1,29 mm después de dos años, y la tasa de éxito a 1 año era del 78%.

  2.2 Estroncio

  El estroncio es un tipo de oligoelemento osteogénico, y el fármaco relacionado ranelato de estroncio se utiliza para promover la osteointegración alrededor de los implantes. El estroncio puede estimular la proliferación de osteoblastos, inhibir la diferenciación de los osteoclastos y puede inhibir la diferenciación adipogénica y condrogénica de las células madre mesenquimales. El estroncio también puede inhibir la respuesta de las células inmunes inflamatorias alrededor del implante. Okuzu y col. utilizó estroncio para modificar la superficie de los implantes mediante el método de calentamiento alcalino. Los experimentos con células demostraron que, en comparación con el grupo de control, los implantes de titanio modificado con estroncio aumentaron eficazmente la expresión de la β-atenina de osteoblastos y los genes de diferenciación osteogénica (Runx2, La expresión de ALP, OCN, OPN) también se ha mejorado significativamente; Los experimentos in vivo muestran que, en comparación con el grupo de control,

El rápido rendimiento de osteointegración del implante modificado con estroncio obtenido por Zhang et al. a través del método MAO dentro de las 6 semanas es equivalente al del implante Straumann disponible comercialmente, y es diferente de la nueva dirección de formación de hueso del implante Straumann "crecimiento desde la superficie del implante". La dirección de la osteogénesis de los implantes modificados con estroncio se extiende a lo largo de la superficie del implante, lo que indica que el grado de osteointegración aumentará aún más. Offermanns y col. obtuvo un recubrimiento a nanoescala de titanio-estroncio-oxígeno (Ti-Sr-O) a través de un proceso de pulverización catódica con magnetrón y lo aplicó a la superficie del implante de titanio, creando un entorno de liberación de iones de estroncio continuo y controlable. En el modelo de ratón con osteoporosis, la formación de hueso y la osteointegración alrededor del implante fueron significativamente más altas que las del grupo de control. La cantidad de formación de hueso nuevo se correlacionó positivamente con la cantidad de iones de estroncio liberados. El recubrimiento también puede hacer que el implante se osteointegre. Alcance el máximo de antemano. Estudios posteriores han demostrado que en organismos normales, los recubrimientos de Ti-Sr-O son más capaces de promover la osteointegración osteoinductiva y temprana de los implantes que los implantes de titanio SLActive y los implantes modificados con flúor que se utilizan ampliamente en la clínica.

  2,3 plata

   El implante modificado con iones de plata tiene una excelente capacidad antibacteriana y antiinflamatoria. Los experimentos muestran que las nanopartículas de plata (Ag-NP) tienen efectos inhibidores sobre una variedad de patógenos orales. Qiao y col. utilizó el método PIII para incrustar AgNP en un implante de titanio con una superficie rugosa. El implante modificado no solo obtuvo una buena actividad antibacteriana, sino que también promovió la proliferación de células parecidas a osteoblastos MG-63. Y el método PIII libera menos plata libre, lo que reduce los efectos tóxicos de los AgNP. La co-inyección de plata y otros elementos en la superficie del implante también es la dirección actual de la investigación.

Zhao y col. usó el método PIII para co-inyectar magnesio y plata en la superficie de los implantes de titanio y descubrió que los efectos antibacterianos y osteoinductores de los implantes de co-inyección de magnesio y plata son más fuertes que los modificados por magnesio o plata solo, lo que demuestra la osteogénesis Las células tienen ALP más fuerte actividad y niveles más altos de expresión de genes relacionados con osteogénicos. Los experimentos in vivo muestran que la cantidad de implantes coinyectados es mayor y la osteointegración del implante es más fuerte. El efecto de osteoinducción de los implantes coinyectados puede estar relacionado con la formación de microbaterías de magnesio-plata. El magnesio actúa como ánodo en la microbatería. Esta estructura puede promover la liberación de iones de magnesio. Al mismo tiempo, la plata actúa como cátodo, reduciendo la liberación de plata y reduciendo aún más la cantidad de plata libre.

  2.4 zinc

  En el campo de los implantes dentales, existen más estudios sobre el zinc para promover la osteointegración. El zinc inyectado por Zhu et al. a través del método PIII está presente como ZnO en la superficie del implante de titanio, y en forma de zinc elemental en la parte profunda, y el efecto biológico del implante de titanio modificado con zinc está relacionado con el voltaje durante la inyección de zinc. Cuando el voltaje de inyección es de 15 kV Cuando se eleva a 30 kV, se mejora la capacidad del implante para promover la proliferación celular y antibacteriano. El zinc se puede inyectar no solo solo, sino también en combinación con otros elementos.

   Yu y col. inyectaron iones de zinc e iones de magnesio en la superficie de los implantes de titanio mediante el método PIII, y observaron que se inhibía el crecimiento de una variedad de anaerobios orales. En comparación con los iones de zinc o magnesio inyectados solos, los implantes co-inyectados con iones de zinc y magnesio también tienen la actividad de promover la angiogénesis y pueden mejorar la expresión de los genes osteogénicos de las células madre mesenquimales óseas (BMMSC), mejorar la adhesión celular y la actividad de crecimiento, promover osteogénesis rápida, mantener la osteogénesis a largo plazo y mejorar la fuerza de la osteointegración. Esto puede estar relacionado con el efecto sinérgico de los iones de zinc y magnesio en el proceso de osteogénesis.

  2.5 Tantalio

   El tantalio puede promover la formación de hueso del implante e inhibir la proliferación bacteriana. Shi y col. encontraron que la promoción de la osteogénesis por el tantalio puede estar relacionada con la activación de las vías de señalización Wnt / β-atenina y TGF-β / Smad, y que el tantalio también tiene un efecto inhibidor sobre los osteoclastos. El rendimiento de los implantes modificados con tantalio está estrechamente relacionado con el tamaño de partícula del tantalio. El nano-tantalio tiene mejores propiedades osteoinductoras que el tantalio microporoso. Los estudios in vivo de Lee et al. han demostrado que los implantes de titanio modificado con hueso trabecular de tantalio poroso (Trabecular metal? Implantes dentales, TM) tienen un mejor rendimiento y rendimiento de promoción ósea que TSV (Tapered Screw-Vent? Debido a que la cantidad de formación de hueso nuevo es mayor, la microestructura del hueso trabecular es mejor. En comparación con los implantes de titanio tradicionales,

Zhu y col. utilizó un método de pulverización catódica con magnetrón para cubrir la superficie de los implantes de titanio con un recubrimiento micro / nano que contiene tantalio, y observó que tiene cierto efecto inhibidor sobre la adhesión de las principales bacterias patógenas en la cavidad oral. El mecanismo puede deberse al efecto de las BMMSC sobre el tantalio. El efecto de alta adhesión es específico, es decir, no se ve afectado por bacterias, y la superficie de este implante de alta adhesión celular reduce la posibilidad de adhesión bacteriana, mostrando así un efecto bacteriostático.

  2.6 Cobalto

   El cobalto puede inactivar la prolil hidroxilasa específica del factor inducible por hipoxia (factor inducible por hipoxia, HIF), estabilizando así el HIF-1, activando genes posteriores y logrando el efecto de activación de la osteogénesis. Zhou y col. usó el método MAO para cubrir la superficie de los implantes de titanio con recubrimientos de dióxido de titanio / fosfato de calcio dopados con cobalto, y descubrió que la incorporación de cobalto hacía que las células alrededor de los implantes expresaran niveles más altos de citocinas relacionadas con los vasos sanguíneos y la formación de hueso, y sangre vasos y El efecto de formación de hueso se relaciona positivamente con la cantidad de cobalto incorporado.

El estudio también encontró que cuando se co-inyectaron estroncio, cobalto y flúor en la superficie del implante mediante el método MAO, los experimentos antibacterianos in vitro mostraron que la tasa antibacteriana de los implantes co-inyectados podría alcanzar el 95%; y en términos de promover la angiogénesis y la osteogénesis, los implantes de co-inyección El cuerpo es mejor que los tres elementos de estroncio, cobalto y flúor inyectados por separado o en pares. Sin embargo, un elemento de cobalto excesivo puede conducir fácilmente a la citotoxicidad, y se necesitan experimentos repetidos para determinar su concentración óptima y toxicidad biológica a largo plazo.

  2,7 manganeso

  Se ha demostrado que el manganeso juega un papel importante en el proceso de osteogénesis. La falta de manganeso puede dar lugar a problemas como la formación ósea lenta y la deformación ósea. Yu y col. utilizó métodos PIII & D y MAO para cubrir la superficie de los implantes de titanio con un recubrimiento que contiene manganeso para construir un ambiente que pueda liberar iones de manganeso durante mucho tiempo. El recubrimiento de manganeso tiene un cierto efecto inhibidor sobre E. coli y Pseudomonas aeruginosa. En términos de osteogénesis, el manganeso puede mejorar la diferenciación de los osteoblastos y aumentar la formación ósea en general. La razón puede ser que el manganeso afecta la vía de señalización de la hormona paratiroidea, regulando así la densidad mineral ósea. Sin embargo, el exceso de manganeso tiene un efecto tóxico sobre los osteoblastos. El recubrimiento que contiene manganeso preparado por PIII &

  2.8 Otro

Heo y col. implantó nanopartículas de oro en la superficie de implantes de titanio silanizado. Los implantes modificados con oro pueden mejorar la diferenciación de osteoblastos y aumentar la expresión de genes específicos de diferenciación osteogénica (COL1, Runx2, OCN, BSP, etc.) en células madre adiposas humanas, mejorar la actividad de ALP, aumentar la deposición de sal de calcio, y promover la formación de la interfaz de osteointegración del implante. Los estudios han encontrado que las nanopartículas de oro pueden participar en rutas de señales como p38 / MAPK y ERK / MAPK para promover la osteogénesis. Li y col. utilizaron cerio (Ce) para modificar la superficie de los implantes de titanio, y obtuvieron recubrimientos de óxido de nanocerio con diferentes proporciones Ce3 + / Ce4 + en la superficie de los implantes de titanio por pulverización catódica con magnetrón. Con el aumento del contenido de Ce4 +,

  3. Resumen

`` En resumen, los diferentes oligoelementos tienen sus propias ventajas. Por ejemplo, el estroncio, el tantalio y otros elementos tienen un efecto promotor obvio sobre la formación de hueso, y elementos como la plata y el zinc tienen mejores efectos antibacterianos. El uso conjunto de dos o más elementos logrará mejores resultados que el uso de un solo elemento. En la actualidad, se han utilizado en clínicas algunos implantes modificados con elementos (flúor, tantalio, etc.), y algunos implantes incluso tienen mejores efectos antibacterianos y osteogénicos que los implantes disponibles comercialmente. Uno de los principales problemas a los que se enfrentan los implantes modificados de oligoelementos es cómo encontrar un valor adecuado en el rango de baja concentración donde los oligoelementos juegan un papel.