progressi della ricerca sulla modifica della superficie degli impianti in titanio da parte degli oligoelementi

   Gli impianti dentali occupano una posizione importante nel campo del ripristino della perdita dei denti. Tuttavia, gli impianti dentali presentano ancora fattori di rischio come l'infezione dell'impianto e l'osteointegrazione imperfetta. Al fine di migliorare l'osteointegrazione e le proprietà antibatteriche degli impianti, i ricercatori hanno svolto molte ricerche sulla modifica dei materiali degli impianti e la modifica degli oligoelementi è uno dei punti caldi. Studi hanno dimostrato che gli oligoelementi come argento, zinco, fluoro, stronzio e manganese sono strettamente correlati alla salute orale e hanno prestazioni eccellenti in materia di antibatterico e osteogenesi. Gli impianti modificati con microelementi sono di grande importanza per migliorare il tasso di successo degli impianti dentali e migliorare l'effetto del trattamento.

  1. Tecnologia di applicazione della modifica della superficie di impianti in titanio con oligoelementi

  1.1 Metodo di impianto ionico per immersione al plasma

  Il metodo di impianto ionico tradizionale consiste nell'accelerare verticalmente gli ioni caricati nella superficie del materiale per formare un rivestimento con proprietà speciali. L'impianto ionico per immersione al plasma (PIII) è un miglioramento del metodo di impianto ionico. Questo metodo immerge il materiale nel plasma ed esegue l'impianto ionico da più angolazioni, risolvendo il problema che la tecnologia di impianto ionico ha requisiti severi per l'angolo di impianto e la tecnologia non influisce sulla struttura superficiale del materiale ed è adatta per materiali con strutture complesse come gli impianti.

"La composizione della pellicola superficiale dopo l'iniezione può essere la semplice sostanza dell'elemento modificante, l'ossido dell'elemento modificante o il composto dell'elemento modificante e dell'elemento matrice, a seconda della composizione del materiale dell'elemento modificante e della matrice e le condizioni durante l'iniezione. Ad esempio, quando gli impianti in titanio vengono modificati da elementi non metallici, si possono formare composti come TiN e TiF4. Quando gli impianti in titanio vengono modificati da elementi metallici, ZnO, MgO o zinco metallico puro o depositi di magnesio possono essere formato.

  1.2 Metodo di ossidazione microarco

   L'ossidazione ad arco micro (MAO) consiste nel formare una pellicola di ossido spessa e stabile sulla superficie metallica facendo affidamento sull'elevata temperatura istantanea generata dalla scarica dell'arco nell'elettrolita. La composizione e le prestazioni del film sono principalmente influenzate dalla composizione chimica dell'elettrolita. Lo spessore, la dimensione dei pori e la rugosità dell'ossido prodotto con questo metodo sono anche più facili da controllare rispetto ad altri metodi. Simile al metodo PIII, il metodo MAO può ancora formare un film di ossido con proprietà uniformi, stretta adesione e resistenza all'usura su materiali con strutture superficiali complesse.

  1.3 Altro

Il metodo di sputtering del magnetron utilizza particelle per colpire la superficie di un bersaglio nel vuoto, spruzzando particelle sulla superficie del bersaglio, consentendo loro di raffreddarsi e depositarsi sulla superficie del materiale per formare una struttura di nanorivestimento. Il rivestimento è relativamente sottile, ma il legame è più stretto. Le caratteristiche tecniche dello sputtering con magnetron sono che la temperatura del substrato è bassa, i parametri di processo del film sottile sono relativamente facili da controllare ed è adatto per il rivestimento di grandi aree; il metodo di deposizione elettrochimica consiste nel posizionare il materiale nella corrispondente soluzione di oligoelementi o sale fuso, e fare in modo che la superficie del materiale catodico sia placcata con una pellicola metallica. La combinazione di questo metodo con il metodo PIII è chiamata impianto e deposizione ionica per immersione al plasma (PIII e D), ampiamente utilizzato nel campo della biomedicina. Per la selezione dei metodi di modifica, è necessario considerare la natura del materiale, la natura dell'elemento modificato, l'efficienza, il consumo di energia, ecc. E per lo stesso elemento, se metodi di modifica diversi producono effetti biologici diversi possono essere ha confrontato lo studio.

  2. Elementi in tracce utilizzati per la modifica della superficie degli impianti in titanio

  Il titanio è un materiale biologicamente inerte e non possiede attività biologiche come proprietà osteoinduttive e antibatteriche, e gli impianti metallici sono soggetti a corrosione elettrochimica nel cavo orale. La semplice modifica della topografia superficiale ha un effetto limitato sulle prestazioni biologiche degli impianti in titanio, mentre la modifica degli elementi in tracce può fornire prestazioni che gli impianti in titanio tradizionali non possiedono.

  2.1 Fluoro

  Il fluoro ha una vasta gamma di applicazioni nella cavità orale. Lee et al. usato acido fluoridrico (HF) per incidere il disco di titanio dopo la sabbiatura. Il fluoruro sulla superficie del disco di titanio appariva principalmente sotto forma di TiOF2. È stato trovato attraverso l'esperimento di coltura di cellule simili agli osteoblasti MG-63 sulla superficie del disco di titanio. Rispetto al gruppo di controllo, è possibile osservare più cellule e più espressione del gene correlato all'osteogenesi Cbfα1 (Runx2) sul disco di titanio inciso da HF. Anche la bagnabilità superficiale del disco in titanio è migliorata, il che aumenta l'attività di differenziazione delle cellule.

Wang et al. ha utilizzato il metodo PIII per iniettare fluoro nella superficie dell'impianto in titanio. La superficie modificata dell'impianto ha aggiunto un nuovo strato superficiale composto principalmente da TiF4. L'impianto modificato con fluoro (F-Ti) è stato efficace contro Porphyromonas gingivalis. (Porphyromonas gingivalis, Pg) ha un effetto litico, che indebolisce la proliferazione delle cellule simili agli osteoblasti MG-63 e l'effetto negativo sull'attività della fosfatasi alcalina (ALP). L'interferenza di OPG / RANKL, un percorso importante negli osteoclasti, è correlata in una certa misura; esperimenti in vivo dimostrano che gli impianti F-Ti hanno una maggiore capacità di chelare gli ioni calcio, con conseguente aumento dei depositi ossei, rispetto agli impianti in titanio puro nel gruppo di controllo. Il corpo ha un alto grado di osteointegrazione dell'impianto.

Collaert et al. impiantato 125 impianti in titanio modificato con fluoro nelle mandibole di 25 pazienti mandibolari edentuli. Dopo due anni di follow-up, hanno scoperto che la perdita ossea media intorno a 125 impianti modificati con fluoro era di soli 0,11 mm e non era presente alcun impianto. Si verifica un'infiammazione periferica e la percentuale di successo può essere considerata del 100%. Prima di questo esperimento (2011), la perdita ossea media dell'impianto TiOblast utilizzato nell'esperimento clinico con la stessa operazione chirurgica raggiungeva 1,29 mm dopo due anni e la percentuale di successo a 1 anno era del 78%.

  2.2 Stronzio

  Lo stronzio è un tipo di oligoelemento osteogenico e il relativo farmaco ranelato di stronzio viene utilizzato per promuovere l'osteointegrazione attorno agli impianti. Lo stronzio può stimolare la proliferazione degli osteoblasti, inibire la differenziazione degli osteoclasti e può inibire la differenziazione adipogenica e condrogenica delle cellule staminali mesenchimali. Lo stronzio può anche inibire la risposta delle cellule infiammatorie immunitarie attorno all'impianto. Okuzu et al. ha usato lo stronzio per modificare la superficie degli impianti con il metodo del riscaldamento alcalino. Gli esperimenti sulle cellule hanno dimostrato che rispetto al gruppo di controllo, gli impianti in titanio modificato con stronzio aumentavano efficacemente l'espressione della β-atenina degli osteoblasti e dei geni di differenziazione osteogenica (Runx2, L'espressione di ALP, OCN, OPN) è stata notevolmente migliorata; esperimenti in vivo mostrano che rispetto al gruppo di controllo,

La rapida performance di osteointegrazione dell'impianto modificato con stronzio ottenuta da Zhang et al. attraverso il metodo MAO entro 6 settimane è equivalente a quello dell'impianto Straumann disponibile in commercio ed è diverso dalla nuova direzione di formazione ossea dell'impianto Straumann "crescita dalla superficie dell'impianto". La direzione dell'osteogenesi degli impianti modificati con stronzio si estende lungo la superficie dell'impianto, indicando che il grado di osteointegrazione aumenterà ulteriormente. Offermanns et al. ha ottenuto un rivestimento su nanoscala titanio-stronzio-ossigeno (Ti-Sr-O) attraverso un processo di sputtering con magnetron e lo ha applicato sulla superficie dell'impianto in titanio, creando un ambiente di rilascio di ioni di stronzio continuo e controllabile. Nel modello murino dell'osteoporosi, la formazione ossea e l'osteointegrazione attorno all'impianto erano significativamente più elevate rispetto a quelle del gruppo di controllo. La quantità di nuova formazione ossea è stata positivamente correlata alla quantità di ioni di stronzio rilasciati. Il rivestimento può anche rendere l'impianto osteointegrato Raggiungere il massimo in anticipo. Studi successivi hanno dimostrato che negli organismi normali, i rivestimenti Ti-Sr-O sono più in grado di promuovere l'osteointegrazione precoce e osteoinduttiva degli impianti rispetto agli impianti in titanio SLActive e agli impianti modificati con fluoro che sono ampiamente utilizzati clinicamente.

  2.3 argento

   L'impianto modificato con ioni d'argento ha eccellenti capacità antibatteriche e antinfiammatorie. Gli esperimenti dimostrano che le nanoparticelle d'argento (Ag-NP) hanno effetti inibitori su una varietà di patogeni orali. Qiao et al. ha utilizzato il metodo PIII per incorporare gli AgNP su un impianto in titanio con una superficie ruvida. L'impianto modificato non solo ha ottenuto una buona attività antibatterica, ma ha anche promosso la proliferazione di cellule simili agli osteoblasti MG-63. E il metodo PIII rilascia meno argento libero, riducendo gli effetti tossici degli AgNP. La co-iniezione di argento e altri elementi nella superficie dell'impianto è anche l'attuale direzione della ricerca.

Zhao et al. ha utilizzato il metodo PIII per co-iniettare magnesio e argento nella superficie degli impianti in titanio e ha scoperto che gli effetti antibatterici e osteoinduttivi degli impianti di coiniezione di magnesio e argento sono più forti di quelli modificati da magnesio o argento da soli, dimostrando che l'osteogenesi Le cellule hanno ALP più forte attività e livelli di espressione più elevati di geni correlati all'osteogenesi. Esperimenti in vivo mostrano che la quantità di impianti co-iniettati è maggiore e l'osteointegrazione dell'impianto è più forte. L'effetto di osteoinduzione degli impianti co-iniettati può essere correlato alla formazione di microbatterie magnesio-argento. Il magnesio funge da anodo nella micro-batteria. Questa struttura può favorire il rilascio di ioni magnesio. Allo stesso tempo, l'argento agisce come un catodo, riducendo il rilascio di argento e riducendo ulteriormente la quantità di argento libero.

  2.4 zinco

  Nel campo degli impianti dentali, ci sono più studi sullo zinco nel promuovere l'osteointegrazione. Lo zinco iniettato da Zhu et al. attraverso il metodo PIII è presente come ZnO sulla superficie dell'impianto in titanio, e sotto forma di zinco elementare nella parte profonda, e l'effetto biologico dell'impianto in titanio zinco modificato è correlato alla tensione durante l'iniezione di zinco. Quando la tensione di iniezione è di 15 kV Quando sale a 30 kV, la capacità dell'impianto di promuovere la proliferazione cellulare e l'antibatterico è migliorata. Lo zinco può essere iniettato non solo da solo, ma anche in combinazione con altri elementi.

   Yu et al. ha iniettato ioni di zinco e ioni di magnesio nella superficie degli impianti in titanio con il metodo PIII e ha osservato che la crescita di una varietà di anaerobi orali era inibita. Rispetto agli ioni di zinco o magnesio iniettati da soli, gli impianti co-iniettati con ioni di zinco e magnesio hanno anche l'attività di promuovere l'angiogenesi e possono migliorare l'espressione dei geni osteogenici delle cellule staminali mesenchimali ossee (BMMSC), migliorare l'adesione cellulare e l'attività di crescita, promuovere osteogenesi rapida, mantenimento dell'osteogenesi a lungo termine e miglioramento della forza dell'osteointegrazione. Ciò può essere correlato all'effetto sinergico degli ioni di zinco e magnesio nel processo di osteogenesi.

  2.5 Tantalio

   Il tantalio può promuovere la formazione dell'osso dell'impianto e inibire la proliferazione batterica. Shi et al. hanno scoperto che la promozione dell'osteogenesi da parte del tantalio può essere correlata all'attivazione delle vie di segnalazione Wnt / β-atenina e TGF-β / Smad, e il tantalio ha anche un effetto inibitorio sugli osteoclasti. Le prestazioni degli impianti modificati in tantalio sono strettamente correlate alla dimensione delle particelle di tantalio. Il nano-tantalio ha proprietà osteoinduttive migliori del tantalio microporoso. Studi in vivo di Lee et al. hanno dimostrato che gli impianti in titanio modificato con osso trabecolare in tantalio poroso (Trabecular metal? Dental Implants, TM) hanno prestazioni e prestazioni di promozione dell'osso migliori rispetto a TSV (Tapered Screw-Vent? Perché la quantità di nuova formazione ossea è maggiore, la microstruttura ossea trabecolare è migliore. Rispetto ai tradizionali impianti in titanio,

Zhu et al. ha utilizzato un metodo di sputtering con magnetron per coprire la superficie degli impianti in titanio con un rivestimento micro / nano contenente tantalio e ha osservato che ha un certo effetto inibitorio sull'adesione dei principali batteri patogeni nella cavità orale. Il meccanismo può essere dovuto all'effetto dei BMMSC sul tantalio. L'elevato effetto di adesione è specifico, cioè non è influenzato dai batteri, e la superficie di questo impianto ad alta adesione cellulare riduce la possibilità di adesione batterica, mostrando così un effetto batteriostatico.

  2.6 Cobalto

   Il cobalto può inattivare il fattore inducibile dell'ipossia (fattore inducibile dall'ipossia, HIF) prolil idrossilasi specifica, stabilizzando così l'HIF-1, attivando i geni a valle e ottenendo l'effetto di attivazione dell'osteogenesi. Zhou et al. ha utilizzato il metodo MAO per coprire la superficie degli impianti in titanio con rivestimenti di biossido di titanio drogato con cobalto / fosfato di calcio, e ha scoperto che l'incorporazione di cobalto faceva sì che le cellule attorno agli impianti esprimessero livelli più elevati di citochine correlate ai vasi sanguigni e alla formazione dell'osso e al sangue vasi e L'effetto di formazione ossea è positivamente correlato alla quantità di cobalto incorporato.

Lo studio ha anche scoperto che quando stronzio, cobalto e fluoro venivano co-iniettati sulla superficie dell'impianto attraverso il metodo MAO, esperimenti antibatterici in vitro hanno mostrato che il tasso antibatterico degli impianti co-iniettati poteva raggiungere il 95%; e in termini di promozione dell'angiogenesi e dell'osteogenesi, impianti di coiniezione Il corpo è migliore dei tre elementi di stronzio, cobalto e fluoro iniettati separatamente o in coppia. Tuttavia, un elemento di cobalto eccessivo può facilmente portare a citotossicità e sono necessari esperimenti ripetuti per determinarne la concentrazione ottimale e la tossicità biologica a lungo termine.

  2.7 manganese

  È stato dimostrato che il manganese gioca un ruolo importante nel processo di osteogenesi. La mancanza di manganese può portare a problemi come la lenta formazione ossea e la deformazione ossea. Yu et al. ha utilizzato i metodi PIII & D e MAO per coprire la superficie degli impianti in titanio con un rivestimento contenente manganese per costruire un ambiente in grado di rilasciare ioni di manganese per lungo tempo. Il rivestimento di manganese ha un certo effetto inibitorio su E. coli e Pseudomonas aeruginosa. In termini di osteogenesi, il manganese può migliorare la differenziazione degli osteoblasti e aumentare la formazione ossea complessiva. La ragione potrebbe essere che il manganese influisce sulla via di segnalazione dell'ormone paratiroideo, regolando così la densità minerale ossea. Tuttavia, un eccesso di manganese ha un effetto tossico sugli osteoblasti. Il rivestimento contenente manganese preparato dal PIII &

  2.8 Altro

Heo et al. ha impiantato nanoparticelle d'oro nella superficie degli impianti in titanio silanizzato. Gli impianti modificati in oro possono migliorare la differenziazione degli osteoblasti e aumentare l'espressione di geni specifici della differenziazione osteogenica (COL1, Runx2, OCN, BSP, ecc.) Nelle cellule staminali adipose umane, migliorare l'attività dell'ALP, aumentare la deposizione di sale di calcio, e promuovere la formazione dell'interfaccia di osteointegrazione dell'impianto. Gli studi hanno scoperto che le nanoparticelle d'oro possono partecipare a percorsi di segnale come p38 / MAPK e ERK / MAPK per promuovere l'osteogenesi. Li et al. ha utilizzato il cerio (Ce) per modificare la superficie degli impianti in titanio e ha ottenuto rivestimenti in ossido di nano-cerio con diversi rapporti Ce3 + / Ce4 + sulla superficie degli impianti in titanio mediante magnetron sputtering. Con l'aumento del contenuto di Ce4 +,

  3. Riepilogo

`` In sintesi, diversi oligoelementi hanno i loro vantaggi. Ad esempio, lo stronzio, il tantalio e altri elementi hanno un evidente effetto promotore sulla formazione dell'osso e elementi come l'argento e lo zinco hanno migliori effetti antibatterici. L'uso congiunto di due o più elementi consentirà di ottenere risultati migliori rispetto all'uso di un solo elemento. Al momento, alcuni impianti modificati con elementi sono stati utilizzati nelle cliniche (fluoro, tantalio, ecc.) E alcuni impianti hanno persino migliori effetti antibatterici e osteogenici rispetto agli impianti disponibili in commercio. Uno dei problemi principali che devono affrontare gli impianti modificati di oligoelementi è come trovare un valore adeguato nell'intervallo di basse concentrazioni in cui gli oligoelementi giocano un ruolo.