progresso da pesquisa na modificação da superfície de implantes de titânio por oligoelementos

   Os implantes dentários ocupam uma posição importante no campo da restauração de perdas dentárias. No entanto, os implantes dentários ainda apresentam fatores de risco, como infecção do implante e osseointegração imperfeita. A fim de melhorar a osseointegração e as propriedades antibacterianas dos implantes, os pesquisadores fizeram muitas pesquisas sobre a modificação dos materiais dos implantes, e a modificação dos oligoelementos é um dos pontos críticos. Estudos têm demonstrado que oligoelementos como prata, zinco, flúor, estrôncio e manganês estão intimamente relacionados à saúde bucal e têm excelente desempenho em antibacteriana e osteogênese. Os implantes modificados com microelementos são de grande importância para melhorar a taxa de sucesso dos implantes dentários e melhorar o efeito do tratamento.

  1. Tecnologia de aplicação de modificação de superfície de implantes de titânio com oligoelementos

  1.1 Método de implantação de íon de imersão em plasma

  O método tradicional de implantação de íons é acelerar os íons carregados na superfície do material verticalmente para formar um revestimento com propriedades especiais. A implantação de íons por imersão em plasma (PIII) é um aprimoramento do método de implantação de íons. Este método imerge o material no plasma e realiza implantação de íons de vários ângulos, o que resolve o problema de que a tecnologia de implantação de íons tem requisitos severos para o ângulo de implantação, e a tecnologia não afeta a estrutura da superfície do material, e é adequada para materiais com estruturas complexas, como implantes.

"A composição do filme de superfície após a injeção pode ser a substância simples do elemento modificador, o óxido do elemento modificador ou o composto do elemento modificador e o elemento de matriz, dependendo da composição do material do elemento modificador e da matriz e as condições durante a injeção. Por exemplo, quando os implantes de titânio são modificados por elementos não metálicos, podem ser formados compostos como TiN e TiF4. Quando os implantes de titânio são modificados por elementos metálicos, depósitos de ZnO, MgO ou zinco metálico puro ou magnésio podem ser formado.

  1.2 Método de oxidação de micro arco

   A oxidação do micro arco (MAO) é a formação de um filme de óxido espesso e estável na superfície do metal, contando com a alta temperatura instantânea gerada pela descarga do arco no eletrólito. A composição e o desempenho do filme são afetados principalmente pela composição química do eletrólito. A espessura, o tamanho dos poros e a rugosidade do óxido produzido por este método também são mais fáceis de controlar do que outros métodos. Semelhante ao método PIII, o método MAO pode ainda formar um filme de óxido com propriedades uniformes, adesão estreita e resistência ao desgaste em materiais com estruturas de superfície complexas.

  1.3 Outros

O método de pulverização catódica por magnetron usa partículas para impactar a superfície de um alvo no vácuo, pulverizando partículas na superfície do alvo, permitindo que esfriem e se depositem na superfície do material para formar uma estrutura de nanorrevestimento. O revestimento é relativamente fino, mas a ligação é mais firme. As características técnicas da pulverização catódica por magnetrão são que a temperatura do substrato é baixa, os parâmetros do processo da película fina são relativamente fáceis de controlar e é adequada para revestimento de grandes áreas; o método de deposição eletroquímica consiste em colocar o material na solução de oligoelementos correspondente ou sal fundido e fazer com que a superfície do cátodo seja revestida com uma película metálica. A combinação deste método com o método PIII é chamada de implantação e deposição de íons de imersão em plasma (PIII e D), que é amplamente utilizado no campo da biomedicina. Para a seleção de métodos de modificação, é necessário considerar a natureza do material, a natureza do elemento modificado, eficiência, consumo de energia, etc., e para o mesmo elemento, se diferentes métodos de modificação produzirão diferentes efeitos biológicos podem ser comparou o estudo.

  2. Oligoelementos usados ​​para modificação de superfície de implantes de titânio

  O titânio é um material biologicamente inerte e não possui atividades biológicas como propriedades osteoindutivas e antibacterianas, e os implantes metálicos estão sujeitos à corrosão eletroquímica na cavidade oral. A modificação simples da topografia da superfície tem efeito limitado sobre o desempenho biológico dos implantes de titânio, enquanto a modificação do elemento traço pode fornecer desempenhos que os implantes tradicionais de titânio não possuem.

  2.1 Flúor

  O flúor tem uma ampla gama de aplicações na cavidade oral. Lee et al. usou ácido fluorídrico (HF) para gravar o disco de titânio após o jato de areia. O fluoreto na superfície do disco de titânio apareceu principalmente na forma de TiOF2. Foi encontrado através do experimento de cultura de células semelhantes a osteoblastos MG-63 na superfície do disco de titânio. Em comparação com o grupo de controle, mais células e mais expressão do gene Cbfα1 (Runx2) osteogênico podem ser observados no disco de titânio gravado por HF. A molhabilidade da superfície do disco de titânio também é melhorada, o que aumenta a atividade de diferenciação das células.

Wang et al. usou o método PIII para injetar flúor na superfície do implante de titânio. A superfície modificada do implante adicionou uma nova camada de superfície composta principalmente de TiF4. O implante modificado com flúor (F-Ti) foi eficaz contra Porphyromonas gingivalis. (Porphyromonas gingivalis, Pg) tem um efeito lítico, que enfraquece a proliferação de células semelhantes a osteoblastos MG-63 e o efeito negativo na atividade da fosfatase alcalina (ALP). A interferência de OPG / RANKL, uma via importante nos osteoclastos, está relacionada até certo ponto; experimentos in vivo mostram que os implantes F-Ti têm uma capacidade mais forte de quelar íons de cálcio, resultando em mais depósitos ósseos, em comparação com os implantes de titânio puro no grupo de controle. O corpo tem um alto grau de osseointegração do implante.

Collaert et al. implantou 125 implantes de titânio modificados com flúor nas mandíbulas de 25 pacientes mandibulares desdentados. Após dois anos de acompanhamento, eles descobriram que a perda óssea média em torno de 125 implantes modificados com flúor era de apenas 0,11 mm, e não havia implante. Ocorre inflamação periférica e a taxa de sucesso pode ser considerada 100%. Antes deste experimento (2011), a perda óssea média do implante TiOblast usado no experimento clínico com a mesma operação cirúrgica atingiu 1,29 mm após dois anos, e a taxa de sucesso de 1 ano foi de 78%.

  2.2 Estrôncio

  O estrôncio é um tipo de oligoelemento osteogênico e o fármaco relacionado ranelato de estrôncio é usado para promover a osseointegração em torno dos implantes. O estrôncio pode estimular a proliferação de osteoblastos, inibir a diferenciação de osteoclastos e pode inibir a diferenciação adipogênica e condrogênica de células-tronco mesenquimais. O estrôncio também pode inibir a resposta das células inflamatórias do sistema imunológico ao redor do implante. Okuzu et al. estrôncio usado para modificar a superfície dos implantes pelo método de aquecimento alcalino. Os experimentos celulares mostraram que, em comparação com o grupo de controle, os implantes de titânio modificado com estrôncio aumentaram efetivamente a expressão de β-atenina de osteoblastos e genes de diferenciação osteogênica (Runx2, A expressão de ALP, OCN, OPN) também foi significativamente melhorada; experimentos in vivo mostram que, em comparação com o grupo de controle,

O rápido desempenho de osseointegração do implante de estrôncio modificado obtido por Zhang et al. através do método MAO dentro de 6 semanas é equivalente ao do implante Straumann comercialmente disponível e é diferente da direção da nova formação óssea do implante Straumann "crescimento da superfície do implante". A direção da osteogênese dos implantes modificados com estrôncio se estende ao longo da superfície do implante, indicando que o grau de osseointegração aumentará ainda mais. Offermanns et al. obteve um revestimento em escala nanométrica de titânio-estrôncio-oxigênio (Ti-Sr-O) por meio de um processo de pulverização catódica de magnetron e aplicou-o na superfície do implante de titânio, criando um ambiente de liberação de íon estrôncio contínuo e controlável. No modelo de camundongo com osteoporose, a formação óssea e a osseointegração ao redor do implante foram significativamente maiores do que no grupo controle. A quantidade de formação de osso novo foi positivamente correlacionada com a quantidade de íons de estrôncio liberados. O revestimento também pode fazer com que o implante osseointegre até atingir o máximo com antecedência. Estudos subsequentes mostraram que, em organismos normais, os revestimentos de Ti-Sr-O são mais capazes de promover osseointegração osteoindutiva e precoce dos implantes do que os implantes de titânio SLActive e os implantes modificados com flúor, amplamente usados ​​clinicamente.

  2,3 prata

   O implante modificado com íon de prata tem excelente capacidade antibacteriana e antiinflamatória. Experimentos mostram que nanopartículas de prata (Ag-NPs) têm efeitos inibitórios em uma variedade de patógenos orais. Qiao et al. usou o método PIII para incorporar AgNPs em um implante de titânio com uma superfície rugosa. O implante modificado não apenas obteve boa atividade antibacteriana, mas também promoveu a proliferação de células osteoblásticas-like MG-63. E o método PIII libera menos prata livre, reduzindo os efeitos tóxicos dos AgNPs. A co-injeção de prata e outros elementos na superfície do implante também é a direção atual da pesquisa.

Zhao et al. usaram o método PIII para co-injetar magnésio e prata na superfície dos implantes de titânio e descobriram que os efeitos antibacterianos e osteoindutivos dos implantes de co-injeção de magnésio e prata são mais fortes do que aqueles modificados por magnésio ou prata apenas, mostrando osteogênese. As células têm ALP mais forte atividade e níveis mais elevados de expressão de genes osteogênicos relacionados. Experimentos in vivo mostram que a quantidade de implantes co-injetados é maior e a osseointegração do implante é mais forte. O efeito de osteoindução dos implantes co-injetados pode estar relacionado à formação de microbaterias de magnésio-prata. O magnésio atua como um ânodo na micro-bateria. Essa estrutura pode promover a liberação de íons de magnésio. Ao mesmo tempo, a prata atua como um cátodo, reduzindo a liberação de prata e reduzindo ainda mais a quantidade de prata livre.

  2,4 zinco

  Na área de implantes dentários, há mais estudos sobre o zinco na promoção da osseointegração. O zinco injetado por Zhu et al. através do método PIII está presente como ZnO na superfície do implante de titânio, e na forma de zinco elementar na parte profunda, e o efeito biológico do implante de titânio modificado com zinco está relacionado à voltagem durante a injeção de zinco. Quando a voltagem de injeção é de 15kV Quando sobe para 30kV, a capacidade do implante de promover a proliferação celular e antibacteriana é melhorada. O zinco pode ser injetado não apenas sozinho, mas também em combinação com outros elementos.

   Yu et al. injetou íons de zinco e íons de magnésio na superfície de implantes de titânio pelo método PIII e observou que o crescimento de uma variedade de anaeróbios orais foi inibido. Em comparação com íons de zinco ou magnésio injetados isoladamente, os implantes co-injetados com íons de zinco e magnésio também têm a atividade de promover a angiogênese e podem melhorar a expressão de genes osteogênicos de células-tronco mesenquimais ósseas (BMMSCs), melhorar a adesão celular e a atividade de crescimento, promover osteogênese rápida, manter a osteogênese em longo prazo e melhorar a força da osseointegração. Isso pode estar relacionado ao efeito sinérgico dos íons zinco e magnésio no processo de osteogênese.

  2,5 tântalo

   O tântalo pode promover a formação óssea do implante e inibir a proliferação bacteriana. Shi et al. descobriram que a promoção da osteogênese pelo tântalo pode estar relacionada à ativação das vias de sinalização Wnt / β-atenina e TGF-β / Smad, e o tântalo também tem um efeito inibitório sobre os osteoclastos. O desempenho dos implantes modificados com tântalo está intimamente relacionado ao tamanho das partículas do tântalo. O nanotântalo tem melhores propriedades osteoindutivas do que o tântalo microporoso. Estudos in vivo de Lee et al. demonstraram que os implantes de titânio modificado com osso trabecular de tântalo poroso (Trabecular metal? Implantes dentários, TM) têm melhor desempenho e desempenho na promoção do osso do que o TSV (Tapered Screw-Vent? Porque a quantidade de formação de osso novo é maior, a microestrutura do osso trabecular é melhor. Em comparação com os implantes tradicionais de titânio,

Zhu et al. usaram um método de magnetron sputtering para cobrir a superfície dos implantes de titânio com um micro / nano revestimento contendo tântalo, e observaram que ele tem certo efeito inibitório na adesão das principais bactérias patogênicas na cavidade oral. O mecanismo pode ser devido ao efeito das BMMSCs sobre o tântalo. O efeito de alta adesão é específico, ou seja, não é afetado por bactérias, e a superfície desse implante de alta adesão celular reduz a chance de adesão bacteriana, apresentando, assim, um efeito bacteriostático.

  2.6 Cobalto

   O cobalto pode inativar a prolil hidroxilase específica do fator induzível por hipóxia (fator induzível por hipóxia, HIF), estabilizando assim o HIF-1, ativando genes a jusante e alcançando o efeito de ativação da osteogênese. Zhou et al. usaram o método MAO para cobrir a superfície dos implantes de titânio com revestimentos de dióxido de titânio / fosfato de cálcio dopados com cobalto e descobriram que a incorporação de cobalto fazia com que as células ao redor dos implantes expressassem níveis mais elevados de citocinas relacionadas aos vasos sanguíneos e à formação óssea, e vasos e O efeito de formação óssea está positivamente relacionado à quantidade de cobalto incorporado.

O estudo também descobriu que quando estrôncio, cobalto e flúor foram co-injetados na superfície do implante através do método MAO, experimentos antibacterianos in vitro mostraram que a taxa antibacteriana de implantes co-injetados pode chegar a 95%; e em termos de promoção da angiogênese e osteogênese, implantes de co-injeção. O corpo é melhor do que os três elementos de estrôncio, cobalto e flúor injetados separadamente ou em pares. No entanto, o elemento cobalto em excesso pode facilmente levar à citotoxicidade, e experimentos repetidos são necessários para determinar sua concentração ideal e toxicidade biológica de longo prazo.

  2,7 manganês

  O manganês tem demonstrado desempenhar um papel importante no processo de osteogênese. A falta de manganês pode levar a problemas como formação óssea lenta e deformação óssea. Yu et al. usou os métodos PIII & D e MAO para cobrir a superfície dos implantes de titânio com um revestimento contendo manganês para construir um ambiente que pode liberar íons de manganês por um longo tempo. O revestimento de manganês tem um certo efeito inibitório sobre E. coli e Pseudomonas aeruginosa. Em termos de osteogênese, o manganês pode aumentar a diferenciação dos osteoblastos e aumentar a formação óssea geral. A razão pode ser que o manganês afeta a via de sinalização do hormônio da paratireóide, regulando assim a densidade mineral óssea. No entanto, o excesso de manganês tem um efeito tóxico sobre os osteoblastos. O revestimento contendo manganês preparado pelo PIII &

  2.8 Outros

Heo et al. implantou nanopartículas de ouro na superfície de implantes de titânio silanizado. Os implantes modificados com ouro podem aumentar a diferenciação de osteoblastos e aumentar a expressão de genes específicos da diferenciação osteogênica (COL1, Runx2, OCN, BSP, etc.) em células-tronco adiposas humanas, melhorar a atividade de ALP, aumentar a deposição de sal de cálcio, e promover a formação da interface de osseointegração do implante. Estudos descobriram que as nanopartículas de ouro podem participar de vias de sinalização, como p38 / MAPK e ERK / MAPK, para promover a osteogênese. Li et al. usaram cério (Ce) para modificar a superfície de implantes de titânio e obtiveram revestimentos de óxido de nano-cério com diferentes relações Ce3 + / Ce4 + na superfície de implantes de titânio por pulverização catódica de magnetron. Com o aumento do conteúdo do Ce4 +,

  3. Resumo

`` Em resumo, diferentes oligoelementos têm suas próprias vantagens. Por exemplo, estrôncio, tântalo e outros elementos têm efeito de promoção óbvio na formação óssea, e elementos como prata e zinco têm melhores efeitos antibacterianos. O uso conjunto de dois ou mais elementos obterá melhores resultados do que o uso de um único elemento. Atualmente, alguns implantes modificados por elemento têm sido usados ​​em clínicas (flúor, tântalo, etc.), e alguns implantes até têm melhores efeitos antibacterianos e osteogênicos do que os disponíveis comercialmente. Um dos principais problemas enfrentados pelos implantes modificados de oligoelementos é como encontrar um valor adequado na faixa de baixa concentração, onde os oligoelementos desempenham um papel.

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