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Medicina Oral, Patología Oral y Cirugía Bucal (Ed. impresa)

versión impresa ISSN 1698-4447

Med. oral patol. oral cir. bucal (Ed.impr.) v.10 n.1 Valencia ene.-feb. 2005

 

Caracterización físico-química de la superficie de 9 implantes dentales con 3 distintos tratamientos de superficie

Daniel Rodríguez Rius (1), F. Javier García Saban (2)

(1) Dr. Ingeniero Industrial. Responsable del Departamento Científico, Impladent S.L.
(2) Médico Odontólogo. Director del Departamento Científico, Impladent S.L.

Correspondencia
Daniel Rodríguez 
Departamento Científico, Impladent S.L. 
Polígono Industrial Mas d’en Cisa; c/ Gato Pérez, 3-9 
08181 - Sentmenat (Barcelona) 
Tel 902 20 14 13 / Fax 902 259 260 
e-mail: impladent@defcon.es

Recibido: 12/05/2003 Aceptado: 15/10/2003

Rodríguez-Rius D, García-Saban F.J. Caracterización físico-química de la superficie de 9 implantes dentales con 3 distintos tratamientos de superficie. Med Oral Patol Oral Cir Bucal 2005;10:58-65.
© Medicina Oral S. L. C.I.F. B 96689336 - ISSN 1137 - 2834

 

RESUMEN

Existen diversos tratamientos de superficie aplicados a los implantes dentales. El objetivo del presente estudio es comparar las características físico-químicas de la superficie de implantes dentales de titanio sometidos a diversos tratamientos de superficie. 9 implantes dentales procedentes del mismo lote de fabricación fueron separados en 3 grupos y sometidos a 3 tipos de tratamiento de superficie diferentes: mecanizado, grabado ácido y un ataque químico denominado Avantblast®. Las superficies obtenidas fueron observadas mediante microscopía electrónica de barrido y microscopía confocal, y caracterizadas químicamente mediante energía dispersiva de rayos X y espectrometría de fotoelectrones.
Resultados:
Las superficies grabadas al ácido y las tratadas con ataque químico fueron más rugosas que las mecanizadas. La composición química superficial fue diferente entre procesos, en la superficie con el tratamiento de ataque químico existieron menos impurezas y un mayor espesor de la capa de óxido de titanio.
Conclusiones:
La rugosidad superficial de los implantes dentales de titanio y el espesor de la capa de óxido de titanio se pueden incrementar mediante un adecuado tratamiento superficial de ataque químico.

Palabras clave: Implantes dentales, tratamiento de superficie, rugosidad, óxido de titanio

 

INTRODUCCION

En los últimos años han aparecido diversos tratamientos de superficie aplicados a implantes dentales para aumentar la rugosidad superficial del implante, como TiOblast®(1), SLA®(2), Osseotite®(3) o TiUnite®(4), entre otros. La aplicación de tratamientos superficiales para obtener aumento de la rugosidad superficial de los implantes dentales (5-8), demuestran que la osteointegración del implante a corto y medio plazo se ve favorecida por una superficie de rugosidad micrométrica. Esta mejoría parece estar ligada, según diversos estudios experimentales (8-11), a la existencia en la superficie del implante de microrrugosidades favorecedoras de la adhesión celular, dando lugar a una mayor diferenciación celular y a una mayor expresión de los osteoblastos. Este efecto tiene como consecuencia una rápida regeneración y una mejor calidad del tejido óseo.

Otras modificaciones de la superficie surgidas en los últimos años están enfocadas a obtener un aumento del espesor y de la cristalinidad de la capa superficial de óxido de titanio, ya que algunos estudios sugieren una relación entre el incremento del espesor y/o cristalinidad de la capa de óxido y mayor adsorción de proteínas a la superficie (12, 13), mayor diferenciación y crecimiento de los osteoblastos (14, 15) y mayor osteointegración de implantes tratados (16, 17).

Se ha desarrollado un nuevo tratamiento de superficie, Avantblast® (Impladent, Sentmenat, España), que une las mejoras en la respuesta osteoblástica obtenidas con un incremento de la rugosidad con las obtenidas con un mayor espesor y cristalinidad de la capa superficial de óxido de titanio. El incremento de rugosidad se consigue mediante homogeneización previa de tensiones superficiales y un ataque químico de la superficie, mientras que el incremento de espesor y de la cristalinidad de la capa de óxido de titanio se logra mediante tratamiento térmico (14, 18, 19). En este artículo se estudia la superficie de implantes dentales mecanizados sin tratar, con grabado ácido y con el nuevo tratamiento Avantblast®. Se ha examinado la morfología, la composición química superficial y la rugosidad creada por los diferentes tratamientos, así como el espesor de la capa de óxido de titanio.

MATERIALES Y MÉTODOS

El estudio se realizó sobre 9 implantes modelo DefconTM TSA® (Impladent, Sentmenat, España), mecanizados en titanio grado 2. Tras un lavado posterior se prepararon 3 lotes de 3 implantes.

El primer lote de 3 implantes (denominado “mecanizado”) no recibió ningún tratamiento superficial. El segundo lote (denominado “grabado”) fue sometido a grabado ácido, consistente en un ataque químico de la superficie del titanio con una disolución de ácido fluorhídrico, seguido de pasivado con una disolución de ácido fluorhídrico y nítrico según el estándar ASTM (American Standard for Testing of Materials) F86. El tercer lote (denominado “Avantblast”) fue sometido a un tratamiento superficial en dos fases. En la primera fase, tras un proceso de homogeneización de tensiones, se aplicó un ataque químico a la superficie del implante con una disolución de ácido sulfúrico y fluorhídrico a elevada temperatura. En la segunda fase, se procedió a someter el implante a un tratamiento térmico en horno.

Las muestras fueron introducidas en envases estancos y se irradiaron para su esterilización con una dosis mínima de rayos gamma de 25kGy, procedentes de una fuente de cobalto-60 (Aragogamma S.A., Granollers, España). Después las muestras fueron analizadas en la zona del implante diseñada para entrar en contacto con el hueso sin ningún otro tipo de preparación.

El acabado superficial de los tratamientos fue estudiado con un microscopio electrónico de barrido Jeol JSM-840 (Serveis Científico-Tècnics, Universitat de Barcelona). El potencial del cañón de electrones fue fijado a 15kV, con magnificación de 14 a 10.000 aumentos.

La composición química superficial fue estudiada con dos técnicas complementarias en una zona fresada plana del extremo apical (un implante por lote). Se analizó la composición química superficial mediante la técnica de energía dispersiva de rayos X (EDS) con un equipo EDS Link-Inca conectado a un microscopio electrónico de barrido Leica Electroscan 360 (Serveis Científico-Tècnics, Universitat de Barcelona). Paralelamente, también se analizó mediante espectrometría de fotoelectrones (XPS) con un equipo Physical Electronics 5500 (Serveis Científico-Tècnics, Universitat de Barcelona). Esta técnica permite determinar la composición química superficial de una muestra en un espesor nanométrico. El equipo trabajó con una fuente de emisión con monocromador de rayos X en la banda Kα del aluminio, en un vacío ultra-alto de 0,6·10-6 Pa. El ángulo de detección fue de 90º. La calibración del espectrómetro se realizó con el pico Ag3d5/2 (367,8eV) y con 0,44eV de amplitud a media altura del pico con la fuente de aluminio como fuente de excitación. Se utilizó un cañón de iones de argón para el decapado de la muestra dentro de la cámara y la medida del espesor de la capa de óxido de titanio, con una velocidad promedio de decapado de 6nm/min.

La rugosidad se midió, tanto en superficie como sobre una línea o perfil, en tres zonas de la rosca y en la zona fresada plana del extremo apical (un implante por lote) con un equipo Sensofar® PLµ de microscopía confocal con luz blanca (Sensofar, Terrassa, España). Este equipo consiste en un microscopio Nikon L150 con objetivo SLWD20x y un programa de reconstrucción y análisis. Este equipo consigue una reproducibilidad vertical inferior a 20nm y una resolución lateral de 0,91µm.

En cada zona se recogió, como parámetros de rugosidad en área, la rugosidad media (Sa), la media de la raíz cuadrática de la rugosidad (Sq), la altura máxima (Sp), el volumen vacío por unidad de superficie (Sv) y la máxima distancia pico-valle (St). En perfil, tras aplicar un filtro gaussiano y un cut-off de 800 µm a los perfiles medidos según el estándar DIN 4768, se recogió la rugosidad media (Ra), la media de la raíz cuadrática de la rugosidad (Rq), la altura máxima (Rp), la profundidad máxima (Rv), la máxima distancia pico-valle (Rt) y el espaciado medio de los picos (Sm). Se aplicó un análisis de variancia (ANOVA) y el comparativo posthoc de Tukey al parámetro Sa para estudiar las variaciones entre lotes.

RESULTADOS

El análisis de los tres lotes de implantes mostró la existencia de diferencias sustanciales en las propiedades superficiales tras la aplicación de los tratamientos.

La figura 1 presenta las imágenes de las diferentes superficies estudiadas. A bajos aumentos, todos los implantes presentaron una geometría homogénea y definida. Sin embargo, a 2.000 aumentos se hicieron evidentes importantes diferencias en la topografía. Los implantes del lote “mecanizado” mostraron una superficie con marcas del mecanizado de la superficie en forma de valles paralelos (figura 1a). Los implantes del lote “grabado”, con mayor rugosidad, presentaron un acabado superficial en forma de bloques, debido al ataque preferencial del ácido fluorhídrico (figura 1b), mientras que en el lote “Avantblast” se observó una rugosidad en forma de concavidades con bordes externos agudos y una porosidad acentuada distribuida de forma homogénea, debida a la acción del reactivo (figura 1c).

Las mediciones de la composición química en superficie mediante EDS no permitieron discriminar los tratamientos analizados, ya que en los tres lotes detectó únicamente la presencia de titanio y de oxígeno. Por el contrario, el análisis con XPS permitió detectar diferencias entre los tres tratamientos (tabla 1). Los resultados muestra una menor presencia de carbono y otras impurezas en el lote “Avantblast” respecto a otros tratamientos superficiales de implantes (20, 21).

La determinación del espesor de la capa de óxido de titanio mostró que los implantes del lote “Avantblast” tienen una capa que triplica el espesor obtenido con los otros tratamientos de superficie (tabla 1).

Los parámetros de rugosidad de los implantes se muestran en las tablas 2 y 3 (media y desviación tipo de las cuatro medidas tomadas por lote). Los lotes “grabado” y “Avantblast” mostraron unos valores de rugosidad estadísticamente mayores (p-valor: 0,000) respecto al lote “mecanizado”. En este lote, la reducida rugosidad existente se debe a las ondulaciones producidas por el paso de la herramienta de mecanizado (figura 2a).

 

En el implante del lote “grabado”, el ataque químico incrementa la rugosidad hasta valores superiores al micrómetro (figura 2b). Un componente importante de la rugosidad de la superficie con grabado ácido son picos y valles de valores destacados (caracterizados por los elevados valores de los parámetros Sp y Rp), que incrementan de forma notable el valor medio de rugosidad.

El implante del lote “Avantblast” (figura 2c) presentó valores de rugosidad estadísticamente superiores a la superficie mecanizada y al grabado ácido según el estadístico comparativo de Tukey (p-valor < 0,05). La rugosidad se debe al ataque químico, si bien es más homogénea que en el caso del grabado ácido, como mostró la comparativa de los parámetros de distancia pico-valle en superficie y en perfil (Sp y Rp).

DISCUSIÓN

Diversos estudios (5, 22) han mostrado que un bajo valor de rugosidad superficial, como el medido en el implante del lote “mecanizado”, promueve la formación de cápsula fibrosa alrededor del implante, produce una menor área de contacto hueso-implante y resulta en un torque de desinserción inferior al de superficies más rugosas. Por el contrario, rugosidades con Ra de un micrómetro o mayores, como los que presentan los implantes de los lotes “grabado” y “Avantblast”, mejoran la unión del hueso a la superficie del implante (5, 10).

La superficie Avantblast® cumple los requerimientos relativos a la necesidad de que el implante presente una rugosidad tal que permita un buen anclaje de las células óseas (5-11, 23), además de presentar una mayor homogeneidad que la superficie grabada. Además, la morfología se asemeja notablemente al ideal teórico para la retención del implante, deducido a partir de principios biomecánicos, consistente en una superficie con pocillos redondeados (24).

El análisis químico por XPS ha permitido detectar elementos presentes en la superficie no detectados con el EDS, ya que es una técnica más sensible. La presencia de contaminación orgánica (carbono) en todas las superficies es inevitable, ya que los hidrocarburos presentes en la atmósfera se adsorben de forma casi instantánea en la superficie de titanio expuesta al aire. Ahora bien, un valor muy elevado de carbono puede ser indicativo de restos de refrigerante u otros contaminantes del proceso de mecanizado. La presencia de elementos no relacionados con el tratamiento de superficie, como sodio, cloro o silicio, también es indicativa de impurezas no eliminadas por el proceso de limpieza.

El incremento de espesor de la capa de óxido de titanio en el tratamiento Avantblast® se consigue mediante la fase de tratamiento térmico por la mayor difusión de oxígeno en el titanio. El mayor espesor reduce la liberación de iones al medio, ya que el óxido de titanio hace de barrera a la difusión de iones (25), y un mayor espesor de la capa de óxido reduce la liberación de iones de forma exponencial (26, 27).

También se ha relacionado el mayor espesor y/o cristalinidad del óxido de titanio con una mayor adsorción de ciertas proteínas en la superficie (12, 15), lo que afecta a la respuesta celular. En concreto, los condrocitos son sensibles al grado de cristalinidad del TiO2 y su respuesta mejora con el espesor y/o cristalinidad (15). La respuesta in vivo al incremento de espesor de la capa de óxido de titanio también es positiva, ya que al duplicar el espesor de la capa de óxido mediante tratamiento térmico se dobló la fuerza de unión del implante al hueso (14).

Por ello, se espera que la unión de estas dos modificaciones de la superficie del implante tenga como consecuencia un incremento de la osteointegración y una mayor formación de hueso en contacto con la superficie de los implantes tratados con Avantblast® respecto a otras superficies.

CONCLUSIONES

La rugosidad superficial de los implantes dentales de titanio se puede incrementar mediante tratamientos superficiales de ataque químico. El tratamiento de superficie Avantblast®, además de producir una rugosidad superficial de rango micrométrico, triplica el espesor de la capa de óxido de titanio respecto a la capa natural de óxido, reduciendo la presencia de impurezas en la superficie.

BIBLIOGRAFÍA

1. Cooper LF, Masuda T, Whitson SW, Yliheikkila P, Felton DA. Formation of mineralizing osteoblast cultures on machined, titanium oxide grit-blasted, and plasma-sprayed titanium surfaces. Int J Oral Maxillofac Implants 1999;14:37-47.        [ Links ]

2. Wilke HJ, Claes L, Steinemann S. The influence of various titanium surfaces on the interface shear strength between implants and bone. En: Heimke G, Soltész U, Lee AJC, eds. Advances in Biomaterials, v9. Amsterdam: Ed. Elsevier; 1990. p. 309-14.        [ Links ]

3. Khang W, Feldman S, Hawley CE, Gunsolley J. A multi-center study comparing dual acid-etched and machined-surfaced implants in various bone qualities. J Periodontol 2001;72:1384-90.        [ Links ]

4. Hall J, Lausmaa J. Properties of a new porous oxide surface on titanium implants. Applied Osseointegration Research 2000;1:5-8.        [ Links ]

5. Buser D, Schenk RK, Steinemann S, Fiorellini JP, Fox CH, Stich H. Influence of surface characteristics on bone integration of titanium implants. A histomorphometric study in miniature pigs. J Biomed Mater Res 1991;25:889-902.        [ Links ]

6. Wennerberg A, Albrektsson T, Lausmaa J. Torque and histomorphometric evaluation of c.p. titanium screws blasted with 25- and 75-um-sized particles of Al2O3. J Biomed Mater Res 1996;30:251-60.        [ Links ]

7. Buser D, Nydegger T, Hirt HP, Cochran DL, Nolte LP. Removal torque value of titanium implants in the maxilla of miniature pigs. Int J Oral Maxillofac Implants 1998;13:611-9.        [ Links ]

8. Lazzara RJ. Bone response to dual acid-etched and machined titanium implant surfaces. En: Davies JE, ed. Bone Engineering. Toronto: Em Squared Incorporated; 2000. p. 381-90.        [ Links ]

9. Cochran DL, Simpson J, Weber HP, Buser D. Attachment and growth of periodontal cells on smooth and rough titanium. Int. J Oral Maxillofac Implants 1994;9:289-97.        [ Links ]

10. Martin JY, Schwartz Z, Hummert TW, Schraub DM, Simpson J, Lankford J et al. Effect of titanium surface roughness on proliferation, differentiation, and protein synthesis of human osteoblast-like cells (MG63). J Biomed Mater Res 1995; 29:389-401.        [ Links ]

11. Orsini G, Assenza B, Scarano A, Piattelli M, Piattelli A. Surface analysis of machined versus sandblasted and acid-etched titanium implants. Int J Oral Maxillofac Implants 2000;15:779-84.        [ Links ]

12. McAlarney ME, Oshiro MA, McAlarney CV. Effects of titanium dioxide passive film crystal structure, thickness, and crystallinity on C3 adsorption. Int J Oral Maxillofac Implants 1996; 11:73-80.        [ Links ]

13. Sunny MC, Sharma CP. Titanium-protein interaction: changes with oxide layer thickness. J Biomater Appl 1991;6:89-98.        [ Links ]

14. Hazan R, Brener R, Oron U. Bone growth to metal implants is regulated by their surface chemical properties. Biomaterials 1993;14:570-4.        [ Links ]

15. Boyan BD, Hummert TW, Kieswetter K, Schraub DM, Dean DD, Schwartz Z. Effect of titanium surface characteristics on chondrocytes and osteoblasts in vitro. Cell Mater 1995;5:323-35.        [ Links ]

16. Larsson C, Thomsen P, Lausmaa J, Rodahl M, Kasemo B, Ericson LE. Bone response to surface modified titanium implants: studies on electropolished implants with different oxide thicknesses and morphology. Biomaterials 1994;15:1062-74.        [ Links ]

17. Sul YT, Johansson CB, Jeong Y, Röser K, Wennerberg A, Albrektsson T. Oxidized implants and their influence on the bone response. J Mat Sci: Mater in Med 2002;12:1025-31.        [ Links ]

18. Radegran J, Lausmaa J, Mattsson L, Rolander U, Kasemo B. Preparation of ultra-thin oxide windows on titanium for TEM analysis. J Electron Microsc Tech 1991;19:99-106.        [ Links ]

19. Kilpadi DV, Lemons JE, Liu J, Raikar GN, Weimer JJ, Vohra Y. Cleaning and heat-treatment effects of unalloyed titanium implant surfaces. Int J Oral Maxillofac Implants 2000;15:219-30.        [ Links ]

20. Wieland M, Sittig C, Brunette DM, Textor M, Spencer ND. Measurement and evaluation of the chemical composition and topography of titanium implant surfaces. En: Davies JE, ed. Bone Engineering. Toronto: Em Squared Incorporated; 2000. p. 163-82.        [ Links ]

21. Massaro C, Rotolo P, de Riccardis F, Milella E, Napoli A, Wieland M et al. Comparative investigation of the surface properties of commercial titanium dental implants. Part I: chemical composition. J Mat Sci: Mater in Med 2002; 13:536-48.        [ Links ]

22. Wennerberg A, Albrektsson T, Andersson B, Krol JJ. A histomorphometric and removal torque study of screw-shaped titanium implants with three different surface topographies. Clin Oral Implan Res 1995;6:24-30.        [ Links ]

23. Wennerberg A, Ektessabi A, Albrektsson T, Johansson C, Andersson B. A 1-year follow-up of implants of differing surface roughness placed in rabbit bone. Int J Oral Maxillofac Implants 1997;12:486-94.        [ Links ]

24. Hansson S, Norton M. The relation between surface roughness and interfacial shear strength for bone-anchored implants. A mathematical model. J Biomech 1999;32:829-36.        [ Links ]

25. Li J. Behaviour of titanium and titania-based ceramics in vitro and in vivo. Biomaterials 1993;14:229-32.        [ Links ]

26. Chang E, Lee TM. Effect of surface chemistries and characteristics of Ti6Al4V on the Ca and P adsorption and ion dissolution in Hank’s ethylene diamine tetra-acetic acid solution. Biomaterials 2002;23:2917-25.        [ Links ]

27. Chen G, Wen X, Zhang N. Corrosion resistance and ion dissolution of titanium with different surface microroughness. Biomed Mater Eng 1998;8:61-74.        [ Links ]

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