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Avances en Odontoestomatología

versión On-line ISSN 2340-3152versión impresa ISSN 0213-1285

Av Odontoestomatol vol.34 no.3 Madrid may./jun. 2018

 

Originales

La evaluación topográfica de las superficies de los implantes de titanio

Topographic evaluation of the titanium implant surfaces

FJ Luque Millán*  , I Ortiz García**  , N Matos Garrido**  , A Jiménez Guerra**  , A España López**  , E Velasco Ortega*** 

*Licenciado en Odontología. Máster en Implantología Oral. Facultad de Odontología. Universidad de Sevilla

**Profesor Asistente de Odontología Integrada de Adultos. Profesor del Máster de Implantología Oral. Facultad de Odontología. Universidad de Sevilla

***Profesor Titular de Odontología Integrada de Adultos. Director del Máster de Implantología Oral. Facultad de Odontología. Universidad de Sevilla

RESUMEN

La superficie de los implantes es muy importante para la oseointegración. La superficie rugosa de titanio puede influir en los resultados experimentales y clínicos. Diferentes instrumentos y técnicas de mediciones pueden influir notablemente en los resultados de la caracterización topográfica de los implantes. Las superficies han sido documentadas mediante microscopio electrónico de barrido. La interferometría de luz blanca puede identificar las irregularidades en la superficie por cambios en la luz reflejada. La composición química de las superficies puede ser determinada por la técnica de espectroscopía fotoelectrónica de rayos X. La composición química refleja los procedimientos de la fabricación de los implantes. Una variedad de elementos y compuestos químicos no relacionados con la composición del titanio pueden encontrarse en algunos tipos de implantes; como material inorgánico (ej. cloruro de sodio) y compuestos orgánicos de carbono que pueden deberse a la contaminación durante la fabricación y el almacenaje.

Conclusiones.

Las modificaciones en la topografía y en la composición química de la superficie de los implantes constituye un importante campo en la implantologia oral experimental y clínica.

PALABRAS CLAVE Implantes dentales; superficie de implante; superficie rugosa; topografía; composición química; oseointegración

SUMMARY

Implant surface is very important for the osseointegration. Roughened surface titanium may influence in experimental and clinical results. Different measures instruments and techniques strongly influence the outcome of a topographic characterization of surface implant. Surfaces has been documented by scanning electron microscopy. White light interferometer may identify the surface irregularities that cause phase changes in the reflected light. The surfaces chemical composition was determined using a technique of X-ray photoelectron spectroscopy. Chemical composition reflect the type of fabrication procedures applied to implants. A variety of elements and chemical compounds not related to the titanium composition were found on some implant types. They ranged from inorganic material (i.e. sodium chloride) to specific organic as carbon compounds believed to be due to contamination during fabrication or storage. The experimental findings are believed to make a contribution to a better understanding of the interplay between industrial fabrication procedure and physico-chemical implant surface properties.

Conclusions.

The topographic and chemical composition modifications of surface implants constitute an important field in experimental and clinical implant dentistry.

KEY WORDS Dental implants; implant surface; rough surface; topography; chemical composition; osseointegration

LA SUPERFICIE DE LOS IMPLANTES DENTALES

El titanio y sus aleaciones son los mejores materiales metálicos para los implantes biomédicos por su biocompatiblidad, atoxicidad, resistencia mecánica elevada, resistencia a la corrosión y un bajo módulo de elasticidad. La superficie de titanio de los implantes dentales facilita la reacción ósea y la consiguiente oseointegración del implante, sufriendo muchas modificaciones para mejorar la velocidad de la cicatrización y permitir una rápida carga funcional 1 - 2 .

La interacción entre el implante de titanio y el hueso del huésped está influenciado por muchos factores incluyendo la superficie del implante. Existen una variedad importante de superficies de implantes debido a los diferentes métodos de tratamiento o preparación en la dirección de crear superficies con una topografía, química y rugosidad ideales para mejorar su respuesta biológica. Estas modificaciones influyen en la reacción celular y consecuentemente en la cicatrización ósea y en la oseointegración alrededor del implante 3 - 6 .

Las superficies rugosas en comparación con las mecanizadas estimulan la adhesión, colonización y proliferación de los osteoblastos 4 , 7 . La rugosidad de la superficie influye en la morfología del osteoblasto. En las superficies lisas o mecanizadas, los mismos osteoblastos están en contacto directo con la superficie. Son células bien extendidas, delgadas que cubren un área más extensa que en las superficies rugosas 7 - 8 .

En las superficies rugosas, las muestras de células recubren un área menor aunque las células están menos dispersas. Los osteoblastos desarrollan numerosos lamelipodios que indican una mayor adhesión a la superficie que en las superficies mecanizadas. Las superficies rugosas o tratadas pueden influir también en la orientación de las células 9 - 10 .

En este sentido, un estudio reciente demuestra que la orientación de las modificaciones microscópicas realizadas en las superficies de los implantes (estrías, valles, picos, etc) pueden influir en la orientación de las células que crecen sobre la superficie 2 . En las superficies anisotrópicas, se observaron como las células se orientaban de acuerdo a los valles de las estrías. En las superficies isotrópicas, las células no se orientaron de acuerdo a la microtextura de la superficie 2 .

Las modificaciones de la superficie de los implantes han sido estudiadas y aplicadas para mejorar las propiedades biológicas favoreciendo la oseointegración. La rugosidad de la superficie de los implantes se ha incrementado con el mecanizado, el recubrimiento con plasma de titanio o hidroxiapatita, el arenado, el grabado ácido, el arenado+grabado, el anodizado y los recubrimientos biomiméticos 11 - 14 .

El factor clave en la oseointegración del implante es la rugosidad de la superficie que se ha demostrado que incrementa la actividad osteoblástica en el rango de 1 a 100 µm comparada con la superficie mecanizada o lisa. Sin embargo, los resultados de las múltiples investigaciones en este campo no indican claramente que tratamientos consiguen mejores resultados predecibles 15 - 16 .

La superficie mecanizada fue la primera generación de diseño de superficie realizada por un proceso de torneado. El recubrimiento con plasma de spray de titanio o de hidroxiapatita formaban una película de deposición en la superficie del implante. El arenado es un proceso de aplicar a presión partículas sobre la superficie del implante como material cerámico o sílice 11 , 16 .

Partículas como hidroxiapatita, alúmina, o dióxido de titanio son utilizadas y el grabado ácido es aplicado para retirar las partículas arenadas. El grabado ácido consigue la rugosidad de la superficie del implante a través de ácidos fuertes como el fluorhídrico, nítrico y el sulfúrico o la combinación de estos ácidos 11 - 16 .

La superficie arenada y grabada (SLA) se produce mediante el grabado ácido después de la aplicación de partículas de arenado de 250-500 µm. La superficie anodizada es el resultado de la aplicación dieléctrica de una película de dióxido de titanio aplicando un alto voltaje para general microtextura. Este proceso consigue una superficie porosa de titanio 16 - 17 .

Los materiales inorgánicos más utilizados en las superficies de los implantes han sido la hidroxiapatita, el fosfato cálcico, los bisfosfonatos, etc), entre los factores de crecimiento, la proteína morfogenética ósea, el factor derivado de las plaquetas, el factor de crecimiento beta de transformación, el factor de crecimiento fibroblástico, y el factor de crecimiento endotelial. También se han utilizado péptidos, componentes de la matriz extracelular (colágeno, condroitinsulfato, vitronectina, ácido hialurónico, etc) 18 - 19 .

Las modificaciones de las superficies de los implantes fabricadas de aleaciones de titanio grado 4 comercialmente puro tienen un efecto sobre la oseointegración (ej. contacto hueso-implante) durante la fase temprana de la cicatrización ósea y en las fases de la integración en diversos estudios de experimentación animal. Existe evidencia de que el incremento de la rugosidad de la superficie resulta en valores mayores de torque de remoción lo que se vincula a un alto porcentaje de contacto hueso-implante 20 - 22 .

La influencia de la superficie del implante sobre las células osteoblásticas o la oseointegración ha dominado el mundo de la implantología en los últimos años. Sin embargo, es necesario incidir en el hecho de que probablemente es imposible determinar si estos efectos sobre la oseointegración son consecuencia de la topografía o composición química de la superficie. De hecho estas dos características de las superficies de los implantes son inseparables 23 .

LA TOPOGRAFIA DE LA SUPERFICIE DE LOS IMPLANTES DENTALES

La microtopografía se corresponde con la microrrugosidad a escala micrométrica (1-100 µm) y es modificada por técnicas de fabricación como son el mecanizado, el arenado, el grabado ácido, la anodización, diferentes procedimientos de recubrimientos de superficies. Frecuentemente, se utilizan diversos parámetros para describir la rugosidad de una superficie como el 2D Ra (promedio de perfil rugoso) y el 3D Sa (promedio de área rugosa) (Figuras 1 - 3 ) 24 .

Figura 1  Implante Straumann ® Interferometría de luz blanca. 298 x 227 μm2 (Obj 20x_FOV1x).
Imagen 2D Corrección Cylinder and Tilt  

Figura 2  Implante AstraTech ® Interferometría de luz blanca. 298 x 227 μm2 (Obj 20x_FOV1x).
Imagen 2D Corrección Cylinder and Tilt  

Figura 3  Implante Galimplant ® Interferometría de luz blanca. 298 x 227 μm2 (Obj 20x_FOV1x).
Imagen 2D Corrección Cylinder and Tilt  

La mayoría de los implantes dentales comerciales tienen un Ra de 1-2 µm. Este rango de rugosidad parece ser óptimo para conseguir la oseointegración. Los picos, valles, y protrusiones característicos de la microtopografía de la superficie de los implantes constituyen un paso importante en la respuesta biológica y en la configuración de la interfase hueso-implante 25 .

Las modificaciones de la microtopografía contribuye a incrementar el área de superficie, lo que se traduce en mayores niveles de contacto hueso-implante en las superficies microrrugosas. Estos cambios topográficos alteran el crecimiento, el metabolismo, y la migración de las citoquinas y la producción de factores de crecimiento de las células osteogénicas 26 .

La macrorrugosidad causada por el arenado es atravesada por microporos irregulares. Estos microporos miden entre 2-5 µm y contienen un segundo nivel de microporos más pequeños. Esta superficie presenta cambios con respecto a la humectabilidad- Cuando entra en contacto con las proteínas de la matriz extracelular de un estado hidrofóbico se transforma a un estado hidrofílico 27 .

Una técnica diferente de rugosidad ha sido aplicada en los implantes con superficie electroquímicamente modificada por una oxidación anódica para incrementar el espesor de la película de dióxido de titanio de 17-200 nm hasta 600-1200 nm. La superficie porosa microtexturada presenta poros de 1,3-2,0 mm 2 con un 20% de porosidad, y un grado moderado de rugosidad con un valor Sa de 1 µm 28.

Otra superficie de implante con topografía específica se obtiene como resultado de dos pasos de sustracción en su elaboración. El arenado con óxido de titanio produce una rugosidad a escala microscópica. El posterior grabado con ácido fluorhídrico crea una nanoestructura en la superficie. Un efecto de la fabricación es la acumulación de fluoruro en la superficie 29 .

La topografía de la superficie de los implantes puede influir no solamente en la repuesta ósea, sino también en los tejidos blandos. En este sentido, la superficie nanoestructurada puede incorporarse al cuello del implante y favorecer una adhesión celular epitelial. Esta superficie tratada con láser provoca un micromecanizado que genera un patrón de micro y nanocanales. Estos microcanales actúan como un sellado biológico con la unión de tejido conectivo y óseo 30 .

La nanotecnología ha recibido mucha atención en el mundo ciéntífico actual en una escala de 1 a 100 nm. Mientras que la microtopografía de la superficie de los implantes actúa a nivel celular de la oseointegración, la nanotopografía de los implantes dentales influye en las interacciones célula-implante y a nivel celular y de las proteínas 31 .

La nanotopografía provoca cambios a nivel biológico, físico y químico originando un incremento en la adhesión de las células osteogénicas y potencialmente promoviendo la oseointegración. Se ha postulado que la osteoconducción de las micro y nanosuperficies de los implantes pueden influir en la actividad osteoblástica 32 .

Existen superficies de implantes tratadas con un grabado ácido dual y que posteriormente se ha alterado con una técnica de manufactura para crear una microtextura a escala nanométrica. Las partículas de fosfato cálcico de 20 a 100 nm son depositadas sobre la superficie grabada con un procedimiento de solgel que se denomina deposición cristalina. Estas nanopartículas crean un área de rugosidad del 50% y ejerce una fuerza de adhesión mayor que la superficie sin técnica de deposición de nanoparticulas 33 .

Recientes investigaciones han presentado que la aplicación de agentes bioactivos pueden favorecer las propiedades osteogénicas de la superficie de los implantes. Los implantes bioactivos pueden desarrollar una unión bioquímica entre el tejido óseo y la superficie de titanio del implante más que una unión física. En este sentido, la superficie bioactiva puede ser definida como la que ofrece potencialmente numerosas interacciones moleculares que consiguen una unión química entre el hueso y el implante. Algunos estudios han demostrado que las proteínas o péptidos con capacidad bioactiva como las proteínas morfogenéticas óseas, la fibronectina, el colágeno tipo I, el factor de crecimiento fibroblástico pueden ser prometedores candidatos bioactivos moleculares con una alta potencial osteogénica 34 .

LA COMPOSICION QUIMICA DE LAS SUPERFICIES DE IMPLANTES

Las características topográficas y la composición química son de los aspectos más relevantes de la superficie de implantes para el éxito de la oseointegración. La topografía afecta a la interacción celular, que influye en la orientación, migración, crecimiento y diferenciación de las células que se adhieren a la superficie. Las investigaciones in vitro e in vivo han demostrado que la rugosidad de la superficie estimula la oseointegración de los implantes dentales 35 .

Desde un punto de vista topográfico, los distintos tratamientos realizados en la superficie de los implantes para incrementar su rugosidad confieren unas características específicas. Para valorar esta topografía se han utilizado diversos medios que intentan definir los diferentes parámetros que confieren la especificidad a cada superficie. Entre estos parámetros se encuentra la forma, la ondulación y la rugosidad 36 .

Además de la topografía, la composición química de la superficie de un implante puede diferir significativamente de la composición del “volumen” del implante debido a efectos específicos relacionados con las condiciones de fabricación, tales como el mecanizado, tratamiento térmico, chorreado (blasting), grabado (etching), recubrimientos y procesos de esterilización. Los tratamientos superficiales a los que son sometidos los implantes dejan generalmente trazas de los materiales o sustancias utilizadas, tales como metales, o iones metálicos, lubricantes, detergentes o cualquier otro compuesto químico específico 37 .

Estos elementos pueden alterar las propiedades de la superficie aun cuando estén presentes en pequeñas cantidades. La presencia de estos elementos o trazas de compuestos ajenos al implante pueden también afectar a la respuesta del cuerpo después de la implantación y a la formación de nuevos tejidos en la interface entre el implante y el cuerpo. Aunque los efectos que causan los contaminantes a baja concentración son relativamente poco conocidos y estudiados, existe un amplio acuerdo en que el control exhaustivo de la superficie de los implantes y las medidas tomadas para eliminar los compuestos químicos indeseables, son importantes factores en la evaluación de la calidad del implante 37 .

La composición química de la superficie de los implantes se puede obtener a partir del procesamiento de un espectro general de su extensión mediante un espectroscopio electrónico para análisis químico (ESCA) o espectroscopio fotoelectrónico de rayos X (XPS)(Figuras 4 - 6 ) 37 - 38 .

Figura 4  Implante Straumann ® . Composición química mediante un espectroscopio electrónico para análisis químico.  

Figura 5  Implante Astratech ® . Composición química mediante un espectroscopio electrónico para análisis químico.  

Figura 6  Implante Galimplant ® . Composición química mediante un espectroscopio electrónico para análisis químico.  

El análisis químico por XPS permite detectar elementos presentes en la superficie que no pueden ser detectados con otras técnicas, ya que el XPS es una técnica más sensible a cambios composicionales en la superficie. 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. La presencia de elementos no relacionados con el tratamiento de superficie, como sodio, cloro, calcio, azufre, o silicio, también es indicativa de impurezas no eliminadas por el proceso de limpieza 38 .

La composición química de la superficie de los implantes influye en la reacción ósea y puede inducir la formación de uniones bioquímicas que faciliten una rápida e intensa integración de los implantes especialmente durante las fases tempranas de la cicatrización ósea. En este sentido, el fosfato cálcico se ha documentado como biocompatible con propiedades osteoconductivas 2 .

Un estudio reciente demuestra un incremento de la relación hueso-implante (BIC) entre las 4 y las 10 semanas para todas las superficies estudiadas (mecanizadas, grabadas, arenadas y anodizadas) que claramente muestran una afinidad parcial o total en la inducción de la formación de tejido óseo nuevo. En este sentido, una mayor rugosidad induce una mayor área de BIC, demostrando una capacidad osteoconductiva de atraer los osteoblastos para la neoformación ósea. Los resultados claramente muestran mayores valores significativos de BIC para las superficies arenadas después de las 4 semanas y 10 semanas de la implantación 39 .

La composición química de la superficie puede alterar la viabilidad celular. Pueden existir alteraciones nucleares y de membranas de las células por la interacción con la superficie, valoradas por la presencia de ADN y LDH, pero esta presencia suele ser muy baja, lo que confirma la seguridad de los materiales de titanio para uso clínico. La identificación de los componentes celulares citoplasmáticos en el cultivo por la LDH demuestra cierto grado de toxicidad en algunas superficies de implantes 40 - 41 .

Comercialmente, los implantes disponibles han sido clasificados en cuatro categorías según la rugosidad de la superficie (Sa): lisas o mecanizadas (Sa < 0.5 µm), minimamente rugosas (Sa = 0.5-1.0 µm), moderadamente rugosas (Sa = 1.0-2.0 µm) y rugosas (Sa > 2.0 µm). La rugosidad de la superficie se incrementa con el tamaño de las partículas utilizadas. Los valores más frecuentes de Sa son entre 0,5-2,0 µm 42 .

También se ha demostrado cambios en la composición química de la superficie de los implantes relacionados con el estrés mecánico. Existen cambios en las concentraciones de titanio y de carbono. Se puede anticipar que el proceso quirúrgico de la inserción origina diferentes momentos de estrés en la superficie del implante. De hecho, un mayor estrés provoca mayores daños en la superficie liberando partículas de titanio en el hueso que pueden provocar inflamación y liberar citoquinas preinflamatorias (IL-6; IL-8; TNF-alfa) que pueden comprometer la oseintegración 43 .

El proceso de la inserción de los implantes también puede tener un impacto en su superficie. Un estudio revela las alteraciones derivadas en 4 sistemas de implantes con diferentes tipos de superficies (grabadas, anodizadas, arenadas+grabadas). Las superficies anodizadas presentaron las mayores alteraciones comparadas con las demás superficies. En este sentido, son necesarios estudios para valorar la composición química de la superficie de los implantes con el objetivo de evaluar las posibles consecuencias biológicas en los diferentes tipos de calidad ósea 42 .

En la investigación científica, el análisis de la superficie de los implantes dentales se realiza frecuentemente con el microscopio electrónico de barrido. Sin embargo, es necesario incorporar las medidas tridimensionales para investigar la morfología de la superficie de los implantes. De acuerdo con esto, los modelos ópticos de caracterización de superficies (perfilometría, interferometría) han sido utilizados, incluyendo el microscopio confocal 3D. Esta tecnología 3D permite un análisis para calcular la altura y los parámetros espaciales como Sa, Sz a una resolución nanométrica 42 .

La composición química de la superficie de los implantes puede ser evaluada mediante el espectroscopio fotoelectrónico de rayos X (XPS) 102 . En este sentido, un estudio realizado sobre discos de 5 mm de diámetro de titanio con diferentes tratamientos de superficies fué diseñado para valorar su composición química por XPS. Superficies pulidas, grabadas, arenadas+grabadas fueron analizadas 44 . Las superficies fueron limpiadas con plasma de oxígeno. El plasma de óxigeno es un método valioso para limpiar las superficies contaminadas con hidrocarbono. Las superficies resultantes son hidrofílicas y su espesor de óxido superficial es mínimamente incrementado comparados con superficies sin tratar 44 .

Determinadas modificaciones de las superficies de los implantes como el incremento de la rugosidad, presentan efectos en su composición química que son añadidos a los efectos topográficos y físicos y que influyen de forma importante en la oseointegración. Sin embargo, todavía no existe una completa comprensión de la influencia de la composición química de la superficie de los implantes, ya que la mayoría de los estudios experimentales in vitro e in vivo se refieren sobre todo a las modificaciones físicas y de la rugosidad 44 .

CONCLUSIONES

La superficie de los implantes juega un importante papel en la oseointegración. La topografía y rugosidad de la superficie influye en la respuesta celular del huésped y puede mejorar la unión implante-hueso favoreciendo el tratamiento. Así mismo, los efectos de los diversos tratamientos sobre la superficie de los implantes también modifican su composición química y afecta a su biocompatibilidad y a su respuesta biológica

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Received: May 3, 2018; Accepted: May 16, 2018

CORRESPONDENCIA Prof. Eugenio Velasco Ortega. Facultad de Odontología. C/ Avicena s/n 41009. Sevilla. E-mail: evelasco@us.es. Tfno: 954 481132

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