Implanty - rozwój powierzchni wszczepów tytanowych

Tytan i jego stopy są najczęściej stosowanymi materiałami przy wykonawstwie wszczepów śródkostnych. Wykorzystanie tego materiału w implantologii możliwe jest dzięki jego wysokiej biozgodności, dużej odporności na korozję i wytrzymałości mechanicznej a także niskiemu przewodnictwu ciepła oraz wadze porównywalnej do stali.

Pozytywną cechą tytanu jest również możliwość formowania go w każdy żądany kształt. Powierzchnia implantów tytanowych pokryta jest warstwą tlenków o grubości 2-5 μm która tworzy się samoistnie w wyniku kontaktu tytanu z tlenem. Warstwa ta jest praktycznie nierozpuszczalna i jest  w dużej mierze odpowiedzialna za wysoką odporność na korozję oraz biokompatybilność tytanu.

Nie tylko właściwości samego tytanu wpływają na sposób interakcji implant-kość. Bardzo istotną rolę odgrywa również jakość powierzchni wszczepu: jej właściwości chemiczne, fizyczne, mechaniczne i topografia. Dowiedziono, iż aktywność funkcjonalna komórek w bezpośrednim sąsiedztwie wszczepu jest wrażliwa na właściwości powierzchni implantu. Odmienność topografii może również skutkować zmianami energii powierzchownej, grubości warstwy tlenków i składu chemicznego powierzchni.

Rozwinięcie powierzchni wszczepów tytanowych zwiększa potencjał biomechanicznego kontaktu na granicy implant-kość oraz wpływa na szybkość adsorpcji  białek. Chropowatość powierzchni implantu moduluje także adhezję osteoblastów, zwiększenie ich aktywności enzymatycznej oraz decyduje o ilości i rodzaju syntezowanych przez nie białek. Mikroskopowe cechy powierzchni implantów mają również wpływ na rodzaj komórek obecnych na powierzchni wgajającego się implantu.

Fibroblasty maja tendencję do kolonizowania powierzchni gładszych, podczas gdy osteoblasty częściej występują na powierzchniach chropowatych. In vitro chropowatość powierzchni wpływa na osteoblasty modulując ich proliferację i różnicowanie. Kultury komórkowe hodowane na powierzchniach bardziej chropowatych wykazywały zwiększoną produkcję matriks i stężenia fosfatazy alkalicznej oraz obecność wyżej zróżnicowanych osteoblastów. Osteoblasty wykazywały odmienne zróżnicowanie na powierzchniach charakteryzujących się różną chropowatością jak również na powierzchniach o podobnej chropowatości ale o odmiennej topografii.  Dobrze tolerowana przez komórki jest powierzchnia o współczynniku chropowatości (Ra) około 4µm. Większość implantów ma powierzchnie średnio chropowatą o współczynniku Ra 1-2 µm. Przeprowadzone badania dowiodły jednak, iż zbyt duży stopień chropowatości wszczepu niekorzystnie wpływa na oddziaływanie pomiędzy tytanem a kością przez zwiększone uwalnianie jonów, utrudniona adsorpcję komórek i zwiększenie naprężeń.

Porównując wzrost kości przy implantach o różnej powierzchni określono, iż w przypadku powierzchni gładkich tkanka kostna wzrasta od strony łoża kostnego w kierunku do wszczepu, podczas gdy na powierzchniach chropowatych tkanka kostna wzrasta od powierzchni implantu do łoża kostnego.

Ciągłe badania i wprowadzane modyfikacje powierzchni implantów skutkują szybszą osseointegracją oraz umożliwiają natychmiastowe lub wczesne ich obciążanie. Ocenę osseointegracji można przeprowadzić w badaniach in vitro, które stanowią hodowle komórkowe,  pomiar adsorpcji białek czy tworzenia kryształów HA. Z kolei w badaniach in vivo w ocenie jakości osseointegracji zastosowanie mają modele zwierzęce, pomiar momentu obrotowego przy próbie wykręcania implantu, badania częstotliwości rezonansu drgań (przy użyciu aparatu Ostell) oraz badania histologiczne kontaktu kość – implant tzw.  Bone Implant Contact (BIC).

W badaniach porównawczych i określeniu jakości powierzchni znalazły zastosowanie następujące parametry:

Ra - średnie arytmetyczne odchylenie profilu chropowatości od linii średniej, obliczonego według poniższego wzoru wyrażone w mikrometrach.


                                                                                       
Sa – średnie arytmetyczne odchylenie wysokości nierówności powierzchni od płaszczyzny odniesienia wyrażone w mikrometrach.
Sz - wysokość nierówności powierzchni dla 10 punktów (pięć najwyższych wzniesień i pięć najniższych zagłębień) wyrażona w mikrometrach.
St - odległość wertykalna między szczytem najwyższego wierzchołka a najniższym zagłębieniem powierzchni wyrażona w  mikrometrach.
Sq - średnie kwadratowe odchylenie wysokości nierówności powierzchni od płaszczyzny odniesienia wyrażone w mikrometrach.
Sdr - wskaźnik względnego przyrostu (rozwinięcia) powierzchni wyrażony w procentach.
Scx – średni arytmetyczny rozstaw  nierówności wyrażony w mikrometrach.
BIC – procent bezpośredniego kontaktu nowo tworzonej tkanki kostnej z powierzchnią implantu na badanej długości wyrażony w procentach.
RODZAJE POWIERZCHNI WSZCZEPÓW TYTANOWYCH 1. Powierzchnia gładka (maszynowa)

Najmniej chropowatą powierzchnią wszczepów tytanowych dostępną na rynku jest powierzchnia maszynowa. Wszczepy o takiej powierzchni weszły do użytku w latach 70 zeszłego stulecia. Powierzchnia gładka  powstaje w drodze skrawania  tytanu w czasie produkcji wszczepu. Jest to powierzchnia izometryczna, anizotropowa, charakteryzuje się ona obecnością  zorientowanych, równoległych  bruzd ≤10 μm.  Chemiczny skład powierzchni to TiO2 i C a średnia grubość warstwy dwutlenku tytanu wynosi około 17 nm. Chropowatość tego typu wszczepów wynosi  Ra 0,1 - 0,8μm;  Sa 0,53 - 0,83 μm; Scx - 8,60 μm; Sq - 0,74 μm, powiększenie powierzchni to Sdr 10,56 - 15,38%. Dla tego rodzaju powierzchni określono najmniejszą osseointegrację w porównaniu z implantami o rozwiniętej powierzchni.

Przykłady:
Brånemark Standard  Imlants (Nobel Biocare), Restore Machined Implants (Lifecore Dental).

2. Powierzchnia Tytan Plasma Spray (TPS)

Pierwszą z wprowadzonych modyfikacji powierzchni wszczepów tytanowych było pokrycie jej plazmą tytanową, tzw metoda Tytan Plasma Spray.  W roku 1976, czyli 7 lat po zaobserwowaniu przez profesora Brånemarka zjawiska osseointegracji, Schroeder i współpracownicy stwierdzili znaczną redukcję warstwy łącznotkankowej pomiędzy tkanką kostną a rozwiniętą powierzchnią implantu IMZ, co pozwoliło na ankylozę wszczepu.

Zaobserwowaną cechą powierzchni mającą istotny wpływ na interakcję implant - kość była jego chropowatość. Powierzchnia TPS o grubości powłoki około 30 - 40 µm powstaje w wyniku dospawania a atmosferze argonu cząsteczek tytanu rozgrzanych w łuku elektrycznym do temperatury 15000C. Procedura ta pozwoliła na 6-krotne  powiększenie powierzchni wszczepu przez jej schropowacenie, co spowodowało znacznie intensywniejsze odkładanie kości na jego powierzchni, w porównaniu z implantami o gładkiej powierzchni. Powierzchnia TPS jest  relatywnie chropowata, Ra  9 - 10 µm czyli jest ona około 10 krotnie  bardziej chropowata niż powierzchnia maszynowa. Jest to powierzchnia izotropowa, z porowatością około 5 vol%, a pory w napylonej warstwie są mniej lub bardziej rozdzielne i nie tworzą sieci oraz kanałów. Powierzchnia ta posiada podcięcia i intruzje. Dzięki tak rozwiniętej powierzchni dochodzi do poprawy reakcji tkankowej, łatwiejszego odkładania tkanki kostnej oraz intensywniejszego łączenia z nią implantu, w porównaniu z powierzchnią gładką. W efekcie uzyskuje się większą wytrzymałość połączenia implant-kość na rozciąganie i ścinanie, a więc poprawiona zostaje stabilizacja wtórna. Duża chropowatość przyczynia się jednak do intensywniejszej resorpcji tkanki kostnej wokół implantu w dłuższym okresie czasu.

Przykłady:
IMZ TPS (Densply Friadent), Bonefit (Straumann Institute), Restore TPS (Lifecore Dental), Steri-Oss TPS (Nobel Biocare).

3. Powierzchnia z hydroksyapatytem (HA)

Warstwa hydroksyapatytu na wszczepach tytanowych ma około 50 µm grubości i jest powierzchnią izotropową o chropowatości wielkości 8,2 - 10,2 µm. Implanty o powierzchni HA charakteryzują się większym współczynnikiem BIC, niż wszczepy o powierzchni maszynowej, piaskowanej a także TPS. Powłokę HA uzyskuje się na kilka sposobów m.in. na drodze depozycji elektroforetycznej, dip coating, izostatycznego prasowania termicznego, flame spraying,  plasma spraying i laserowej depozycji pulsacyjnej. Metodą najczęściej stosowaną jest metoda plasma spraying. Implanty o powierzchni pokrytej HA umożliwiają szybki wzrost kości w bezpośrednim sąsiedztwie powłoki hydroksyapatytowej dzięki jej szorstkości, czyli zwiększonemu kontaktowi z tkanką kostna, zwiększonej sile połączenia implant- kość oraz właściwościom biochemicznym powłoki.

Implanty o powierzchni pokrytej HA mają jednak i wady. W wyniku obróbki termicznej dochodzi do dekompozycji, powstania chemicznej niejednorodności powłoki i zmiany fazy HA. Zmiany te prowadzą do degradacji powłoki w ustroju oraz zmniejszają jej biokompatybilność. Obróbka termiczna powoduje również mechaniczną degradację samego tytanu. Problemem jest również niska siła wiązania między HA a tytanem. Często dochodzi do odłączania fragmentów powłoki które inicjują proces zapalny i w efekcie powodują szybki i znaczny zanik kości. Degradacja tkanki kostnej nasila się również wraz z kontaminacją odsłanianej, chropowatej powłoki HA.

Aktualnie prowadzone są badania nad implantami o powierzchni Nano HA uzyskiwanej na drodze elektrodepozycji. Na ich powierzchni odkładają się pojedyncze kryształki HA co pozwala zachować potencjał osseokondukcyjny dzięki obecności hydroksyapatytu, natomiast ryzyko szybkiej utraty tkanki kostnej wokół wszczepu z powodu oddzielenia fragmentów jej powłoki i nadmiernej chropowatości zostaje wyeliminowane.

Przykłady:
IMZ HA (Densply Friadent), Restore HA (Lifecore Dental), Steri-Oss HA (Nobel Biocare).

4. Powierzchnia piaskowana

Znaczna grupa wszczepów to  implanty piaskowane. Powierzchnia piaskowana uzyskiwana jest na drodze bombardowania powierzchni tytanu cząsteczkami tlenku glinu, tlenku tytanu bądź hydroksyapatytu.  Jest to powierzchnia nieregularna, chropowata, z licznymi kraterami powstałymi w wyniku piaskowania, oraz izotropowa bez dominującego kierunku struktury. Jej chropowatość waha się w granicach Ra 1-3 μm; Sa  1,12 μm, Scx 11,33 μm, Sdr 1,34 μm.  Grubość warstwy tlenków tytanu to około 2-5 nm. Powiększenie powierzchni sięga 34% w porównaniu z powierzchnią maszynową.

Najczęściej stosowanym do piaskowania materiałem jest Al2O3. Wielkość ziaren waha się od 25 do 250 μm. Zwiększenie ich wielkości skutkuje zwiększeniem chropowatości powierzchni. Chropowatość sprzyja osiedlaniu się na powierzchni tytanu osteoblastów poprawiając proces osseointegracji dlatego też powierzchnie piaskowane charakteryzują się szybszą i intensywniejszą osseointegracją w porównaniu z powierzchniami maszynowymi.

Dowiedziono jednak, iż najlepsze efekty osseointegracji uzyskuje się przy wielkości ziaren 25-75 μm. Uzyskana w ten sposób powierzchnia jest wystarczająco chropowata aby zapewnić pożądany interlocking z tkanka kostną (Ra 0,82 μm), ale nie nazbyt chropowata żeby uwalniać jony. Uzyskane w tej metodzie nierówności są bardziej regularnie rozmieszczone i poprawiają proces wgajania. Piaskowanie tlenkiem glinu powoduje pozostawanie niewielkich ilości tego związku na powierzchni tytanu. Takie zanieczyszczenie może wg niektórych autorów utrudniać gojenie tkanki kostnej.

W technologii piaskowania implantów TiO2 stosuje się ziarna wielkości  10-125 μm.  Do piaskowania powierzchni tytanu stosuje się również  HA lub inne postacie fosforanu wapnia, np. β-tricalcium phosphate (β-TCP). Tak przygotowana powierzchnia jest następnie płukania w NH co powoduje usunięcie większej części HA z powierzchni tytanu. Niewielka jego ilość pozostaje jednak na powierzchni poprawiając wgajanie implantu.

Przykłady:
Piaskowane Al2O3 : Standard, Hex (Osteoplant).
Piaskowanie TiO2 : TiOblast (Astra Tech).
Piaskowanie HA : Renova, Prima (Lifecore Dental).

5. Powierzchnia podwójnie trawiona kwasami – Double Eatched (DE)

Wynikiem dążenia do przyspieszonej osseointegracji i poprawy długoczasowych efektów implantacji było wprowadzenie powierzchni poddawane trawieniu kwasami - Double Eatching. W technologii podwójnego wytrawiania stosuje się mieszaniny kwasów: HCL+ H2SO4  a także HF+HNO3. Charakterystyczna dla powierzchni typu DE jest tzw. mikrostruktura. Powierzchnia ta ma charakter izotropowy z licznymi nieregularnościami. Obecne są na niej niewielkie wgłębienia o średnicy około 0,5 - 3 µm powstałe w wyniku trawienia. Chropowatość tej powierzchni nie jest duża: Ra 0,62 - 0,83; Sa 0,46µm i jest ona tylko 2-3 krotnie razy większa niż chropowatość powierzchni maszynowej,  jednak jej BIC jest większy niż BIC znacznie bardziej chropowatych powierzchni typu HA i TPS. BIC powierzchni typu DE jest też większy niż BIC powierzchni maszynowych i piaskowanych. Fakt ten sugeruje, że zwiększenie chropowatości nie musi powodować zintensyfikowania syntezy tkanki kostnej  a przyspieszenie osseointegracji wiązane jest przez wielu autorów z charakterystyczną mikrotopografią powierzchni trawionej. Właśnie owa mikrostruktura powoduje zwiększenie przylegania osteoblastów, adsorpcję białek, stymulacje angiogenezy i  ułatwia wiązanie skrzepu fibrynowego co sprawia, że powierzchnia ta ma właściwości osseoknodukcyjne.

Przykłady:
Osseotite (Biomet 3I), Steri-Oss Etched (Nobel Biocare).

6. Powierzchnia piaskowana i trawiona (SLA)

Powierzchnia typu SLA czyli: Sandblasted Large - grit  Acid - eatched została po raz pierwszy klinicznie zastosowana w roku 1997. Jest to powierzchnia wstępnie piaskowana a następnie wytrawiana podobnie jak powierzchnie typu DE. Piaskowanie może być przeprowadzone za pomocą Al2O3 (25 – 50 µm),  TiO2 lub fosforanu wapnia. Dzięki procesowi wytrawiania dochodzi do usunięcia pozostałości krzemu z powierzchni tytanu, który to według niektórych autorów upośledza osseointegrację. Powierzchnia ta charakteryzuje się również specyficzną mikrotopografią podobnie jak powierzchnie typu DE. Jest to powierzchnia izotropowa. W mikroskopie elektronowym można zaobserwować szerokie kratery o średnicy 20 - 40 µm powstałe w wyniku piaskowania, a wewnątrz nich obecne są niewielkie dołki o średnicy 0,5 - 3 µm powstałe w wyniku trawienia. Chropowatość tego typu wszczepów jest większa niż powierzchni typu DA i maszynowych i wynosi około Ra  1 - 3 µm; Sa 0,6 - 0,94 µm; Scx 11,68 µm; Sq 0,7; St 3,5,  rozwinięcie powierzchni - Sdr 19,89%. Skład chemiczny powierzchni to O 46,9 - 48,5, Ti 14,1 - 17,1, N 0,7 - 1,1, C 34,9 - 36,4 at.%. Warstwa tlenków składa się głównie z TiO2 i subtlenków (TiO i Ti2O3) i jest grubsza niż na powierzchniach DE i maszynowych. Powierzchnia typu SLA jest bardziej zróżnicowana od wcześniejszych i istotnie rozwinięta szczególnie w wymiarze 3D. Właśnie dzięki rozwinięciu powierzchni w wymiarze 3D dochodzi do zwiększonej adsorpcji białek, która jest większa niż w przypadku powierzchni DA i maszynowej. Współczynnik BIC jest większy niż maszynowych.

Przykłady:
Piaskowane Al2O3 i trawione HCl + H2SO4  - SLA: Standard Implants, Standard Plus Implants, Tappered Effect Implants (Straumann Institute), SPI, DFI, ATIE (Alpha Bio).
Piaskowane TiO2 i trawione HF+ NO3 :OsseoSpeed (Astra Tech).
Piaskowana Al2O3 i trawione termicznie - powierzchnia Friadent Plus: Ankylos, XiVe, Frialit (Densply Friadent).

7. Powierzchnia hydrofilna (SLActive)

Powierzchnię typu SLActive odróżnia od omówionej poprzednio (SLA) jej hydrofilność.  Jej początkowy kąt kontaktu z wodą wynosi 00 w porównaniu do 139,90 dla SLA. Przygotowanie tego typu powierzchni polega na jej wypiaskowaniu ziarnami Al2O3 o wielkości 25 – 50 µm a następnie wytrawieniu w mieszaninie HCl + H2SO4. Płukanie wszczepów po wytrawianiu przebiega w atmosferze azotu a następnie są one przechowywane w roztworze NaCl. Atmosfera gazu szlachetnego a następnie soli fizjologicznej zabezpiecza powierzchnie tytanu przed kontaminacją związkami węglowodorowymi i węglanami pochodzącymi z powietrza atmosferycznego. Takie modyfikacje chemiczne mają na celu utrzymanie hydrofilnego charakteru i naturalnej, wysokiej energii powierzchniowej dwutlenku tytanu aż do momentu implantacji. Powierzchnia SLActive w obrazie SEM prezentuje się identycznie jak powierzchnie typu SLA. Chropowatość obu powierzchnie jest również jednakowa. Różnice dotyczą jedynie składu chemicznego  powierzchni: O – 60, Ti – 23, N – 0,7, C – 14,9 %. Ilość związków węgla na powierzchni SLActive jest ponad dwukrotnie mniejsza niż na powierzchni SLA. Powierzchnia ta jest hydrofilna i wpływa na poprawę apozycji kości podczas wczesnych etapów regeneracji tkanki kostnej dzięki ułatwionej adsorpcji białek. Określono, iż poprawa osseointegracji spowodowana jest tu przez zwiększenie hydrofilności powierzchni a nie przez jej mikrotopografię.

Przykłady:
Bone Level Implants, Standard Implants, Standard Plus Implants, Tappered Effect Implants (Straumann Institute)

8. Powierzchnia oksydowana (anodyzowana)

Powierzchnia określana jako oksydowana lub anodyzowana to powierzchnia uzyskana w wyniku elektrochemicznej oksydacji anodowej w trybie galwanostatycznym. Została ona wprowadzona w 2001 roku i jest określana jako TiUnite.  Proces rozwinięcia powierzchni przebiega w roztworach elektrolitów, zazwyczaj H2SO4 + H3PO4, można też użyć kwasu HF. Uzyskana w ten sposób powierzchnia jest izotropowa, chropowata -  Są to ponad 2 μm,  a warstwa tlenków ma grubość od 1-2 μm aż do 7-10 μm. Powierzchnia ma charakterystyczny kwiecisty wzór który tworzą pory o wielkości 1-5 μm.
 
Powierzchnię oksydowaną można również uzyskać na drodze Micro Arc Oxidation (MAO) w układzie następujących elektrod: tytanowa anoda i 2 katody platynowe. Grubość warstwy powstających na powierzchni tlenków to 1,3 μm, powierzchnia  ta posiada pory o średnicy ≥ 1.3 μm,  chropowatość:  Sa 0.85 - 0,94 μm; Sz 10,96; Sdr 1,16; Scx 9.83 - 12,53 μm czyli podobna do maszynowych.

Proces oksydowania powierzchni można przeprowadzać również w podwyższonej temperaturze. Wraz ze wzrostem temperatury dochodzi do pogrubienia warstwy tlenków, co daje większość odporność implantu na korozję oraz indukuje szybszą osseointegrację we wczesnych okresach wgajania. Negatywną cechą takiej modyfikacji jest jednak wzrost kruchości tytanu. W badaniach klinicznych dowiedziono, iż osseointegracja tego typu implantów jest lepsza niż maszynowych i TPS.

Przykłady:
Powierzchnia TiUnite -  Replace, Perfect, Direct (Nobel Biocare).

Rozwinięciem technologii oksydacji są powierzchnie dodatkowo wzbogacane Mg, Ca, S, P. Dzięki tym modyfikacjom uzyskuje się nie tylko mechaniczny inter-locking między implantem a kością, ale również połączenie biochemiczne.
Powierzchnia  Biomimetic Advanced Surface (modyfikowane Ca i P) -  Anivent Implants (Anivent Implant System).

9. Powierzchnie „doświadczalne”

Ciągłe badania doświadczalne doprowadziły do opracowania implantów o powierzchni zawierającej substancje aktywne biologicznie, wpływające na adhezje komórek, w postaci :

• powierzchni pokrytej sekwencjami peptydowymi
• powierzchni pokrytej warstwą kopolimeru modyfikowanej peptydem
• powierzchni pokrytej czynnikiem wzrostu fibroblastów – fibronektyną
• powierzchni pokrytej hydrofobinami, które nadają jej  właściwości hydrofilne
• powierzchni pokrytej polisacharydem - chitosanem
• powierzchni wzbogaconej fluorkami

PODSUMOWANIEAktualnie dąży się do wprowadzenia takiej modyfikacji powierzchni wszczepów tytanowych, która zapewniałaby szybką osseointegrację, umożliwiając tym samym natychmiastowe obciążanie czynnościowe wszczepu. Początkowo dążono do tego celu zwiększając chropowatość powierzchni implantów. Zbyt duże jej rozwinięcie powoduje jednak efekty wręcz odwrotne. Poszukiwana jest więc powierzchnia o przeciętnej chropowatości i o takich wartościach napięcia powierzchniowego, mikrotopografii, ładunku jonowym, strukturze krystalograficznej, energii powierzchniowej i składzie chemicznym, które powodowałyby stymulację tkanki kostnej do wzrostu.  Należy jednak również pamiętać, że rodzaj powierzchni implantu tytanowego jest ważnym, ale nie jedynym spośród czynników, które mają znaczący wpływ na powodzenie przeprowadzonej implantacji, oraz na procesy zachodzące podczas osteointegracji implantu.