J. Valero. Doctor en Medicina y Cirugía. Práctica privada en Odontología / A. Padrós. Instituto Padrós. Barcelona.
CREB. Dept. Ciencia de los Materiales e Ingeniería Metalúrgica. Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial de Barcelona. Universidad Politécnica de Cataluña
Resumen
Este trabajo muestra que el tratamiento de arenado de las superficies de los implantes dentales de titanio permite lograr la rugosidad adecuada para que los osteoblastos proliferen y formen hueso.
Se han realizado estudios con diferentes naturalezas de partículas y a diferentes condiciones de proyección en implantes dentales SK y S4 de Klockner. Se ha comprobado la influencia de la naturaleza del abrasivo así como su tamaño de partícula en el comportamiento celular gracias a los cultivos osteoblásticos realizados. Además, el tratamiento de proyección produce un estado compresivo en la superficie del metal que hace que las grietas por fatiga (generadas en la superficie) se retrasen en su nucleación, produciendo una mayor vida a fatiga y dando una mejor respuesta mecánica del implante dental a largo plazo que otros métodos utilizados para aumentar la rugosidad.
Introducción
Una de las variables que se sabe que influyen de forma determinante en el buen comportamiento del implante dental de titanio comercialmente puro (Ti C.P.), tanto a corto como a largo plazo, es su rugosidad superficial. En este sentido, se han realizado estudios in vivo que demuestran que una cierta rugosidad superficial mejora la fijación del implante al hueso 1-3. Por otra parte, estudios in vitro han puesto de manifiesto que la diferenciación y proliferación osteoblástica, así como la producción de matriz ósea, también resultan influenciadas positivamente por el aumento de la rugosidad de la superficie 4-6.
Un procedimiento ya estudiado y utilizado para incrementar la rugosidad en la superficie de los implantes dentales es el shot blasting. Este procedimiento que consiste en proyectar partículas de elevada dureza a gran velocidad y presión sobre la superficie del implante es adecuado porque además de dar rugosidad superficial, limpia la superficie de contaminantes; debido al aumento de la tensión compresiva en las primeras capas del sustrato, aumenta la vida a fatiga del implante; y ennoblece la superficie y, por lo tanto, aumenta su resistencia a la corrosión 7.
Una de las variables más importantes del shot blasting es la naturaleza de las partículas utilizadas para ser proyectadas contra la superficie del metal a tratar. En primer lugar, esta importancia viene determinada por el hecho de que después del tratamiento superficial, limpieza, pasivado y esterilización del implante, siempre quedan restos de partículas procedentes del shot blasting.
Materiales y metodología experimental
Se han sometido a tratamiento superficial mediante proyección de abrasivos de 45 implantes dentales SK y S4 de Klockner. Los implantes fueron proyectados con partículas de óxido de titanio (TiO2), carburo de silicio (SiC), alúmina (Al2O3), alumina y óxido de zirconio (Al2O3 ZrO2) de tamaño grande, mediano y pequeño con una presión de proyección de 25 MPa y 60 segundos de proyección. Una vez proyectados se realizaron diferentes estudios que a continuación se exponen:
Rugosidad
Los ensayos de rugosidad superficial sobre los implantes tratados se han realizado con un rugosímetro para medidas bidimensionales, con palpador de diamante de forma cónica (90o) con 5 mm de diámetro en la punta, de una resolución mínima de 0,1 mm, “Surftest SV-500 ©. El parámetro estudiado fue la Ra (Media aritmética de las desviaciones del perfil): es la media aritmética del valor absoluto de las distancias desde la línea media al perfil R dentro de la longitud de muestra. Esta línea media es una línea de referencia para el cálculo de los distintos parámetros, que se determina por el método de los mínimos cuadrados respecto al perfil R en cada longitud de muestra. Ra se calcula en micrómetros y es el parámetro más general y comúnmente utilizado para describir la rugosidad.
Composición superficial
Para analizar la composición superficial, y por lo tanto la posible contaminación de la superficie de los discos por las partículas del shot blasting, se ha utilizado un analizador de dispersión de energías de rayos X, “Analytical LZ-5© (Link, Reino Unido)”. Se ha analizado la cantidad porcentual atómica de los elementos más significativos para cada muestra, con ensayos de 100 segundos de duración y 20 KV de energía del haz de rayos X.
Estudios osteoblásticos
Se distribuyeron los discos de titanio en diferentes placas estériles y se sembraron con una suspensión celular de 12.100 células/cm2 y se incubaron a 37 ºC en una atmósfera húmeda conteniendo 5,5 por ciento de CO2. Como control negativo se utilizaron discos de poliestireno.
Al cabo de 24 horas a la mitad de las muestras (Grupo A) se les cambió el medio de cultivo por 200 microlitros de medio: IMDM+3 por ciento de suero delipidado con carbono activo con vitamina K1 y vitamina C. El resto de muestras (Grupo B) recibieron el mismo medio pero con vitamina D, lo que produce la inducción de la osteocalcina. Tras 72 horas de incubación se recolectó el medio de cultivo de cada uno de las muestras en tubos eppendorf. Se tripsinizaron los cultivos y se realizó un contaje celular, para ello se determinaron 5 campos en cada muestra y se obtuvo el valor medio. Se determinaron los niveles de osteocalcina para cada una de ellas.
Comportamiento mecánico
Se realizaron ensayos de dureza superficial mediante dureza Vickers aplicando cargas de 1 kg durante 15 segundos: los ensayos de tracción y de fatiga en tensión-compresión bajo control de deformación con una Re = -1, en medio fisiológico a 37 ºC se realizaron en una máquina servohidráulica MTS Bionix. La velocidad de deformación fue constante a 6,5×10-3 s-1. La amplitud total de deformación fue +/- 7×10-3.
Análisis estadísticos
Todos los datos estadísticos, incluidos los p-valores en los test de comparación de medias por la t-Student y de análisis de la varianza (tabla Anova), se han obtenido con el software “Minitab Release 11© (Minitab Inc., U.S.A.)”.
Resultados y discusión
En la Figura 1 se muestra un perfil representativo de rugosidad obtenido para el titanio comercialmente puro sin ser sometido al chorreado por proyección y tratados con elementos abrasivos de diferente naturaleza química de tamaño mediano. Se puede observar que el óxido de titanio produce muy poca rugosidad respecto al implante dental liso ya que sus propiedades mecánicas no son suficientes para dejar una rugosidad importante en el implante dental. Se obtuvieron valores medios de rugosidad, Ra = 4,2 mm para los chorreados por proyección con óxido de aluminio y 0,3 mm para los que no sufrieron el tratamiento.
La microestructura de la superficie del implante dental después del proceso de proyección se puede apreciar en la Figura 2.
Una vez obtenidas las diferentes rugosidades para cada uno de los tratamientos se trata de determinar en cual de ellas hay una mayor proliferación osteoblástica. Para ello se realizaron los cultivos celulares y los resultados se expresan en la Tabla I.
Como se desprende de los resultados de la Tabla I el grupo tratado con Al2O3 de tamaño mediano permite una óptima adherencia celular, estadísticamente significativa respecto al resto de tratamientos. Además, presenta altas concentraciones de osteocalcina, lo cual es muy importante, ya que indica que no sólo hay muchas células sobre la superficie, sino que además, se desarrollan adecuadamente y con rapidez. De todo ello, resulta que este tratamiento parece ser el más adecuado para mejorar la osteointegración de los implantes de titanio y, por lo tanto, la rugosidad óptima sería del orden de Ra = 4 mm.
Ninguno de los materiales presentó signos de citotoxicidad. Se puede observar en la Figura 3 una célula osteoblástica en la superficie de un implante liso. La célula está extendida sobre la superficie, donde se aprecian las rayas de mecanización. En la Figura 4 se muestra una célula sobre la muestra tratada con TiO2. Se puede observar que la célula está como en el caso anterior extendida sobre la superficie y con poca actividad dorsal, indicando una baja actividad celular. En la Figura 5 se observan células en la superficie del implante tratado con Al2O3. Las células están más desarrolladas que en los casos anteriores presentando actividad dorsal y filopodios que se agarran en la rugosidad. Este hecho no se apreciaba en la tratada con TiO2 debido a la poca rugosidad obtenida con este tipo de partículas debido a las malas propiedades mecánicas de las partículas de óxido de titanio.
Cabe destacar que el método de shot blasting permite controlar la rugosidad deseada, hecho que otros métodos para realizar rugosidad no permiten el control de los parámetros de rugosidad. Asimismo, se debe concluir que la alumina (óxido de aluminio) no es un inhibidor de la proliferación y el crecimiento osteoblástico, sino al contrario, como se desprende de los resultados las partículas que después de los tratamientos de limpieza y de pasivado pueden quedar en la superficie del implante dental actúan como aceleradores y excitadores de una actividad celular beneficiosa. Este hecho no ha sido observado solamente por estos investigadores sino que hay diferentes citas bibliográficas que lo corroboran 1-3. Cabe decir, que los implantes dentales fabricados íntegramente de alumina fracasaron no por su adversa reacción celular sino por su falta de tenacidad, se disponían de implantes dentales muy frágiles que se rompían en servicio.
Fatiga
Un beneficio adicional también muy importante, es el aumento a la vida a fatiga de los materiales a los que se les ha sometido un tratamiento de shot blasting. El tratamiento produce un estado compresivo en la superficie del metal que hace que las grietas por fatiga (generadas en la superficie) se retrasen en su nucleación, produciendo una mayor vida a fatiga. En este sentido, es muy importante que el tratamiento de shot blasting llegue a la saturación, es decir, que toda la superficie esté impactada y por tanto toda la superficie esté en un campo de tensión compresivo.
Los implantes dentales se granallaron con partículas de Al2O3 de tamaño medio en las condiciones citadas en los estudios previos. Se obtuvieron unas rugosidades de Ra de 4,2 mm para los granallados y de 0,3 mm para los que no sufrieron el tratamiento. Se realizaron ensayos de tracción y de fatiga en tensión-compresión bajo control de deformación con una Re = -1, en medio fisiológico a 37 ºC. La velocidad de deformación fue constante a 6,5×10-3 s-1. La amplitud total de deformación fue +/- 7×10-3.
Los resultados de los ensayos de tracción se muestran en la Tabla II. Se puede apreciar un ligero aumento de las propiedades mecánicas con el tratamiento de shot blasting.
El bombardeo de las partículas de shot blasting provocó un aumento muy importante en la dureza superficial, como puede apreciarse en la Figura 7. Este endurecimiento se produjo hasta una profundidad desde la superficie de alrededor de 40 mm.
En la Tabla III, se muestra el número de ciclos a fractura (Nf) y la deformación plástica acumulada (ecum) para los implantes con y sin tratamiento de shot blasting. Se puede deducir a la luz de los resultados, la mayor vida a fatiga del material tratado con shot blasting, observándose mediante Microscopía Electrónica de Barrido, inicios de grietas a distancias de la superficie de la probeta de 25 a 40 mm. Este puede ser un factor decisivo que contribuye al aumento de la vida a fatiga por el shot blasting.
Como se desprende de los resultados del número de ciclos a fatiga y deformación plástica acumulada a fractura, los implantes dentales con tratamiento de shot blasting casi duplican el valor del comportamiento mecánico a fatiga respecto a los que no presentan este tratamiento superficial.
Conclusiones
1. La rugosidad produce una mejora en la fijación celular respecto a las superficies lisas.
2. La rugosidad obtenida mediante shot blasting con partículas de Al2O3 de tamaño mediano es la mejor de entre todas las estudiadas respecto a la proliferación celular osteoblástica. Otros métodos químicos o de proyección no permiten alcanzar los niveles de rugosidad óptimos.
3. La alumina no tiene efectos citotóxicos, sino que ejerce una función facilitadora en la reproducción celular, como han indicado los estudios osteoblásticos.
4. El método de proyección de partículas abrasivas crea un estado compresivo superficial que mejora las propiedades mecánicas y aumenta la vida a fatiga del implante dental asegurando su utilización a largo plazo.
Agradecimientos
Los autores desean agradecer a don Guillermo Nussbaum y don Agustín García, de la empresa Materias Primas Abrasivas SL, la donación del material y equipos con los que se ha llevado a cabo la presente investigación, así como sus comentarios tan valiosos para el desarrollo de este trabajo. Asimismo, se agradece a Technalloy por la donación del material objeto de este estudio y a la empresa Klockner y a la CICYT por la ayuda económica prestada para la realización de este estudio.
El tema de este trabajo ha sido objeto de la Tesis Doctoral del doctor Joan Valero Plaza que fue calificada con la máxima calificación de Sobresaliente cum laude por unanimidad y por la felicitación expresa del Tribunal. La Tesis Doctoral fue defendida en la Facultad de Odontología de la Universidad de Barcelona. v
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