Milyen különböző felületkezelések állnak rendelkezésre fogimplantátumhoz?

A foghiányos betegek esztétikai és rágási funkcióinak helyreállítására jelenleg az implantátum-restauráció vált optimális módszerré. Kulcsfontosságú, hogy az implantátum stabil csontintegrációt tudjon kialakítani, így a felületkezelés az orális implantológia jelenlegi kutatásának kulcsfontosságú területe. A fizikai, kémiai és biológiai módosítások után a titán implantátumok felületi morfológiája, kémiai összetétele és biológiai aktivitása megváltozik, ami az osseointegráció sikeres és stabil kialakulásához vezet.

Az alábbiakban átfogó áttekintést adunk az implantátumok felületmódosítási módszereiről három szempontból: fizikai, kémiai és biológiai szempontból.

Mi az a fizikai módosítás?

A fizikai módosítás magában foglalja az implantátumok felületi morfológiájának és érdességének megváltoztatását olyan fizikai módszerekkel, mint a plazmapermetezés, homokfúvás, lézeres kezelés stb., hogy jobb alapot biztosítsanak az osseointegrációhoz.

1. Plazmakezelés

A plazmapermetezési technológia egyenárammal hajtott plazmaívet használ hőforrásként olyan anyagok felmelegítésére, mint a kerámiák, ötvözetek, fémek stb., olvadt vagy félig olvadt állapotba. Ezeket az anyagokat azután gyorsan az implantátum előkezelt felületére permetezzük, szilárdan rögzített felületi réteget képezve. Jelenleg a hidroxiapatit bevonatokat általában klinikai alkalmazásokban használják. Magas hőmérsékleten hidroxiapatit részecskéket permeteznek az implantátum felületére, majd gyors lehűlés után repedésbevonatú réteg képződik. A kutatások azt mutatják, hogy az atmoszférikus plazmával permetezett porózus titán bevonatok javíthatják a tiszta titán implantátumok csontos integrációs képességét.

2. Ionbeültetés

Az ionimplantációs technológia alapelve egy ionsugarat az implantátumba irányítani, ahol az ionok fizikai és kémiai kölcsönhatások sorozatán mennek keresztül az implantátum atomjaival vagy molekuláival. A beeső ionok fokozatosan veszítenek energiájukból, és végül megnyugszanak az implantátumban, ami változásokat okoz az implantátum felületi összetételében, szerkezetében és tulajdonságaiban. Az ionimplantációs technológiával olyan elemeket lehet beültetni az implantátum felületébe, mint a magnézium, cink, kalcium és ezüst, hogy optimalizálják annak felületi tulajdonságait. Az ezüstionok savmaratott titán implantátumokba történő beültetése csökkentheti az ezüst nanorészecskék mobilitását, ami kiváló antibakteriális aktivitást és jó kompatibilitást eredményez az emlős sejtekkel.

A magnézium-ionok befecskendezése az implantátumok felületébe fokozhatja a felületi sejtek adhézióját, ami előnyös az implantátum csontosodási képességének javításában. A plazma immerziós ionimplantációs és -lerakási technológia alkalmazása cinkionok befecskendezésére a tiszta titán sima felületébe növelheti a titán biokompatibilitását. Az ionimplantációs technológia sokoldalú, robusztus, és jó irányíthatóságot és ismételhetőséget mutat. A beültetett réteg azonban vékony, az ionok csak egyenes vonalban tudnak közlekedni, és a berendezés költsége magas. Míg az alkalmazási lehetőségek szélesek, a széles körben elterjedt alkalmazása kihívásokat jelent.

3. Homokfúvás kezelés

A homokfúvás sűrített levegőt használ erőként, hogy nagy sebességű sugárt hozzon létre, amely csiszolóanyagot szór az implantátumok felületére, biztosítva az implantátumok felületének bizonyos fokú tisztaságát és érdességét. A homokfúvás növeli a felületet, javítja a sejtek adhézióját és proliferációját, ezáltal fokozza a csontosodást.

4. Kezelés felszívódó csiszolóközeggel

A felszívódó csiszolóanyaggal végzett felületkezelés során kalcium-foszfát kerámiát szórnak az implantátum felületére. A felszívódó csiszolóanyaggal kezelt titán implantátum a klóros fertőtlenítés után fokozhatja a felszívódási hatást, magasabb antibakteriális aktivitást mutatva. Tanulmányok kimutatták, hogy a felszívódó csiszolóanyaggal kezelt implantátumok általánosabb sikeres beültetési arányt mutatnak, anélkül, hogy jelentős alveoláris csontveszteséget okoznának. Ezzel a módszerrel bizonyos felületi érdesség elérése érdekében a felületen maradt kalcium-foszfát részecskék gyenge savval eltávolíthatók, csökkentve az idegen anyagok visszatartását. Ez előnyösnek tekinthető.

5. Fizikai gőzlerakódás

A fizikai gőzleválasztás (PVD) egy olyan technológia, amely vákuumkörülmények között működik, és az anyagot - szilárd vagy folyékony - gáz halmazállapotú atomokká, molekulákká vagy részlegesen ionizált ionokká alakítja. Ezt alacsony nyomású gázzal érik el, lehetővé téve az implantátum felületén történő lerakódását, és funkcionális vékony filmeket hoznak létre. Az elmúlt években nagyméretű magnetronos porlasztó bevonatot fejlesztettek ki. Magas lerakódási sebességet, jó folyamat-ismételhetőséget mutat, és könnyen automatizálható. Az implantátum felületek módosításában alkalmazva fokozza a csont-implantátum érintkezést, jelentős fejlődési potenciált mutatva.

6. Elektromos kisüléses megmunkálás

Az elektromos kisülési megmunkálás (EDM) egy speciális feldolgozási módszer, amely a munkaközegbe merített két elektróda közötti impulzusos kisülés eróziós hatását használja fel a vezető anyagok eltávolítására. Az implantátum kezelt felületén egy mikro-durva és biológiailag aktív titán-dioxid-réteg képződik, ami növeli a csont-implantátum határfelület szilárdságát és csökkenti a környező csont érzékenységét a terhelés elleni védelemre. Kísérletek kimutatták, hogy az EDM-kezelt implantátumcsavarok nagy fehér nyulak combcsontjába történő elhelyezése az új csont térfogatának jelentős növekedését eredményezi egy hét után. Ezért az elektromos kisüléses megmunkálás valószínűleg egy felületmódosítási módszer, amely támogatja a fokozott csontintegrációt.

7. Hőkezelés

A hőkezelés egy átfogó folyamat, amelynek során az implantátumot felmelegítik, egy bizonyos hőmérsékleten tartják, majd meghatározott közegben lehűtik, hogy a felület vagy a belső szerkezet megváltoztatásával szabályozzák a teljesítményét. A hőmérséklet emelkedésével az implantátum felületi jellemzői és biokompatibilitása is nő. A titán atmoszférában vagy a peroxid felmelegítése sűrű oxidfilmet képezhet a felületén, ami javítja a biológiai kompatibilitást. Kísérletek kimutatták, hogy az implantátum felületén nitrogéngázzal titán-nitrid bevonat elkészítése, majd kalcium-klorid oldatos hőkezelése a 120 fokot határozza meg a hidrotermális kezelés kritikus hőmérsékleteként. A 120 fok alatti hőkezelés meg tudja kötni a kalciumot a titán-nitrid felületével, megőrzi morfológiáját és keménységét, valamint javítja a nedvesíthetőséget.

A hőkezelést követően jelentősen javul a fibroblaszt sejtek adhéziója és proliferációja a felületen, ami arra utal, hogy a hidrotermális kezelés jó kopásállóságú és lágyszöveti biokompatibilitással rendelkező titán bevonatokat eredményezhet. Ezenkívül hidrotermális kezeléssel a magnézium rögzíthető a titán felületén, növelve a felületi fehérje felszívódását, fokozva a sejtek adhézióját és szétterülését, jelezve, hogy a magnézium-klorid oldat hőkezelésre való alkalmazása hatékony módszer a titán implantátum felületek biokompatibilitásának növelésére.

8. Lézeres kezelés

A lézeres kezelés magában foglalja az implantátum gyors felmelegítését lézersugár segítségével olyan környezetben, mint a légkör vagy a vákuum. Ez az eljárás helyi gyors felmelegedést vagy hűtést ér el, ami változásokat idéz elő a szövetszerkezetben vagy más anyagok bevezetését a felületi teljesítmény javítása érdekében. A kutatások kimutatták, hogy a lézeres felületolvasztással kezelt felületű implantátumok elősegíthetik a sejtek adhézióját és proliferációját. A kísérletek azt mutatják, hogy impulzuslézeres leválasztással hidroxiapatit bevonatok rakhatók le titán felületekre, ami nagyobb mechanikai adhéziós erőket eredményez. A lézeres ablációs kezelést követően azonban jelentős változások következnek be a felület morfológiájában és érdességében, kevésbé észrevehető adhézió és az oszteoblasztszerű sejtek proliferációja a kezelt felületen.

9. Ultraibolya kezelés

A rövidhullámú ultraibolya (UV) besugárzás fokozhatja a titán implantátumok csontintegrációs képességét. Spirál alakú, savmaratott tiszta titán implantátumokat ültettek be nyulak combcsontjába, miután 48 órán át UV-sugárzásnak voltak kitéve, és összehasonlították az UV-kezelésnek nem kitett implantátumokkal. Az eredmények azt mutatják, hogy az UV-kezelés a csontsűrűség csökkentése nélkül növelheti a titán implantátumok koronális pozíciójának corticalis csonttérfogatát. Ezenkívül az UV-kezelt implantátumfelületek pozitív hatással vannak az emberi íny fibroblasztjainak viselkedésére, beleértve az adhéziót, a proliferációt és a kollagén felszabadulását a kezelés után 24 órával.

10. Nano léptékű felületi érdesítés

A nanotechnológia révén az implantátumok javított felületi mikrostruktúrát érhetnek el, elősegítve az osseointegrációt és csökkentve a gyógyulási időt. A mikro/szubmikro léptékű durvaság a nanoméretű jellemzőkkel együtt fokozza az oszteogén sejtdifferenciálódást és a helyi faktorok termelődését, ami arra utal, hogy javult az implantátum csontintegrációja a szervezetben. A módosított implantátum felületének változatos méretei és eloszlása ​​egyedi nanoméretű struktúrákat határoz meg, lehetővé téve a megfelelő csontreakciók modulálását a testen belül. A jelenlegi technológiai fejlődéssel kapcsolatos bizonytalanság további kutatások fókuszpontjává teszi.

Mi az a kémiai módosítás?

A felület kémiai módosítása a felület szerkezetének és állapotának megváltoztatását jelenti az implantátum felülete és a felületmódosítók közötti kémiai adszorpció vagy reakció révén. Jelenleg ez a leggyakrabban használt felületmódosítási módszer, beleértve az eloxálást, sav-bázis kezelést, szol-gél technikát stb.

1. Eloxálás

Az eloxálás az a folyamat, amelynek során oxidfilmet képeznek a fémanód felületén elektrolit jelenlétében és meghatározott folyamatkörülmények között, alkalmazott elektromos áram hatására. A titán implantátumok eloxálásával létrehozott porózus felület fokozza az oszteogén sejtválaszokat, erősíti az osteogén génexpressziót, és javítja a mineralizált szövet nanomechanikai tulajdonságait. Tanulmányok kimutatták, hogy a titán és a titán-cirkónium ötvözet eloxálása DL- -glicerofoszfátot és kalcium-acetátot tartalmazó elektrolitban növeli az oxigén-, kalcium- és foszfortartalmat az implantátum felületén. Az átlagos érdesség nő, az érintkezési szög jelentősen csökken, és jelentősen megnő a sejtproliferáció, az alkalikus foszfatáz aktivitás és a kalcium lerakódás az implantátum körül, ami hozzájárul a fokozott osseointegrációhoz. A titán-cirkónium ötvözetek fejlesztése új lehetőségeket teremtett az eloxálásban is.

2. Mikroív oxidáció

A mikroív-oxidáció a titán és ötvözeteinek felületén az ívkisülés által generált tranziens magas hőmérsékletű és nagynyomású hatásokon alapul, elektrolittal és meghatározott elektromos paraméterekkel kombinálva, hogy fém-oxidokon alapuló kerámia filmréteget képezzenek. A mikroív-oxidáció nano-bioaktív titán-oxid rétegeket hozhat létre, javíthatja az implantátum tapadását és növelheti a sejtek adhéziós erejét. Mikroív oxidációval porózus hidroxiapatit bevonatok készíthetők titánötvözet felületekre, jelentősen javítva a csont-implantátum érintkezést és a mechanikai tulajdonságokat az érintkezési határfelületen, ezáltal elősegítve a csontnövekedést.

3. Plazma elektrolitikus oxidáció

A plazma elektrolitikus oxidáció egy olyan technika, amely nagy feszültséget és nagy áramerősséget használ, hogy az elektrolitba mártott elektróda felületén pillanatnyi plazma mikroívkisülést hozzon létre, áttörve a passzivációs réteget, és szinterezve kerámia-oxid filmet képez. A kísérleti eredmények azt mutatják, hogy a plazmával kezelt bevonatok fokozott hidrofilitást, észrevehető sejtadszorpciós viselkedést és fokozott kollagénszintézist mutatnak. A plazma elektrolitikus oxidációval előállított kétrétegű hidroxiapatit-titán-dioxid bevonatok a hidroxiapatit bioaktivitásával és a titán-dioxid javított morfológiájával rendelkeznek, hatékonyan elősegítve az osszeointegrációt. Ez a módszer nagyon ígéretes az orvosbiológiai alkalmazásokban.

4. Elektromos leválasztás

Az elektrokémiai lerakódási technikák alkalmazása stronciummal adalékolt kalcium-foszfát bevonatok implantátum felületére történő felhordására fokozza az oszteoblasztok proliferációját, ami arra utal, hogy a stronciummal adalékolt kalcium-foszfát bevonatok hozzájárulhatnak az implantátum körüli csontképződés növekedéséhez. Kezdetben a titán felületeket eloxálják, így titán-dioxid nanocsövek képződnek, majd a szén nanocsöveket elektroforetikusan leválasztják a titán-dioxid nanocsövekre. Az eredmények azt mutatják, hogy a szén nanocsövek bevonása a titán-dioxid nanocsövekre elősegíti a bioaktivitás javítását, így az ilyen típusú felületmódosítás alkalmas az orvosbiológiai alkalmazásokra.

5. Sav-bázis kezelés

A sav-bázis kezelés magában foglalja a kémiai eljárások alkalmazását egy stabil vegyület előállítására vagy az implantátum felületi morfológiájának megváltoztatására savas közeggel való kémiai vagy elektrokémiai kölcsönhatások révén. A savas maratás egy olyan jelenség, amikor az implantátum felületének morfológiája megváltozik a savas közeggel való kémiai vagy elektrokémiai kölcsönhatások következtében, ami jelentősen befolyásolja a csont-implantátum érintkezést. Ez egy megbízható felületmódosítási módszer. A lúgos hőkezeléssel kezelt felületek olyan jellemzőket mutatnak, mint a nagyszámú rendezett nanotüskék és a szivacsszerű egyenletes, porózus belső hálózat. Ez fokozza a kollagén szintézist a gingiva fibroblasztokban, ami jó ellenállást eredményez a parodontális szerű kötőszövet tapadásával szemben. Az alkáli hőkezelés növelheti a csont-implantátum érintkezését, hatékonyan alkalmazva termikusan permetezett titánfémre, hogy fokozza az osseointegrációs szilárdságot.

6. Szol-gél módszer

A szol-gél módszer abból áll, hogy nagy kémiai aktivitású vegyületeket használnak prekurzorként, hogy folyékony körülmények között egységes, átlátszó szolrendszert hozzanak létre. Ezek az anyagok ezután egyenletesen elkeverednek, hidrolízis- és kondenzációs reakciókon mennek keresztül, stabil, átlátszó szolrendszereket képeznek, és végül az öregedés során gélekké fejlődnek. Szárítás után a szinterezés megszilárdítja a gélt, ami molekuláris, sőt nanoszerkezetű anyagokat eredményez. A szerves polimerek szol-gél módszerrel alkalmazhatók a titán-dioxid felületének biológiai aktivitásának biztosítására. Például a poli(etilénglikol-tereftalát) felhasználásával végzett felületmódosítás javítja a csont-implantátum érintkezési felületének mechanikai stabilitását, biokompatibilitását, kiváló csontosodási képességét és csontvezető képességét. A lágy litográfia és a szol-gél kombinálása egy módszer biológiailag aktív nanorészecskék mikromintázatának létrehozására az implantátum felületén, irányítva a szövetek regenerálódását. Ezzel a módszerrel vékony cirkónium-oxid filmet állítottak elő mikroméretű szilíciummal, és azt találták, hogy biokompatibilis, és képes kiváltani az oszteoblasztok adhézióját, proliferációját és terjedését. Használható a parodontális szövet regenerációjának irányítására, ezáltal elősegítve a sűrű szövetek lerakódását, valamint megelőzve a fogíny recesszióját és a periimplantitist.

Mi az a biológiai módosítás?

Az elmúlt években az implantátumok felszíni biomódosítása a kutatási központtá vált, amelynek célja, hogy bioaktív funkciókat kölcsönözzen az implantátumok bevonatának nagy mechanikai stabilitással. Ezzel egyidejűleg a természetes csont szerkezetének és összetételi jellemzőinek utánzása a cél a csontnövekedés jobb elősegítése érdekében. Íme néhány bevezetés a különböző módszerekbe.

1. Önszerelő technológia

Az önszerelés olyan technikára utal, ahol az alapvető szerkezeti egységek spontán módon rendezett struktúrákat alkotnak. A titán felületeken az önszerveződő egyrétegű technológia több különböző funkciós csoportot használ a biokémiai anyagok jobb rögzítésére, így a felületi kémiai tervezést bizonyos ellenőrizhetőség mellett biztosítja. A rétegenkénti önösszeszerelés magában foglalja a többrétegű polielektrolit váltakozó lerakódását egy töltött hordozóra ellentétes töltésű polielektrolitot tartalmazó oldatban. A titán felületeket funkcionalizáló kitozán/siRNS-sel rétegről rétegre módszert alkalmazva a felület nedvesíthetősége, morfológiája és érdessége váltakozik a filmképző folyamat során, jelentősen elősegítve az oszteogén sejtdifferenciálódást. A lizozim többrétegű bevonatok létrehozása ezüst nanorészecskéket, kitozánt és hialuronsavat nyersanyagként használva hosszú élettartamú antibakteriális többrétegű bevonatok készítésének stratégiája, hatékonyan megelőzve a korai implantációs fertőzéseket. Az önszerelő technológia egyszerű, nem igényel különleges felszerelést, és a membránszerkezet molekuláris szintű szabályozását teszi lehetővé, amely az elmúlt években széles körben elterjedt.

2. Biomolekula adszorpciója

Az adszorpció arra a jelenségre utal, amikor a környező közegben lévő molekulák vagy ionok az implantátum felületéhez vonzódnak. A fizikai adszorpciót főleg az intermolekuláris erők szabályozzák, míg a kémiai adszorpció a molekulák közötti kémiai kötéseken alapul. A rögzítő peptidek felhasználásával az implantátum felületének biológiai funkcionalitása érdekében a sejttenyésztő tápközegben lévő specifikus felületkötő peptidek stabil adszorpciót mutatnak, ami fokozza az implantátum biokompatibilitását. A kitozán, a kitozánnal térhálósított nátrium-alginát és a titánfelületekhez kovalensen kötött kitozánnal térhálósított pektin javíthatja a nedvesíthetőséget, és duzzadási és gyógyszerkibocsátási tulajdonságokat biztosíthat a kitozánnal bevont felületeknek. A polidopamin bevonat kollagénfehérjével történő kovalens rögzítése szintén módszer lehet a felületi teljesítmény fokozására. A fizikai adszorpcióhoz képest a kémiai adszorpció a kémiai kötések erőit kihasználva nagyobb adszorpciós energiát és stabilitást kínál.

3. Bioaktív anyagú bevonatok

A bioaktív anyagok általában olyan gyógyászati ​​célokra használt, élettelen anyagokat jelentenek, amelyek az élő szövetekkel érintkezésbe kerülnek, és megvalósítják bioaktív funkcióikat. A bioaktív üveg olyan anyag, amely képes a szövetek helyreállítására, pótlására és regenerálására a szervezetben, kötéseket képezve a szövetek és anyagok között. Bomlástermékei elősegíthetik a növekedési faktorok képződését és a sejtproliferációt, fokozhatják az oszteoblaszt génexpressziót és elősegíthetik a csontszövet növekedését. Az implantátumok bevonásával biztonságosan és hatékonyan érhetjük el a csontos integrációt, ami a fogászati ​​implantátum bevonóanyagok fejlesztési irányát jelenti.

Ezenkívül számos bioaktív gyógyszer használható az implantátumok felületének módosítására. Például a titán implantátumok polietilén-tereftalát/1,25-dihidroxi-D3-vitamin oldattal való bevonása elektrofonó technológiával mikron alatti méretű részecskéket eredményezhet, amelyek serkentik a csontképződést. A resveratrol, egy gyulladáscsökkentő molekula felületmódosításra vagy implantátumok bevonására történő alkalmazása felgyorsíthatja a csontképződést. A széles spektrumú antibiotikumok, például a sztreptomicin kombinációja az implantátumok felületén javíthatja a csontképződést és csökkentheti az implantátumok körüli fertőzések kockázatát.

4. Biomimetikus lerakódás

A biomimetikus lerakódás utánozza a hidroxiapatit mineralizációs mechanizmusát a szervezetben. A hidroxiapatit bevonatok természetes módon rakódnak le az aljzat felületén vizes oldatban, a testkörnyezethez hasonló körülmények között. Biomimetikusan módosított titánötvözet felületeken in vitro indukált csontvelői mezenchimális őssejtek felhasználásával adhéziós képességük javul, a proliferációs sebességük pedig nő. A hidroxiapatit biomimetikus lerakódása titán felületeken kevert savas kezelés után biológiai aktivitást válthat ki a titánban. A szimulált testfolyadék-merítési idő eloxált titán nanocsövek oszteogén sejtaktivitására gyakorolt ​​hatásának vizsgálatakor azt találták, hogy az 3-órás merítés az optimális. A szimulált testfolyadék 10-szeresének bemerítése gyors és gazdaságos technológia az anódos titán implantátum csontosodási integrációjának javítására. Az implantátumok bioaktivitási potenciálját azonban korlátozhatja a túlzott mennyiségű és ellenőrizetlen hidroxiapatit bevonat.

Az implantátumok fenti felületi módosításai az elmúlt évek kutatási gócpontjai voltak. A módszerek sokfélék, és jelentős előrelépés történt a csontképződés, az osseointegráció és a fertőzésekkel szembeni rezisztencia elősegítésében. A kombinált alkalmazások átfogóbb teljesítményt eredményezhetnek, és trendet jelenthetnek a jövőbeli kutatásfejlesztésben.