Welke verschillende oppervlaktebehandelingen zijn beschikbaar voor tandheelkundige implantaten?

Implantaatrestauratie is de huidige optimale methode geworden voor het herstellen van de esthetiek en de kauwfunctie van patiënten met ontbrekende tanden. Het vermogen van een implantaat om stabiele osseo-integratie te vormen is van cruciaal belang, waardoor oppervlaktebehandeling een belangrijk aandachtspunt is in het huidige onderzoek op het gebied van orale implantologie. Na fysische, chemische en biologische modificaties te hebben ondergaan, worden de oppervlaktemorfologie, de chemische samenstelling en de biologische activiteit van titaniumimplantaten gewijzigd, wat leidt tot de succesvolle en stabiele vorming van osseo-integratie.

Het volgende is een uitgebreid overzicht van methoden voor oppervlaktemodificatie voor implantaten vanuit drie aspecten: fysisch, chemisch en biologisch.

Wat is fysieke modificatie?

Fysieke modificatie omvat het veranderen van de oppervlaktemorfologie en ruwheid van implantaten door middel van fysieke methoden zoals plasmaspuiten, zandstralen, laserbehandeling, enz., om een ​​betere basis te bieden voor osseo-integratie.

1. Plasmabehandeling

Plasmaspuittechnologie maakt gebruik van een plasmaboog aangedreven door gelijkstroom als warmtebron om materialen zoals keramiek, legeringen, metalen, enz. te verwarmen tot een gesmolten of halfgesmolten toestand. Deze materialen worden vervolgens snel op het voorbehandelde oppervlak van het implantaat gespoten, waardoor een stevig bevestigde oppervlaktelaag ontstaat. Momenteel worden hydroxyapatietcoatings vaak gebruikt in klinische toepassingen. Hydroxyapatietdeeltjes worden bij hoge temperaturen op het implantaatoppervlak gespoten en na snelle afkoeling wordt een met scheuren bedekte laag gevormd. Onderzoek wijst uit dat atmosferische, met plasma gespoten poreuze titaniumcoatings het osseo-integratievermogen van zuivere titaniumimplantaten kunnen verbeteren.

2. Ionenimplantatie

Het fundamentele principe van ionenimplantatietechnologie houdt in dat een ionenbundel in het implantaat wordt gericht, waar de ionen een reeks fysische en chemische interacties ondergaan met de atomen of moleculen in het implantaat. De invallende ionen verliezen geleidelijk energie en komen uiteindelijk tot rust in het implantaat, waardoor veranderingen in de oppervlaktesamenstelling, structuur en eigenschappen van het implantaat ontstaan. Met behulp van ionenimplantatietechnologie kunnen elementen zoals magnesium, zink, calcium en zilver in het oppervlak van het implantaat worden geïmplanteerd om de oppervlakte-eigenschappen ervan te optimaliseren. Het implanteren van zilverionen in zuurgeëtste titaniumimplantaten kan de mobiliteit van zilveren nanodeeltjes verminderen, wat resulteert in uitstekende antibacteriële activiteit en goede compatibiliteit met zoogdiercellen.

Het injecteren van magnesiumionen in het oppervlak van implantaten kan de adhesie van oppervlaktecellen verbeteren, wat gunstig is voor het verbeteren van het osseo-integratievermogen van het implantaat. Het gebruik van plasma-immersie-ionenimplantatie en -depositietechnologie om zinkionen in het gladde oppervlak van puur titanium te injecteren, kan de biocompatibiliteit ervan vergroten. Ionenimplantatietechnologie is veelzijdig, robuust en vertoont een goede beheersbaarheid en herhaalbaarheid. De geïmplanteerde laag is echter dun, ionen kunnen zich alleen in rechte lijnen voortbewegen en de apparatuurkosten zijn hoog. Hoewel de toepassingsvooruitzichten breed zijn, brengt wijdverbreide adoptie uitdagingen met zich mee.

3. Zandstraalbehandeling

Bij zandstralen wordt gebruik gemaakt van perslucht als krachtbron om een ​​hogesnelheidsstraal te genereren die schuurmiddelen op het oppervlak van implantaten spuit, waardoor deze een zekere mate van zuiverheid en ruwheid krijgen. Zandstralen vergroot het oppervlak, waardoor de celadhesie en -proliferatie wordt verbeterd, waardoor de osseo-integratie wordt verbeterd.

4. Behandeling met absorbeerbare schuurmiddelen

Oppervlaktebehandeling met absorbeerbare schurende media omvat het spuiten van calciumfosfaatkeramiek op het oppervlak van het implantaat. Het titaniumimplantaat dat is behandeld met absorbeerbare schurende media kan het absorptie-effect na desinfectie met chloor versterken en een hogere antibacteriële activiteit vertonen. Uit onderzoek is gebleken dat implantaten die zijn behandeld met absorbeerbare schurende media een hoger algemeen succespercentage bij implantatie vertonen, zonder significant verlies van alveolair bot. Door deze methode te gebruiken om een ​​bepaalde oppervlakteruwheid te bereiken, kunnen achtergebleven calciumfosfaatdeeltjes op het oppervlak worden verwijderd met een zwak zuur, waardoor de retentie van vreemde stoffen wordt verminderd. Dit wordt als voordelig beschouwd.

5. Fysische dampafzetting

Physical Vapour Deposition (PVD) is een technologie die onder vacuümomstandigheden werkt, waarbij de materiële bron (vast of vloeibaar) wordt omgezet in gasvormige atomen, moleculen of gedeeltelijk geïoniseerde ionen. Dit wordt bereikt door gas onder lage druk, waardoor afzetting op het oppervlak van het implantaat mogelijk wordt, waardoor functionele dunne films ontstaan. De afgelopen jaren is grootschalige magnetronsputtercoating ontwikkeld. Het vertoont een hoge afzettingssnelheid, goede procesherhaalbaarheid en is gemakkelijk te automatiseren. Toegepast bij de modificatie van implantaatoppervlakken verbetert het het contact tussen bot en implantaat, wat een aanzienlijk ontwikkelingspotentieel laat zien.

6. Bewerking van elektrische ontladingen

Electrical Discharge Machining (EDM) is een gespecialiseerde verwerkingsmethode die gebruik maakt van het eroderende effect van gepulseerde ontlading tussen twee elektroden ondergedompeld in een werkvloeistof om geleidende materialen te verwijderen. Het behandelde oppervlak van het implantaat ontwikkelt een micro-ruwe en biologisch actieve laag titaniumdioxide, waardoor de sterkte van het bot-implantaat grensvlak wordt vergroot en de gevoeligheid van het omliggende bot voor spanningsafscherming wordt verminderd. Experimenten hebben aangetoond dat het plaatsen van met EDM behandelde implantaatschroeven in de dijbenen van grote witte konijnen na één week resulteert in een significante toename van het nieuwe botvolume. Daarom is Electrical Discharge Machining waarschijnlijk een methode voor oppervlaktemodificatie die verbeterde osseo-integratie ondersteunt.

7. Warmtebehandeling

Warmtebehandeling is een veelomvattend proces waarbij het implantaat wordt verwarmd, op een bepaalde temperatuur wordt gehouden en vervolgens in een specifiek medium wordt afgekoeld om de prestaties ervan te controleren door de structuur van het oppervlak of de binnenkant te veranderen. Naarmate de temperatuur stijgt, nemen ook de oppervlaktekenmerken en de biocompatibiliteit van het implantaat toe. Het verwarmen van titanium in de atmosfeer of peroxide kan een dichte oxidefilm op het oppervlak vormen, waardoor de biocompatibiliteit wordt verbeterd. Experimenten hebben aangetoond dat het aanbrengen van een titaniumnitridecoating op het implantaatoppervlak met behulp van stikstofgas, gevolgd door een warmtebehandeling met een calciumchlorideoplossing, 120 graden bepaalt als de kritische temperatuur voor hydrothermische behandeling. Warmtebehandeling onder de 120 graden kan calcium aan het oppervlak van titaniumnitride binden, waardoor de morfologie en hardheid behouden blijft en de bevochtigbaarheid wordt verbeterd.

Na warmtebehandeling verbeteren de adhesie en proliferatie van fibroblastcellen op het oppervlak aanzienlijk, wat suggereert dat hydrothermische behandeling het potentieel heeft om titaniumcoatings te verschaffen met goede slijtvastheid en biocompatibiliteit met zacht weefsel. Bovendien kan magnesium door middel van hydrothermische behandeling op het titaniumoppervlak worden gefixeerd, waardoor de absorptie van oppervlakte-eiwitten wordt verhoogd, de celadhesie en -verspreiding wordt verbeterd, wat aangeeft dat het gebruik van een magnesiumchloride-oplossing voor warmtebehandeling een effectieve methode is om de biocompatibiliteit van titaniumimplantaatoppervlakken te vergroten.

8. Laserbehandeling

Laserbehandeling omvat het snel verwarmen van het implantaat met behulp van een laserstraal in omgevingen zoals de atmosfeer of vacuüm. Dit proces zorgt voor plaatselijke snelle verwarming of koeling, waardoor veranderingen in de weefselstructuur worden geïnduceerd of andere materialen worden geïntroduceerd om de prestaties van het oppervlak te verbeteren. Onderzoek heeft aangetoond dat implantaten met oppervlakken die zijn behandeld met laseroppervlaktesmelten de celadhesie en -proliferatie kunnen bevorderen. Experimenten geven aan dat hydroxyapatietcoatings kunnen worden afgezet op titaniumoppervlakken door middel van pulslaserafzetting, wat resulteert in hogere mechanische adhesiekrachten. Er treden echter significante veranderingen in de oppervlaktemorfologie en ruwheid op na laserablatiebehandeling, met minder merkbare adhesie en proliferatie van osteoblastachtige cellen op het behandelde oppervlak.

9. Behandeling met ultraviolette straling

Kortegolf-ultraviolette (UV) bestraling kan het osseo-integratievermogen van titaniumimplantaten verbeteren. Spiraalvormige implantaten van zuiver titanium, met zuur geëtst, werden geïmplanteerd in de femurschachten van konijnen na 48 uur blootstelling aan UV-licht en vergeleken met implantaten die geen UV-behandeling hadden ondergaan. De resultaten geven aan dat UV-behandeling het corticale botvolume van de coronale positie van titaniumimplantaten kan vergroten zonder de botdichtheid te verminderen. Bovendien vertonen UV-behandelde implantaatoppervlakken positieve effecten op het gedrag van menselijke gingivale fibroblasten, waaronder adhesie, proliferatie en afgifte van collageen, 24 uur na de behandeling.

10. Oppervlakteruwbehandeling op nanoschaal

Door middel van nanotechnologie kunnen implantaten een verbeterde microstructuur van het oppervlak bereiken, waardoor de osseo-integratie wordt bevorderd en de genezingstijd wordt verkort. Ruwheid op micro-/submicroschaal, samen met eigenschappen op nanoschaal, verhoogt de osteogene celdifferentiatie en de productie van lokale factoren, wat een verbeterd potentieel voor osseo-integratie van implantaten in het lichaam suggereert. De diverse afmetingen en verdeling van het gemodificeerde implantaatoppervlak bepalen unieke structuren op nanoschaal, waardoor de relevante botreacties in het lichaam kunnen worden gemoduleerd. De onzekerheid die gepaard gaat met de huidige technologische ontwikkelingen maakt het een aandachtspunt voor verder onderzoek.

Wat is chemische modificatie?

Chemische oppervlaktemodificatie verwijst naar de verandering van de oppervlaktestructuur en -toestand door de chemische adsorptie of reactie tussen het implantaatoppervlak en oppervlaktemodificatoren. Het is momenteel de meest gebruikte methode voor oppervlaktemodificatie, waaronder anodisatie, zuur-basebehandeling, sol-geltechniek, enz.

1. Anodisatie

Anodisatie is het proces waarbij een oxidefilm op het oppervlak van de metalen anode wordt gevormd in aanwezigheid van een elektrolyt en specifieke procesomstandigheden onder invloed van een aangelegde elektrische stroom. Het poreuze oppervlak gecreëerd door anodisatie van titaniumimplantaten verbetert de osteogene celreacties, versterkt de osteogene genexpressie en verbetert de nanomechanische eigenschappen van gemineraliseerd weefsel. Studies hebben aangetoond dat anodisatie van titanium en titanium-zirkoniumlegeringen in een elektrolyt die DL- -glycerofosfaat en calciumacetaat bevat, het zuurstof-, calcium- en fosforgehalte op het implantaatoppervlak verhoogt. De gemiddelde ruwheid neemt toe, de contacthoek neemt aanzienlijk af en de celproliferatie, alkalische fosfatase-activiteit en calciumafzetting rond het implantaat nemen aanzienlijk toe, wat bijdraagt ​​aan een verbeterde osseo-integratie. De ontwikkeling van titanium-zirkoniumlegeringen heeft ook nieuwe mogelijkheden voor anodisatie opgeleverd.

2. Microboogoxidatie

Microboogoxidatie is afhankelijk van de voorbijgaande effecten van hoge temperatuur en hoge druk die worden gegenereerd door boogontlading op het oppervlak van titanium en zijn legeringen in combinatie met elektrolyt en specifieke elektrische parameters om een ​​keramische filmlaag te vormen op basis van metaaloxiden. Microboogoxidatie kan nano-bioactieve titaniumoxidelagen creëren, de hechting van implantaten verbeteren en de celadhesiesterkte vergroten. Met behulp van microboogoxidatie kunnen poreuze hydroxyapatietcoatings worden vervaardigd op oppervlakken van titaniumlegeringen, waardoor het bot-implantaatcontact en de mechanische eigenschappen op het contactgrensvlak aanzienlijk worden verbeterd, waardoor de botgroei wordt bevorderd.

3. Plasma-elektrolytische oxidatie

Plasma-elektrolytische oxidatie is een techniek waarbij gebruik wordt gemaakt van hoge spanning en grote stroomsterkte om onmiddellijke plasma-microboogontlading te genereren op het elektrodeoppervlak ondergedompeld in een elektrolyt, waarbij de passivatielaag wordt doorbroken en wordt gesinterd om een ​​keramische oxidefilm te vormen. Experimentele resultaten tonen aan dat met plasma behandelde coatings verbeterde hydrofiliciteit, merkbaar celadsorptiegedrag en verhoogde collageensynthese vertonen. Dubbellaagse hydroxyapatiet-titaniumdioxidecoatings bereid door plasma-elektrolytische oxidatie bezitten de bioactiviteit van hydroxyapatiet en de verbeterde morfologie van titaniumdioxide, waardoor osseo-integratie effectief wordt bevorderd. Deze methode is veelbelovend in biomedische toepassingen.

4. Elektrodepositie

Het gebruik van elektrochemische depositietechnieken om met strontium gedoteerde calciumfosfaatcoatings op implantaatoppervlakken af ​​te zetten, verbetert de proliferatie van osteoblasten, wat suggereert dat met strontium gedoteerde calciumfosfaatcoatings kunnen bijdragen aan een verhoogde botvorming rond het implantaat. Aanvankelijk ondergaan titaniumoppervlakken anodisatie om titaniumdioxidenanobuisjes te vormen, en vervolgens worden koolstofnanobuisjes elektroforetisch afgezet op de titaniumdioxidenanobuisjes. De resultaten geven aan dat het coaten van koolstofnanobuisjes op titaniumdioxidenanobuisjes hun bioactiviteit helpt verbeteren, waardoor dit type oppervlaktemodificatie geschikt wordt voor biomedische toepassingen.

5. Zuur-basebehandeling

Zuur-base-behandeling omvat het gebruik van chemische processen om een ​​stabiele verbinding te genereren of de oppervlaktemorfologie van het implantaat te veranderen door chemische of elektrochemische interacties met zure media. Zuuretsen is een fenomeen waarbij het oppervlak van het implantaat een verandering in de morfologie ondergaat als gevolg van chemische of elektrochemische interacties met zure media, waardoor het contact tussen het bot en het implantaat aanzienlijk wordt beïnvloed. Het is een betrouwbare methode voor oppervlaktemodificatie. Oppervlakken die zijn behandeld met een thermische alkalibehandeling vertonen kenmerken zoals een groot aantal geordende nanospikes en een sponsachtig uniform poreus binnennetwerk. Dit verbetert de collageensynthese in gingivale fibroblasten, wat resulteert in een goede weerstand tegen aanhechting van parodontaalachtig bindweefsel. Alkali-thermische behandeling kan het contact tussen bot en implantaat vergroten, effectief toegepast op thermisch gespoten titaniummetaal om de sterkte van de osseo-integratie te verbeteren.

6. Sol-Gel-methode

Bij de sol-gel-methode worden verbindingen met een hoge chemische activiteit als voorlopers gebruikt om onder vloeibare omstandigheden een uniform, transparant sol-systeem te creëren. Deze materialen worden vervolgens gelijkmatig gemengd, ondergaan hydrolyse- en condensatiereacties, vormen stabiele transparante sol-systemen en ontwikkelen zich uiteindelijk door veroudering tot gels. Na het drogen stolt het sinteren de gel, wat resulteert in moleculaire en zelfs nanogestructureerde materialen. Organische polymeren kunnen worden toegepast via de sol-gel-methode om biologische activiteit aan het oppervlak van titaniumdioxide te verlenen. Oppervlaktemodificatie met behulp van poly(ethyleenglycoltereftalaat) verbetert bijvoorbeeld de mechanische stabiliteit, biocompatibiliteit, uitstekend osseo-integratievermogen en botgeleidingsvermogen van het bot-implantaat contactoppervlak. De combinatie van zachte lithografie en sol-gel is een methode om micropatronen van biologisch actieve nanodeeltjes op implantaatoppervlakken te creëren, waardoor weefselregeneratie wordt begeleid. Door gebruik te maken van deze methode om een ​​dunne film van zirkoniumoxide met silicium van microgrootte te produceren, bleek het biocompatibel te zijn en in staat te zijn adhesie, proliferatie en verspreiding van osteoblasten te induceren. Het kan worden gebruikt om de regeneratie van parodontaal weefsel te begeleiden, waardoor de afzetting van dicht weefsel wordt bevorderd en tandvleesrecessie en peri-implantitis worden voorkomen.

Wat is biologische modificatie?

De afgelopen jaren is de biomodificatie van implantaten aan het oppervlak een onderzoekshotspot geworden, met als doel bioactieve functies te verlenen aan de coating van implantaten met een hoge mechanische stabiliteit. Tegelijkertijd is het doel om de structuur en de samenstellingskenmerken van natuurlijk bot na te bootsen om de botgroei beter te bevorderen. Hier volgen enkele introducties van verschillende methoden.

1. Zelfassemblagetechnologie

Zelfassemblage verwijst naar een techniek waarbij structurele basiseenheden spontaan geordende structuren vormen. De zelfassemblage-monolaagtechnologie op titaniumoppervlakken maakt gebruik van verschillende functionele groepen om biochemische middelen beter te immobiliseren, waardoor het chemische ontwerp van het oppervlak een zekere beheersbaarheid krijgt. Laag-voor-laag zelfassemblage omvat de afwisselende afzetting van meerdere lagen polyelektrolyt op een geladen substraat in een oplossing met een tegengesteld geladen polyelektrolyt. Door gebruik te maken van de laag-voor-laag-methode met chitosan/siRNA-functionaliserende titaniumoppervlakken, wisselen de bevochtigbaarheid, morfologie en ruwheid van het oppervlak elkaar af tijdens het filmvormingsproces, waardoor de osteogene celdifferentiatie aanzienlijk wordt bevorderd. Het maken van meerlaagse lysozymcoatings met behulp van zilveren nanodeeltjes, chitosan en hyaluronzuur als grondstoffen is een strategie voor het bereiden van langdurige antibacteriële meerlaagse coatings, waardoor vroege implantaatinfecties effectief worden voorkomen. Zelfassemblagetechnologie is eenvoudig, vereist geen speciale apparatuur en biedt controle op moleculair niveau van de membraanstructuur, wat de afgelopen jaren veel aandacht heeft gekregen.

2. Adsorptie van biomoleculen

Adsorptie verwijst naar het fenomeen waarbij moleculen of ionen in het omringende medium naar het oppervlak van het implantaat worden aangetrokken. Fysische adsorptie wordt voornamelijk bepaald door intermoleculaire krachten, terwijl chemische adsorptie afhankelijk is van chemische bindingen tussen moleculen. Door gebruik te maken van verankerende peptiden om biologische functionaliteit aan het implantaatoppervlak toe te voegen, vertonen specifieke oppervlaktebindende peptiden in het celkweekmedium een ​​stabiele adsorptie, waardoor de biocompatibiliteit van het implantaat wordt verbeterd. Chitosan, natriumalginaat verknoopt met chitosan, en pectine verknoopt met chitosan covalent gebonden aan titaniumoppervlakken kunnen de bevochtigbaarheid verbeteren en met chitosan gecoate oppervlakken voorzien van zwelling en geneesmiddelafgifte-eigenschappen. Het covalent fixeren van een polydopaminecoating met collageeneiwit kan ook een methode zijn om de oppervlakteprestaties te verbeteren. Vergeleken met fysieke adsorptie biedt chemische adsorptie, waarbij gebruik wordt gemaakt van de krachten van chemische bindingen, grotere adsorptie-energie en stabiliteit.

3. Bioactieve materiaalcoatings

Bioactieve materialen verwijzen over het algemeen naar niet-levende materialen die voor medische doeleinden worden gebruikt en bedoeld zijn om in contact te komen met levende weefsels en hun bioactieve functies te realiseren. Bioactief glas is een materiaal dat weefsels in het lichaam kan repareren, vervangen en regenereren, waardoor verbindingen tussen weefsels en materialen worden gevormd. De afbraakproducten ervan kunnen de aanmaak van groeifactoren en celproliferatie bevorderen, de genexpressie van osteoblasten verbeteren en de groei van botweefsel vergemakkelijken. Door het op implantaten te coaten kan veilig en effectief osseo-integratie worden bereikt, wat de ontwikkelingsrichting van coatingmaterialen voor tandheelkundige implantaten vertegenwoordigt.

Bovendien kunnen talrijke bioactieve geneesmiddelen worden gebruikt voor oppervlaktemodificatie van implantaten. Het coaten van titaniumimplantaten met een oplossing van polyethyleentereftalaat/1,25-dihydroxyvitamine D3 met behulp van elektrospintechnologie kan bijvoorbeeld deeltjes van submicrongrootte produceren die de botvorming stimuleren. Het aanbrengen van resveratrol, een ontstekingsremmend molecuul, voor oppervlaktemodificatie of coating op implantaten kan de botvorming versnellen. Het combineren van breedspectrumantibiotica, zoals streptomycine, op het oppervlak van implantaten kan de botvorming verbeteren en het risico op infecties rond de implantaten verminderen.

4. Biomimetische afzetting

Biomimetische afzetting bootst het mineralisatiemechanisme van hydroxyapatiet in het lichaam na. Hydroxyapatietcoatings zetten zich op natuurlijke wijze af op het substraatoppervlak in een wateroplossing onder omstandigheden die vergelijkbaar zijn met de lichaamsomgeving. Met behulp van mesenchymale stamcellen van beenmerg die in vitro zijn geïnduceerd op biomimetisch gemodificeerde oppervlakken van titaniumlegeringen, verbetert hun adhesievermogen en neemt de proliferatiesnelheid toe. Biomimetische afzetting van hydroxyapatiet op titaniumoppervlakken na behandeling met gemengd zuur kan biologische activiteit in titanium induceren. Bij het bestuderen van het effect van de gesimuleerde onderdompelingstijd van lichaamsvloeistoffen op de osteogene celactiviteit van geanodiseerde titanium nanobuisjes, bleek dat een onderdompeling van 3-uur optimaal was. Het 10 keer onderdompelen in de gesimuleerde lichaamsvloeistof is een snelle en economische technologie om de osseo-integratie van anodische titanium implantaten te verbeteren. Het bioactiviteitspotentieel van implantaten kan echter beperkt worden door overmatige en ongecontroleerde hydroxyapatietcoatings.

De bovengenoemde oppervlaktemodificaties van implantaten zijn de afgelopen jaren een onderzoekshotspot geweest. De methoden zijn divers en er is aanzienlijke vooruitgang geboekt bij het bevorderen van botvorming, osseo-integratie en infectieresistentie. Gecombineerde toepassingen kunnen leiden tot uitgebreidere prestaties en kunnen een trend zijn in de toekomstige onderzoeksontwikkeling.