Bioquímica del titanio

10 ODOntOLOGa vitaL ABRIL 2011

Rivera, J.M. (2011) Bioqumica del titanio. Odontologa Vital 1(14):10-22

Bioqumica del titanioBioqumica del titanio

Lic. Jos Manuel Rivera PrezProfesor de Bioqumica Oral

Universidad Latina

RE SU MENEl titanio, un metal de color gris plateado, es el elemento qumico nmero 22 de la tabla peridica; con una

configuracin electrnica [Ar] 4s2 3d2, que lo ubica como el segundo metal de transicin. Compite con el acero en aplicaciones tcnicas y es, aproximadamente, 1,7 veces ms ligero que este.

Se considera el cuarto metal estructural ms abundante en la Tierra y se utiliza en la tecnologa espacial, porque soporta condiciones extremas de fro y calor; y en la industria qumica, por su alta resistencia al ataque

de los cidos.

Otra cualidad del titanio es su resistencia a la oxidacin, debido a un proceso de pasivacin superficial, por formacin de una fina capa de TiO2, que impide el ulterior deterioro del metal. Este xido se puede encontrar

en la escoria de minerales de hierro y en las cenizas de animales y plantas, lo que resulta un indicio de su presencia en estos tejidos. El dixido de titanio es considerado no cancergeno en humanos por la Agencia

Internacional para la Investigacin del Cncer (IARC).

El titanio puede formar aleaciones con diversos metales, en especial con el circonio, que le confieren alta resistencia al deterioro en contacto con medios muy corrosivos, como pueden resultar los fluidos corporales.

Otra propiedad interesante del titanio es su dimorfismo, pues a temperatura ambiente su estructura interna es del tipo hexagonal compacta, denominada fase alfa, pero a temperaturas superiores a 882C se transforma en cbica centrada en el cuerpo o forma beta. La combinacin de ambas formas, mediante tratamientos trmicos

controlados, permite mejorar las cualidades del metal.

Los tejidos toleran su presencia sin rechazo, ni reacciones alrgicas del sistema inmunitario. Esa biocompatibilidad, unida a su inercia qumica, dureza, ligereza y resistencia a la corrosin, posibilitan que

pueda ser empleado en instrumentos quirrgicos e implantes.

Su resistencia a las fuerzas de tensin es semejante a las del acero de alta calidad, y puede tolerar mayores cargas que la dentina o cualquier material seo. Adems, su plasticidad y maleabilidad le permiten absorber

impactos de alta carga, sin deformaciones. Tambin se ha observado el crecimiento de tejido conectivo sobre la superficie del metal, lo que le confiere cualidades de material bioactivo.

PalaBRaS clavEBiocompatible, osteointegracin, superficie bioactiva, granallado, pasivacin.

aBSTRacTThe titanium, a metal of silver-plated gray color, is the chemical element number 22 of the periodic table; with an electron configuration [Ar] 4s2 3d2, located that it like the second metal of transition. It competes with the

steel in technical applications and is, approximately, 1.7 times lighter than this.

La naturaleza tiene cosas curiosas; hay ms de cien elementos en la tabla peridica, pero solo el carbono es la columna vertebral de la qumica orgnica; el silicio que aparece debajo del carbono, reina en el mundo mineral y dio lugar a uno de los mayores inventos del hombre,

las computadoras; y un metal de transicin ha resultado eficiente para implantes dentales: el titanio. son cosas curiosas, pero solo Dios sabe el por qu.

11ABRIL 2011 ODOntOLOGa vitaL


The fourth more abundant structural Earth metal is considered and it is used in the space technology, because it supports to extreme conditions of cold and heat; and in the chemical industry, by its high resistance to the

attack of acids.

Another quality of titanium is its resistance to the oxidation due to a process of superficial passivation, by formation of a fine layer of TiO2 that prevents the later deterioration of the metal. This oxide can be found in

the iron mineral dreg and in animal ashes and plant, which is an indication from its presence in these weaves. Titanium dioxide is considered in humans by the Agency the International for the Investigation of Cancer non

cancerigenic (IARC).

The titanium can form alloys with diverse metals, especially with the zirconium, that confers to him high resistance to the deterioration in contact with very corrosive means, as the corporal fluids can be.

Another interesting property of titanium is its dimorphism, because to room temperature its internal structure is of the compact hexagonal type, denominated alpha phase, but to temperatures superiors to 882C it is transformed into cubical centered the body or forms beta. The combination of both forms, by means of

controlled heat treatments, allows to improve the qualities of the metal.

The weaves tolerate their presence without rejection, nor allergic reactions of the immune system. This biocompatibility, together with their chemical inertia, hardness, lightness and corrosion resistance makes

possible that it can be used in surgical instruments and you implant.

Their resistance to the tension forces is similar to those of the steel of high quality and can tolerate majors loads that the dentine or any bony material. In addition, their plasticity and malleability allow him to absorb

impacts of high load, without deformations. Also the growth of connective weave has been observed on the surface of the metal, which confers qualities to him of bioactive material.

KEy WoRdSBiocompatible, osteointegration, bioactive surface, shotpeened, passivation.

DIRECCIONES DE INTERS EN INTERNET

Odontologa Vital:http://odontologia-vital.ulatina.ac.cr/

Universidad Latina de Costa Rica:http://www.ulatina.ac.cr/

INTRodUccIN

Cuando observamos los sntomas de una enfermedad; constatamos los efectos positivos de un medica-mento; o se manifiestan las cuali-dades de un material empleado en procesos restaurativos; debemos pensar entonces que esas eviden-cias tienen una base molecular, que la explicacin a esos hechos tiene su fundamento en la estruc-tura interna de las sustancias y

materiales empleados para resti-tuir los estados de salud; y que el manejo de una patologa y el dise-o de tratamientos especficos, no seran posibles sin el conocimiento de los procesos bioqumicos aso-ciados al desarrollo de esos estados de enfermedad.

Un objetivo central del desarro-llo teraputico consiste en la pre-servacin de los estados de salud, mediante la medicina preventiva;

la eliminacin de las condiciones que sostienen los estados patol-gicos, mediante tratamientos efi-caces, que minimicen los efectos adversos de la quimioterapia y ra-dioterapia; y el empleo de tcni-cas restaurativas que devuelvan la funcionalidad y esttica a rganos corporales.

En este sentido, la presente revi-sin pretende mostrar las princi-pales cualidades de un material,


que justifican su exitosa utilizacin en la implantologa oral: el titanio comercialmente puro (Ticp). El xito de este material ha rebasado la restauracin de la funcionalidad y esttica oral, y ha tenido una pro-funda repercusin en el estado de nimo y autoestima de los pacien-tes que han recibido esos implan-tes.

Un primera aproximacin al tema consiste en establecer por qu ante una correcta tcnica implan-tolgica, nuestro organismo no puede diferenciar entre la pieza metlica incrustada y el desarrollo de nueva matriz extracelular y teji-do conectivo, como el hueso fisio-lgico? Sin duda, que la respuesta a esta pregunta se relaciona con las cualidades del Ticp, que lo hacen muy semejante al hueso propician-do la osteointegracin sobre su su-perficie bioactiva (Vanegas, J.C., 2009) (figura 1).

Una propiedad interesante, al efec-to de esta revisin, es la biocom-patibilidad; o sea, diferentes tipos de tejidos toleran su presencia sin desarrollar rechazo ni alteracin del sistema inmune; cualidad que justifica su empleo en prtesis e implantes en la industria de bio-materiales, lo que unido a otras propiedades del material, justifi-


can el lugar que ocupa en la im-plantologa oral (figura 2).

Otra cualidad importante es que no se informa sobre daos toxico-lgicos por el uso del titanio puro o en forma de xido, aunque se refie-ren dificultades para respirar, tos y dolor en el pecho por sobreexposi-cin al polvo respirable de titanio. Tambin en contacto con la piel y los ojos puede producir irritacin; aunque como ya se ha expresado, no se le considera cancergeno.

Propiedades magnticas del titanioLas propiedades magnticas de los metales y sus compuestos depen-den de la distribucin electrnica del elemento, porque los giros o espines de los electrones generan diminutos campos magnticos, que se oponen a un campo mag-ntico externo en las sustancias diamagnticas o se orientan en la direccin del campo externo en las paramagnticas. La oposicin de los campos ocasiona repulsin y la combinacin de los campos atrac-cin (figura 3).

El comportamiento de los meta-les frente a un campo magntico fue descrito por Michael Faraday en 1845. Y hoy se relacionan con

la forma en que se distribuyen los electrones de las especies que pre-sentan estas propiedades (Huheey, 2005).

Al titanio se le considera un ele-mento paramagntico; o sea, no experimenta una magnetizacin permanente cuando se le somete a un fuerte campo magntico, ya que una vez que cesa el campo mag-ntico aplicado no queda perma-nentemente magnetizado, como ocurre con otros metales como el hierro. Esta cualidad se debe a su configuracin electrnica y es tpi-ca de varios metales de transicin.

Los metales de transicin llenan el subnivel d que con sus cinco or-bitales puede albergar diez electro-nes, pero en la mayora de los casos presentan electrones no pareados, responsables del paramagnetismo, como es el caso del titanio.

Un metal de transicin, que perte-nece a la misma serie IV de los ele-mentos de transicin, al igual que el titanio, es el cinc; que presenta

Figura 1. El metabolismo del hueso no se inhibe ante los implantes de titanio

Figura 2. La biocompatibilidad de los implantes de titanio se basan en las cualidades del material y el diseo de las piezas.

Figura 3. La muestra paramagntica (electrones desapareados) es atrada por el imn. La diamagntica (electrones pareados) experimenta cierta repulsin. Las variaciones aparentes del peso de las muestras, debido a la interaccin entre los campos magnticos externo y el inducido en la sustancia, alteran el equilibrio de una balanza sensible.



los subniveles externos con todos los electrones pareados, lo que le confiere propiedades diamagnti-cas.

Hay metales como el hierro, otro elemento de la serie del titanio, que tienen una gran cantidad de electrones no pareados, lo cual se traduce en un gran incremento de su paramagnetismo, por lo que ex-perimentan una fuerte atraccin por un campo magntico externo, propiedad que se conoce como fe-rromagnetismo.

El paramagnetismo moderado le confiere al titanio una alta per-meabilidad a los campos magn-ticos externos, porque al no repe-ler la accin de estos campos, su respuesta magntica se acopla al campo externo y no se imanta por efecto de este. As, las personas con implantes del metal no experimen-ten molestias por las fluctuaciones del campo magntico terrestre, como sucede con las prtesis de platino durante la luna llena, por ser este ltimo, menos permeable al campo magntico externo.

El titanio tiene la cantidad ade-cuada de electrones sin parear, ni muchos como el hierro, que lo imantara en presencia de cam-pos magnticos externos fuertes, ni ninguno como el cinc, que ori-ginara cierta repulsin y baja per-meabilidad a los cambios del cam-po magntico externo.

oTRaS cUalIdadES dEl TITa-NIo

Es conocido que los fluidos corpo-rales puede afectar la estructura de muchos metales, lo que originara

liberacin de iones metlicos que produciran un efecto txico en los tejidos, pero la superficie recin conformada de una pieza de tita-nio forma, rpidamente, una capa de xido muy inerte, que protege al metal de un deterioro posterior.

Este proceso de formacin inme-diata de xido inerte en la superfi-cie del metal se conoce como pasi-vacin. Incluso, a pH ligeramente alcalino, el titanio experimenta un bajo grado de liberacin de iones. Tambin su resistencia a los cidos metablicos contribuye a la pasi-vacin superficial.

El titanio tiene otra cualidad, co-mn a otros metales de transicin, y es su capacidad para formar complejos de coordinacin con ligando donadores de electrones. Estos complejos tienen una geo-metra octadrica, donde el ion del metal se une mediante seis enlaces covalentes coordinados o dativos a los tomos donadores de los ligan-dos, que en el caso de los implantes seran protenas de los fluidos ex-tracelulares (figura 4).

alEacIoNES dE TITaNIo

De titanio se comercializa una gran variedad de productos, desde ba-rras y lminas hasta vlvulas. En principio, se puede fabricar cual-quier componente metlico, que se confeccionan con titanio puro o sus aleaciones. El titanio presenta dimorfismo o variedades alotr-picas (figura 5), lo que significa que a temperatura ambiente tie-ne estructura hexagonal compac-ta, llamada fase ; pero cuando se calienta por encima de 882C se transforma en una estructura cbi-ca centrada en el cuerpo, denomi-nada fase , menos compacta. Si se enfra rpidamente forma una fase cristalina, en forma de placas, semejante al mineral martensita, que es frgil. Por esta razn, en los tratamientos trmicos del metal y sus aleaciones se evitan los en-friamientos rpidos desde la fase (Long, 1968).

Un hecho que llama la atencin en la estructura interna del titanio, es que su fase hexagonal compacta, que prevalece a temperatura am-biente, se asemeja a la unidad del cristal de hidroxiapatita, que tam-bin presenta una estructura hexa-gonal.

HIdRoxIaPaTITaS

Las apatitas constituyen una fa-milia cristalogrfica de compues-tos isomorfos, con una estructura

Figura 4. Los iones de titanio libera-dos mediante el recubrimiento de TiO

2

forman complejos de coordinacin (quelacin), con protenas de los fluidos extracelulares. Este proceso de quelacin se produce por la disolucin de una cierta cantidad del titanio metlico, pero al atraer a esas protenas se origina una red compacta alrededor de la superficie del metal, que controla la liberacin del ion y tambin evita una oxidacin a fondo de la superficie, porque dificulta la difusin excesiva del oxgeno, logrando pasivacin sin corrosin ulterior del implante.

Figura 5. Estructura hexagonal compacta (izquierda): un tomo del metal en cada vrtice del prisma hexagonal, uno en cada base del prisma y tres dentro de la celda unitaria. Estructura cbica centrada en el cuerpo (derecha): un tomo del metal en cada vrtice del cubo y uno en el centro del cubo. Hay mayor agregacin de to-mos del metal en la hexagonal compacta.



bonato, y la conduccin de agua y otras molculas pequeas a travs de esos microtneles (figura 7).

La hidroxiapatita sinttica tiene aplicacin como material para revestimiento de prtesis y en la elaboracin de sustitutos seos; como es el caso de cermicas fos-foclcicas y cementos inicos. Es un material biocompatible susti-tuto del hueso en recubrimientos y rellenos, y tambin se emplea en composites de uso odontolgico (Hsiech, 2001).

Los cristales de hidroxiapatita de elevada pureza se han obtenido in vitro por precipitacin, utilizando fosfato dicido de amonio NH4H-

2PO4 y nitrato de calcio tetrahidra-

tado, Ca (NO3)

2 4 H

2O. Con estos

reactivos, la obtencin de hidroxia-patita biocompatible, se logra con-trolando el pH entre 10 y 11, con un buffer de amonio-amonaco, aadiendo el nitrato de calcio, ms soluble, poco a poco sobre el fosfa-to dicido de amonio, y dejando el sistema en reposo, como mnimo cinco das.

IMPlaNTES dENTalES

Los implantes dentales se prefieren a base de titanio, porque no crean

rechazo con los tejidos, con lo que demuestran ser biocompatibles. En el caso de los implantes denta-les se emplea, con frecuencia, la aleacin Ti6Al4V, que es del tipo + ; o sea, en su composicin entran las dos formas aleotrpicas principales del titanio, lo que se lo-gra mediante tratamientos trmi-cos controlados. La presencia del aluminio eleva la temperatura de transicin entre las formas alotrpicas y y el va-nadio la disminuye, con lo que se logra un equilibrio que redunda en mejores propiedades mecnicas de la aleacin. Estas se fabrican con diferentes grados o contenidos de oxgeno, lo cual tambin influye en sus propiedades. Una composicin tpica de la aleacin Ti6Al4V, obte-nida por espectrometra de fluo-rescencia de R-X de energa dis-persa, se muestra a continuacin (Andrade, 2007).

Entre las principales cualidades de la aleacin Ti6Al4V, se encuentran que posee una baja densidad, bue-nas propiedades mecnicas para la conformacin de piezas con su-perficies lisas o rugosas, elevada resistencia a la corrosin y adecua-da capacidad osteognica (Ahmad, 1999).

Un problema que presenta la Ti6Al4V es su baja resistencia al desgaste, incluso frente al roce con tejidos blandos, por lo que se es-tn desarrollando tratamientos de

bsica hexagonal. Estos minerales admiten cambios de composicin sin afectar su estructura cristalina, que responde a la frmula general Me

3 (XO4)6(Y)2. Estos cambios en la

estructura interna del mineral, se denominan reemplazos isomrfi-cos.

Dos minerales de esta familia, la hidroxiapatita, Ca

10 (PO4)6(OH)2 y

la fluorapatita, Ca10

(PO4)6(F)2, me-nos soluble y de mayor dureza; son constituyentes importantes de los tejidos mineralizados del dien-te. La hidroxiapatita de huesos y dientes es una formacin crista-lina constituida por una relacin 3:1 de fosfato de calcio Ca

3 (PO4)2 e

hidrxido de calcio Ca(OH)2, agru-

pados en una estructura hexagonal de gran tamao, que se diferencia de otros fosfatos de calcio amorfos (figura 6).

Las macroestructuras cristalinas de esas apatitas, componen api-lamientos de los grupos fosfatos alrededor de los iones calcio, que constituyen armazones tridimen-sionales en forma de tneles, pare-cidos a los minerales de silicio del tipo zeolitas. Esta disposicin per-mite el intercambio de iones como hidrxido, fluoruro, cloruro y car-

Figura 6. Estructura cristalina hexagonal de la hidroxiapatita. Las tres unidades de fosfato de calcio, Ca

3 (PO4)2, se unen

mediante fuerzas intermoleculares a la unidad central de hidrxido de calcio, Ca(OH)

2 , y constituyen el cristal hexago-

nal.

Figura 7. Las armazones polidricas abier-tas que dan lugar a tneles diminutos en ciertos silicatos y apatitas, propician el tamizado o conduccin de especies qumicas a travs de esas estructuras.



TiNbZr, debido a la menor toxici-dad de estos metales acompaan-tes; adems, el mdulo de elastici-dad de estas nuevas aleaciones es menor que el de Ti6Al4V, lo que la hace ms parecida a las caracte-rsticas de los huesos en las que se debe implantar (Estvez, 2007)

La fijacin de iones calcio a la es-tructura puede atraer protenas de la matriz extracelular, como la al-bmina y la osteocalcina, con fuer-te carga negativa, y el calcio sirve como puente de unin entre las protenas y la superficie de titanio. La polaridad negativa de las prote-nas, que propicia captacin de Ca+2 y otros minerales electropositivos, se debe a que el pH del medio fisio-lgico se encuentra por encima del punto isoelctrico (pI ) de las pro-tenas. En el caso de la albmina, el punto isoelctrico se encuentra entre 4,4 y 5,4; lo cual determina la fuerte carga negativa neta de esta protena a pH plasmtico, que se encuentra normalmente entre 7,35 y 7,45 (figura 9).

SUPERfIcIE dE loS IMPlaNTES

Uno de los mayores retos en la in-dustria de los implantes lo cons-tituye, sin duda, la superficie, de la cual depende, en gran medida, el xito clnico del implante, por cuanto, es el lugar donde se desa-rrolla una intensa actividad bioqu-mica. Las superficies deben garan-tizar el xito cuando se trabaja con

nitrurado de la superficie de esta aleacin, para aumentar su resis-tencia al desgaste.

El nitrurado consiste en difundir nitrgeno a elevadas temperatura, para que penetre en la superficie de la aleacin y forme un nitruro de titanio (Ti

3N

2). Se considera que

la capa de nitruro y los cambios microestructurales en la superficie por el tratamiento trmico, son los responsables del incremento de la dureza superficial (King, 2010).

El titanio y sus aleaciones pueden ser sometidos a tratamientos elec-troqumicos de anodizado, que modifican el grosor y la porosidad de la capa de xido protectora, que recubre su superficie. La forma-cin de esta capa produce un efec-to de pasivacin de la superficie, que evita la corrosin y liberacin de iones potencialmente txicos, cuando los implantes entran en contacto con los fluidos y tejidos (figura 8).

A pesar de la presencia de la capa de xido, se han encontrado cier-tos niveles de iones metlicos Al+3 y V+2 (tambin +3; +4 y +5), en el plas-ma y la orina de personas implan-tadas; estas especies pueden resul-tar citotxicas y causar afecciones nerviosas. Por esta razn, se estn desarrollando aleaciones de titanio con niobio y circonio, Tiadyne,

protocolos de carga inmediata, o en zonas de poca densidad sea.

El contacto de la superficie del im-plante con el medio acuoso de los fluidos, desarrolla la oxidacin ini-cial, que propicia el proceso de hi-dratacin y llegada de iones como el Ca+2 atrado por la carga negativa del xido. A continuacin, las pro-tenas negativas interactan con el mineral electropositivo y, si el cam-bio de conformacin no las desna-turaliza, propician el acercamiento celular mediante interaccin con los receptores de membrana (figu-ra 10)

Inicialmente, las superficies ms empleadas y documentadas se preparaban de forma puramente mecnica en tornos, para lograr cierta rugosidad que permitiera la integracin, pero las prdidas en el hueso de baja densidad orientaron la investigacin hacia las mejoras en el tratamiento superficial.

Numerosos estudios con cultivos celulares, han documentado la in-fluencia de la rugosidad superficial del implante en el metabolismo de la interfase implante-hueso. Se ha establecido que de las seales que reciben de la superficie del implan-te, dependen el crecimiento y dife-renciacin del linaje de osteoblas-tos en la interfase y la produccin y depsito de matriz sea; por lo que

Figura 10. Secuencia de la interaccin de la superficie del implante y el medio interno. Del crecimiento protenico en el medio acuoso mineralizado depender la interaccin con el tejido y con ello la biomineralizacin del implante.

Figura 9. A un pH menor que el punto isoelctrico, el medio cido neutraliza los grupos negativos y la carga neta de la pro-tena es (+); por el contrario, a pH mayor que el punto isoelctrico, los grupos posi-tivos de la protena se neutralizan con los hidroxilos del medio, y la carga neta de la protena es (-).

Figura 8. Resultados in vitro muestran que una solucin de NaH

2PO4 incorpo-

ra fosfato a la superficie de titanio por formacin de enlace Ti-O-P; cuando se incorpora CaCl

2 a la solucin del fosfato,

tambin se unen iones calcio al sistema superficial. Estas modificaciones estruc-turales de la capa de xido protegen a la pieza metlica de degradaciones por oxidacin y promueven la osteointegra-cin del implante.



se habla de afinidad de estas clu-las por el tipo de rugosidad rugofi-lia (Cooper, 2001).

Se han desarrollado diversos m-todos de tratamientos superficia-les para lograr una oxidacin in-crementada; a los efectos de dotar al titanio de alta capacidad para la bioactividad, entre ellos se en-cuentran: tratamientos trmicos, implantacin de iones, oxidacin electroqumica, procedimientos con cidos y lcalis y otros combi-nados ( Roynesdal, 2001).

Estos tratamientos han logrado superficies con rugosidades ms ptimas que el simple mecanizado en tornos, las cuales aceleran la os-teoconduccin, estimulando la lle-gada de brotes capilares y clulas perivasculares osteoprogenitoras a la superficie del implante.

El carcter osteoflico de las lti-mas generaciones de superficies implantarias se asocia con mi-crorregularidades obtenidas por diversas tcnicas, pero dos super-ficies con la misma rugosidad no necesariamente inducirn igual respuesta biolgica, porque hay otros factores fsicoqumicos de la superficie, que influyen en la bioactividad y resistencia del im-plante a largo plazo. En este senti-do, se considera que las superficies con mejores cualidades bioactivas tienen recubrimiento de hidroxia-patita o estn fluorizadas (Colomi-na, 2006).

Un estudio en 56 pacientes, entre 28 y 81 aos con implantes some-tidos a carga funcional a las ocho semanas de insercin, tuvo 98,56% de xito, por lo que sugiere la car-ga precoz, con previa planificacin y seleccin de los casos (Martnez, J.M., 2004).

Los implantes utilizados en este estudio (donde se discriminaron personas con enfermedades sist-

micas, sometidas a medicamen-tacin frecuente, como diabetes e hipertensin, o que presentaban enfermedades orales) fueron so-metidos a tratamiento con un pri-mer grabado con cido fluorhdri-co y un segundo grabado con cido fluorhdrico/cido ntrico. El cido ntrico es un buen agente oxidante, lo que mejora la pasivacin de la superficie, al impedir la liberacin de iones titanio al entorno del im-plante (figura 11)

En ocasiones, las superficies de ti-tanio se convierten en bioactivas, mediante un tratamiento termo-qumico que alterna reaccin con NaOH para formar titanato de so-dio (Na

2TiO

3), una sustancia gelati-

nosa, densa y amorfa, que se utili-za como material de enlace y unin entre diferentes componentes de las mezclas cermicas.

La capa superficial de xido de ti-tanio reacciona con el hidrxido y forma el gel; despus se aplican al-tas temperaturas, las cuales provo-can la deshidratacin y el endure-cimiento del gel, que lo transforma en una estructura cristalina octa-drica activa para la unin con apa-titas y protenas de la matriz extra-celular, y sirven de conexin con el hueso fisiolgico y la proliferacin osteoblstica.

La calcinacin del titanato de sodio en condiciones controladas provee

un tamao adecuado de cristales, que propicia la bioactividad de la superficie. Las uniones en las inter-fases superficiales se fundamentan en el enlace TiOMetalProtena.

Estos tratamientos superficiales han mejorado los procesos de ad-hesin y diferenciacin de osteo-blastos en la interfase con los im-plantes. As los nuevos implantes para usos clnicos de carga inme-diata, consideran las piezas rugo-sas y bioactivas (Puleo, 2006).

En la interfase implante- hueso se desarrolla una serie de eventos bioqumicos durante el proceso de cicatrizacin y formacin de hue-so nuevo (figura 12). El xito de la unin mediante esa interfase de-pende de la osteoinduccin, que consiste en la colonizacin de la superficie del implante por clulas formadoras de la matriz sea, y de la posterior osteoconduccin, que implica la formacin de hueso so-bre la superficie del implante. Una fuerte conexin entre el hueso y el implante, mediante la interfase, evita la formacin de tejido fibroso, en lugar de tejido seo, lo que, de producirse, conducira al fracaso del implante.

Una adecuada superficie de im-plante dental no slo debe poseer una morfologa superficial, carac-terizada por la presencia de patro-nes de rugosidad semejante a los de la superficie del hueso in vivo, sino tambin un recubrimiento os-

Figura 11. Intercambio inico en la superficie fluorizada del titanio. El flor se intercambia con el fosfato de tejido pe-rifrico mineralizado. Los iones fluoruros libres se incorporan al mineral cristalino como fluorapatita.



teoconductivo, que proporcione la respuesta bioactiva.

Los principales factores que con-dicionan la osteointegracin de los implantes dentales, aparecen en la figura 13. En este sentido, tambin se debe considerar una correcta tcnica quirrgica, la ptima dis-tribucin de la carga entre el hueso y el implante, y el sellado biolgico gingival entre los tejidos blandos y la pieza implantada, para evitar la entrada de restos de alimentos, bacterias y toxinas a la cavidad al-veolar, que tendra efectos nefastos sobre la implantacin.

Ensayos in vitro, utilizando sustra-tos de aleaciones Ti6Al4V, han de-mostrado mayor adhesin de c-lulas osteoblsticas, en cultivos de 24 horas, para superficies HA/TCP y TCP + cido, los que han demos-trado una mejor osteoinduccin de esas superficies en relacin con las maquinadas o las SBAE.

En esos ensayos, la mejor prolifera-cin celular se observ sobre la su-perficie HA/TCP, en un perodo de 7 das. Tambin la mayor biomine-ralizacin se produjo sobre esta su-perficie, en un perodo de 10 a 15 das. Las determinaciones en estas pruebas se realizaron con tcnicas de inmunoensayo y de microsco-pa (Vanegas, 2010).

MaTRIz ExTRacElUlaR (MEc)

Es una compleja red de macro-molculas, que proporciona una armazn estable y elstica con implicaciones en la proliferacin, diferenciacin, migracin e inte-racciones entre clulas del tejido conectivo. Las clulas del tejido co-nectivo, fibroblastos, condrocitos y epiteliales secretan los diferentes tipos de colgenos, que es la prin-cipal protena de la MEC; elastina; glucoprotenas, como fibronectina y lamininas; y proteoglucanos for-madores de gel, como cido hialu-rnico, condroitin sulfatos, hepari-na, etc.

Las diferentes macromolculas se agrupan de forma muy densa, y constituye un lecho tridimensio-nal gelatinoso que rodea al teji-do conectivo (figura 14 y 15). Los componentes protenicos de esa red envolvente, estn conectados a la superficie celular y transmiten seales generadas por tensin y compresin tisular, que constitu-yen vas de comunicacin entre los ambientes celulares. Los errores en el recambio y composicin de la MEC ocasionan artritis, ateroscle-rosis, fibrosis y cncer.

La carga negativa de las macromo-lculas de la MEC, glucoprotenas y proteoglucanos, aumenta la capa-cidad de captacin de iones positi-vos como el Ca+2; lo que constituye un evento decisivo en la minerali-zacin sea. De lo anterior, se pue-de deducir que el proceso de cal-cificacin del hueso, as como la osteointegracin que se desarrolla alrededor de los materiales de im-plantes, se relacionan, necesaria-mente, con la MEC.

Figura 13. La superficie HA/TPC se recu-bre con hidroxiapatita y trifosfato clcico; la TCP + cido es recubierta con trifosfato clcico y se le hace un tratamiento de grabado cido; la SBAE se trata con una tcnica de abrasin, a base de chorros de arena y grabado cido

Figura 12. La secuencia de estos eventos puede ser alterada por la interaccin del mate-rial del implante con los tejidos.

Figura 14. La MEC forma un lecho gela-tinoso tridimensional en el que medran las clulas. Los proteoglucanos y el cido hialurnico forman una estructura en forma de escobilla, denominada agrecn, que proporciona resistencia y elasticidad al tejido conectivo, incluido el seo y el cartlago. En esas estructuras de escobillas se hallan incluidos el colgeno y otros componentes de la MEC.



METaBolISMo dEl ca+2 y El HUESo

El hueso es un tejido conectivo es-pecializado, que junto con el cart-lago, forman el sistema esqueltico y es un sitio de actividad metabli-ca considerable (figura 16).

El hueso externo, cortical o com-pacto es grueso y muy calcificado y el subyacente, trabecular o es-ponjoso, forma una trama delgada a modo de panal de abejas y est calcificado en su cara interna. El hueso trabecular se encuentra en la epfisis de los largos, en el diploe

de huesos planos y entre las dos ta-blas compactas de los cortos y vr-tebras (figura 17).

El colgeno y la hidroxiapatita son los componentes principales de la matriz sea, los cristales de hi-droxiapatita [Ca

10(PO4)6(OH)2] se

intercalan en el interior y entre las fibras de colgeno, la unin de la hidroxiapatita al colgeno y la cal-cificacin del hueso se controlan, en parte, por glucoprotenas y pro-teoglucanos con elevada capaci-dad para fijar iones metlicos.

El colgeno es el componente pro-tenico ms abundante en el tejido conjuntivo del ser humano, donde se han identificado unos 28 tipos constituidos por ms de 30 cade-nas de polipptidos, cada una co-dificada por un gen diferente. Las fibras de colgeno se entrecruzan y empaquetan en forma de lminas, que le portan fuerza fibrilar y pro-picia la mineralizacin de la matriz sea, y convierten al tejido seo en el principal reservorio de calcio (fi-gura 18).

El osteoide es una matriz orgnica no calcificada dentro del hueso que se va mineralizando mediante un proceso equilibrado entre los os-teoblastos, que son clulas forma-doras de hueso y los osteoclastos, clulas gigantes multinucleadas que se ubican en la superficie en-dstica del hueso, en los sistemas de Havers y en las superficies pe-risticas y que desarrollan la reab-sorcin sea. Esto significa que el tejido seo desarrolla una intensa actividad metablica, con un cons-tante intercambio de pequeas cantidades de calcio entre el hueso y el lquido extracelular, que impli-ca una remodelacin sea cons-tante, proceso que posibilita la os-teointegracin de los materiales de implantes.

Un tercer tipo celular del tejido seo son los osteocitos, que se ha-llan en las lagunas osteocticas del hueso maduro y se derivan de los osteoblastos (figura 19).

Figura 15. Dibujo de la estructura de agrecn, donde se puntualizan los com-ponentes principales del agregado y se observa la gran cantidad de monmeros que se unen a la cadena principal de cido hialurnico, mediante las prote-nas de enlace. Este tipo de estructura es semejante al entramado de varillas que se coloca en el hormign armado, para conferirle resistencia contra la fractura a las paredes de carga

Figura 17. El hueso cortical externo (1) rodea al trabecular interior (2), el sistema haversiano (3) tiene un canal central que contiene un paquete neurovascular; fibra de colgeno(4); canal de Havers (5); canal de Volkmann (6); periostio (7); revesti-miento seo (8); vasos del periostio (9); osteoclastos (10); osteoblastos (11); osteo-citos (12). Tomado de: www.monografias.com/.../osteop/Image693.jpg

Figura 18. El entrecruzamiento de las triples hlices del colgeno fibrilar proporciona una gran resistencia a la tensin en la piel, tendones y ligamentos. El colgeno tipo I constituye del 90% al 95% de las protenas de la matriz sea y se empaqueta en forma de fibrillas, que fijan cristales de hidroxiapatita. La unin del colgeno y los cristales del mineral se facilita por la presencia de glucoprotenas y proteoglucanos con alta capacidad para fijar iones.

Figura 16. Diferentes formas de estructu-racin del tejido seo.



Los osteoblastos segregan prote-nas empaquetadas que se mine-ralizan rpidamente en la matriz sea, y aportan fosfatasa alcalina que destruye al pirofosfato, un fac-tor inhibidor de la mineralizacin sea, que puede actuar como li-gando secuestrador de Ca+2. Con su accin la fosfatasa alcalina contri-buye a los depsitos de calcio en la matriz del hueso.

La resorcin se equilibra con la formacin en el ciclo de remodela-cin sea, esta actividad osteocls-tica es mediada por enzimas liso-smicas, colagenasas y captesinas a un pH acdico; por esta razn, los productos de degradacin del colgeno como los telopptidos NTX y CTX, constituyen marcado-res bioqumicos de la degradacin del hueso. Resulta evidente que el pH de los tejidos es un factor que afecta la remodelacin sea; por cuanto la mineralizacin se ve fa-vorecida a pH ligeramente bsico y la resorcin a pH con tendencia cida (Murray, 2010).

El calcio es el mineral ms abun-dante en nuestro cuerpo y consti-tuye un importante regulador de procesos metablicos, adems de ser un constituyente importante en el tejido seo y dentario (figura 20).

Debido a su accin mediadora, los niveles de calcio dentro de las clu-las se deben mantener bajos, y son unas 104 veces menores que en el

lquido extracelular, el movimien-to del ion a travs de las membra-nas celulares est regulado por la bomba de Ca+2. Dentro de la clu-las el Ca+2 se deposita en el retculo endoplasmtico (calciosomas) y su salida al citosol es mediada por el 1, 4, 5-trifosfato de inositol. La re-gulacin del calcio extracelular es complicada y contempla a las hor-monas paratiroides, la calcitonina y el calcitriol, forma activa de la vi-tamina D (figura 21).

vITaMINa d

Aunque se denomina vitamina, en realidad desempea una funcin hormonal en el metabolismo del calcio. Se sintetiza en la piel por va fotoqumica, y slo cuando la exposicin al Sol es deficiente se requiere en la dieta.

La forma natural de la vitamina D activa a concentraciones fisiolgi-cas es la 1,25-(OH)

2 D

3 o calcitriol,

los procesos de hidroxilacin de-penden de funcin heptica y renal (figura 22).

En la sntesis de vitamina D se rea-liza una retroalimentacin negati-va cuando el calcitriol induce una 25-hidroxilasa y reprime la 1-hi-droxilasa renal. La principal fun-cin del 1,25-(OH)

2 D

3 es mantener

una concentracin fisiolgica de

calcio plasmtico y fosfato, me-diante:

Incremento de la absorcin in-testinal.

Estimular la resorcin renal de calcio en los tbulos distales.

Disminucin de la excrecin re-nal del catin.

Movilizar el mineral seo.

Debido a su liposolubilidad la ac-cin sobre la absorcin y homeos-tasis del calcio est mediada por receptores intracelulares, ya que puede permear membranas y for-mar un complejo H-R que activa genes, induciendo la sntesis de protenas transportadoras de cal-cio en el intestino y las clulas de los tbulos renales (figura 23).

clUlaS SEaS

La estructura dinmica del hueso se remodela de forma continua, mediante depsito osteoblstico y reabsorcin osteoclstica, lo cual permite la adaptacin del tejido seo a seales fsicas, como los in-crementos de carga y a la accin hormonal. Esta actividad propicia la osteointegracin de los implan-tes de titanio al hueso alveolar (fi-gura 24).

Figura 21. Antagonismo hormonal en el control del Ca+2. PTH aumenta calcio plasmtico y calcitonina lo disminuye. El calcitriol media la absorcin de calcio intestinal. La accin de las hormonas de la paratiroides se desarrolla mediante un mecanismo de transduccin de sea-les mediado por el segundo mensajero AMPcclico.

Figura 19. Componentes formes del tejido seo

Figura 20. Procesos donde interviene el ion calcio.



PolIfoSfaToS

Los fosfatos superiores, como el pirofosfato, presente en la matriz extracelular, son ligandos poliden-tados, que actan como agentes secuestradores de iones, como el Ca+2. Cuando el ligando rodea al ion metlico, forma complejos de coordinacin cclicos tipo quela-to muy estables, lo que provoca la inhibicin del proceso de minera-lizacin del osteoide. La fosfatasa alcalina secretada por los osteo-blastos destruye el pirofosfato, y permite que se efecte la minera-lizacin (figura 25).

La actividad de remodelacin del hueso por la accin equilibrada de osteoblastos y osteoclastos, se pue-de monitorear por la presencia de ciertas sustancias en el suero (figu-ra 26)

La remodelacin sea implica un intercambio constante de cal-cio entre el hueso y el LEC, lo que mantiene un equilibrio de minera-lizacin entre el hueso nuevo y el reabsorbido. En este proceso con-tinuo, la actividad de las clulas seas es controlada por una serie de seales qumicas que propician un equilibrio (figura 27).

Figura 22. La actividad de la 1-- hi-droxilasa, la enzima renal que controla la sntesis de calcitriol, es estimulada por la hormona paratiroidea (PTH), y por otros factores como bajas concentraciones sricas de fosfato o calcio, deficiencia de vitamina D, calcitonina, hormona del crecimiento, prolactina o estrgenos. De modo inverso la actividad de la 1-.hi-droxilasa se inhibe por retroalimentacin negativa de 1,25-(OH)

2 D

3, hipercalcemia,

hiperfosfatemia e hipoparatiroidismo

Figura 23. Receptor de calcitriol intra-celular. El complejo H-R penetra en el ncleo y activa genes especficos que codifican para protenas transportadoras de Ca+2.

Figura 25. La secrecin de fosfatasa alca-lina por los osteoblastos evita la inacti-vacin del Ca+2 para la mineralizacin, y provee fosfato que se utiliza en la for-macin de fosfato de calcio amorfo, que puede constituir una estructura cristalina superior de hidroxiapatita

Figura 26. El desarrollo de tcnicas como el inmunoensayo ha propiciado la detec-cin de estos marcadores biolgicos, que son un indicio de la actividad metablica a nivel molecular.

Figura 24. Arriba osteoclastos: su dominio de membrana apical posee un borde rugoso a travs del cual secreta cido que disuelve los cristales de hidroxiapatita y enzimas lisosmicas que destruyen pro-tenas de la matriz sea. Abajo osteoblas-tos: sintetizan colgeno tipo I, protena sea, protenas de adhesin celular, proteoglucanos, fosfatasa alcalina que degrada al pirofosfato en fosfato y posi-bilita la formacin de fosfato de calcio amorfo y cristales de hidroxiapatita.



La hormona paratiroidea aparece como activadora de los dos linajes de clulas, porque activa de forma indirecta a los osteoclastos me-diante los osteoblastos (figura 28).

Los factores de crecimiento son protenas morfogenticas del hue-so, que actan como agentes au-tocrinos y paracrinos en el control del crecimiento y diferenciacin celular, mediante mecanismos de transduccin de seales, mediados por segundos mensajeros como el Ca+2 y el AMPcclicos. Algunas de estas protenas se relacionan con la actividad osteoblstica y osteocls-tica, como se muestra en la figura 27.

Los esteroides suprarrenales y go-nadales, estrgeno en mujeres y testosterona en hombres aumen-tan la actividad osteoblstica y disminuyen la osteoclstica, pero el uso continuado de glucocorti-coides se ha relacionado con os-teoporosis. La osteocalcina, una protena secretada por los osteo-blastos, es la protena no colgena ms abundante del tejido seo y tiene una funcin importante en la mineralizacin del osteoide, por su capacidad conductiva de mineral del LEC a la matriz sea (Baynes, 2006).

TaBaqUISMo y facToRES dE cREcIMIENTo

En el humo del tabaco se han descrito ms de 4 865 compues-tos qumicos en estado gaseoso o particulado, que incluye unos 19 carcingenos. El principal grupo de radicales libres es el complejo quinona-hidroquinona, que es po-sible que convierten el oxgeno en superxido, una especie reactiva del oxgeno, que puede daar es-tructuras endoteliales y de lipopro-tenas, efecto relacionado con el desarrollo de aterosclerosis. (Hoff-mann, 1986)

Los carcingenos y agentes inter-calantes, como el Benzo(a)pireno, pueden ocasionar dao en los ge-nes y, junto con el poder oxidante de los radicales libres, afectar la funcionalidad de los factores de

crecimiento que regulan el creci-miento y diferenciacin celular en el tejido seo, as como los proce-sos de mineralizacin (Bartechi, 1994).

Esto significa que hay componen-tes del tabaco que pueden influir de forma negativa en el crecimiento de los tejidos periodontales, afec-tando el proceso de integracin de los implantes. A lo anterior se debe aadir que esos componentes del tabaco tambin afectan los proce-sos de coagulacin, con incremen-to de los tiempos de cicatrizacin.

coNclUSIoNES

El xito de los implantes a base de titanio ha sido posible por varios factores, entre los que se destacan las propiedades de este metal de transicin, que han sido comen-tadas en este trabajo; unido al de-sarrollo de aleaciones mejoradas y mtodos de tratamiento superficial que han potenciado las cualidades qumicas y biolgicas del material.

Pero ese xito no hubiera sido posi-ble sin el trabajo de implantlogos, que han sabido amalgamar las cua-lidades de un material dental en el contexto de la fisiologa y bioqu-mica oral, con el desarrollo de tc-nicas clnicas de implantes, que sin duda constituyen un orgullo para el gremio.

Esta revisin no abarca problemas medulares de la implantologa, porque sale fuera del alcance e in-tencin del autor, y solo ha sido un esbozo del comportamiento qumico en el contexto celular de un maravilloso metal de transi-cin, que nos ha sido otorgado por la Naturaleza.

Figura 27. PTH: hormona paratiroi-dea; TGF-: Factor beta de crecimiento transformante; IGF I y II: Factores de crecimiento semejantes a insulina; PDGF: Factores de crecimiento derivados de plaquetas; MCSF: Factor estimulante de colonias de macrfagos que controla procesos de maduracin y regulacin de osteoclastos; RANKL: Activador de receptores para el ligando del factor nu-clear kappa; OPG: Osteoprotegrina es un receptor seuelo que regula el efecto del RANKL y es producido por osteoclastos; IL-1: Citocina interleucina-1; TNF: Factor de necrosis tumoral; PGE

2: Prostaglandi-

na E2; INF-: Interfern gamma.

Figura 28. La accin de la PTH sobre el tejido seo, los riones y los intestinos para aumentar la calcemia, se relaciona con activacin osteoclstica media-da por osteoblastos, activacin de la 1--hidroxilasa del rin, que aumenta la sntesis de calcitriol, y mediacin de este ltimo en la absorcin intestinal de calcio.



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