Caracterización Superficial de los Implantes Dentales de Titanio Comercialmente Puro Grado IV

Producidos por la Empresa IMETI Beltrán C., Rojas B., Rojas S. / Bogotá, Colombia. Diciembre de 2008.

Resumen

Debido a las diferentes alternativas que ofrece actualmente el mercado de implantes dentales, se decide caracterizar y evaluar las competencias de los implantes dentales de la casa comercial nacional, IMETI Ltda. Para esto, se evaluó cada etapa del proceso del tratamiento superficial de los implantes de titanio comercialmente puro (CP) grado IV, producidos por la empresa. La microscopía electrónica de barrido (SEM, por sus siglas en inglés) fue el método utilizado para caracterizar porosidad y la difractometría de Rayos X (XRD, por sus siglas en inglés) para la composición superficial del implante. Con la primera técnica, se obtuvo un rango de porosidad esperado entre 1 y 10 micrómetros; y con la última, se encontró que la composición superficial de los implantes corresponde a una mezcla de óxido de titanio (TiO) y dióxido de titanio (TiO2) en las formas rutilo y anatasa, siendo el último, más del 50% de los compuestos presentes en la superficie del implante lo que favorece la biocompatibilidad, bioactividad y por consiguiente la oseointegración. Las características encontradas en los implantes de fabricación nacional, coinciden con las de las casas comerciales líderes en el mundo.

Abstract

The dental implant market currently offers different alternatives for costumers. The purpose of this study was to characterize and assess the competencies of the dental implants produced by the national firm, IMETI Ltd. In order to do so, we evaluated every step involved in the surface treatment for the commercially pure (CP) titanium grade IV implants, produced by the firm. The scanning electron microscopy (SEM) was the method used to characterize porosity and X-Ray Diffraction (XRD) for the surface composition of the implant. With the first technique, we obtained an expected range of porosity between 1 and 10 micrometers, and with the last one, it was found that the implant surface composition is a mixture of titanium oxide (TiO) and titanium dioxide (TiO2) in rutile and anatase forms. The TiO2 represents more than 50% of the compounds present on the surface of the implant, it promotes biocompatibility, bioactivity and hence osseointegration. The characteristics found in the national manufactured implants, coincide with the leading business houses in the world.

Marco teórico

Desde que Branemark y su equipo introdujeron el uso de implantes dentales de

titanio CP para rehabilitación oral, se ha incrementado el número de implantes

dentales y ortopédicos que se ponen a pacientes cada día. El titanio y sus

aleaciones son los materiales más comúnmente usados, particularmente para

odontología, ortopedia y aplicaciones de osteosíntesis [1, 2]. Estos materiales

poseen propiedades óptimas para aplicaciones biomédicas. El titanio muestra una

combinación favorable de propiedades intrínsecas para la producción de implantes

dentales, entres ellas se encuentran un bajo peso específico, alta resistencia a la

presión, bajo módulo de elasticidad, muy alta resistencia a la corrosión y excelente

biocompatibilidad en términos generales [3]. La capa pasiva formada en la

superficie de los implantes protege el metal que se encuentra por dentro, de

futuras oxidaciones y permite la oseointegración.

En general, los implantes dentales son fabricados de titanio CP [4] debido a su

comprobada biocompatibilidad, es decir, la aceptación por parte de los tejidos

vivos [5]. La biocompatibilidad se caracteriza por la ausencia de corrosión y

deterioro del material que puede conducir a respuestas inflamatorias indeseables,

muerte del tejido circundante o la formación de trombos por efectos de

coagulación sanguínea inesperada.

Metodología

Basados en los protocolos existentes y en la experiencia, se diseñaron 10 pruebas

diferentes para evaluar el efecto de cada una de las etapas del proceso en el

acabado superficial del producto final. Se escogieron 4 métodos con los que se

obtuvo un acabado superficial uniforme a lo largo de toda la pieza. Se repitieron

los procedimientos por duplicado para someter los implantes obtenidos al análisis

de porosidad, utilizando el microscopio electrónico de barrido (SEM por sus siglas

en inglés) del departamento de Geociencias de la Universidad Nacional de

Bogotá.

Una vez realizadas las pruebas para definir un protocolo de control de calidad,

limpieza y envasado para los implantes se procedió a preparar la muestra que

sería sometida a la Difractometría de Rayos X.

Para llevar a cabo de difractometría de Rayos X, se preparó una muestra de

dimensiones 0.5x0.5x0.9mm. Se procedió a diseñar una pieza con lados planos

debido a que el difractómetro así lo requiere por su forma paralela a la superficie

en que se dispara el rayo. La superficie roscada del implante no permite analizar

su composición, mientras que la superficie plana sí.

Esta pieza de titanio CP grado IV fue sometida al tratamiento superficial del

protocolo estándar de tal forma que la composición superficial en ésta pieza

coincida con la de los implantes producidos por IMETI.

Resultados

1. Por medio de la microscopía electrónica se logró ver que el protocolo estándar permite obtener un rango del tamaño de poro, estará siempre entre 1 y 10 µm, logrando así el objetivo principal de estandarizar los procesos de tal forma que el producto obtenido siempre cumpla con las características deseadas.

2. Se intentó realizar un estudio de composición utilizando microscopía electrónica, sin embargo no se obtuvo un resultado preciso. La Figura 2, muestra únicamente presencia de titanio y no de oxígeno porque la capa superficial de óxido de titanio es muy delgada con un valor cercano a 1 micrómetro, es decir, con respecto a toda la pieza, el porcentaje de oxígeno presente en ella no es significativo. Por éste motivo se procedió a realizar una difractometría de Rayos X.

3. Por medio de la difractometría de Rayos X se encontró que la composición superficial de los implantes de titanio corresponde a dos tipos de óxido de titanio básicamente: Óxido de titanio (TiO) y dióxido de titanio (TiO2), sin embargo éste último se encontró con dos diferentes estructuras moleculares. En la Figura 3, se observa el Difractograma de Rayos X para el TiO.

4. El TiO2 se presenta en la naturaleza en varias formas: rutilo (estructura tetragonal), anatasa (estructura octahédrica) y brookita (estructura ortorómbica). En la muestra que se sometió a difractometría de Rayos X se encontró TiO2 como rutilo (Figura 4)

5. y en la forma común llamada anatasa. Se encontró que las cantidades de TiO2 tipo rutilo y TiO son similares y la de TiO2 común es más baja siendo casi la mitad de los otros dos tipos mencionados anteriormente.

Conclusiones

Implica además que el organismo no genere respuestas inmunológicas

indeseadas como el aumento en el número de anticuerpos, y que no existan

fenómenos de mutación celular o aparición de células cancerígenas [5-7]. Para

determinar la biocompatilidad de un material se llevan a cabo pruebas

experimentales in vitro usando cultivos celulares mediante las cuales se determina

la toxicidad y solubilidad del material [5]. Además, se realizan pruebas in vivo

particularmente en modelos animales que mediante técnicas de histoquímica,

inmunohistoquímica, bioquímica, carga mecánica y microscopia electrónica

permiten evaluar la respuesta de los tejidos vivos en presencia del material [5, 8].

Varios estudios realizados para evaluar la biocompatibilidad de diferentes tipos de

materiales [9, 10, 11] han demostrado que el titanio es uno de los materiales que

mejor respuesta presenta a la inserción en el organismo vivo gracias a su

resistencia a la corrosión y su estabilidad mecánica durante la etapa de

cicatrización [6,8]. Se ha encontrado que el niobio, el tantalio y el circonio son los

materiales no tóxicos más favorables para ser usados con aleaciones de titanio en

aplicaciones biomédicas [12] y que entre los biomateriales metálicos, la

biocompatibilidad de las aleaciones de titanio es la más elevada. Sin embargo,

estas aleaciones no son bioactivas, es decir, no forman una unión fuerte con el

tejido óseo [13]. Un material es bioactivo si permite la colonización de su superficie

por parte de las células osteoprogenitoras. Una medida esta característica es la

inmersión del material en un fluido que simula las condiciones corporales y

determinando la formación de microcristales de hidroxiapatita [13].

Por la necesidad de establecer uniones directas, adherentes y fuertes con el tejido

óseo, los implantes dentales son provistos de tratamientos superficiales y

recubrimientos con otros materiales que incrementan su desempeño al promover

el crecimiento de hueso en su superficie [7, 13, 14]. El éxito clínico que han

alcanzado los implantes se debe no sólo al material sino también a otras

propiedades como el diseño del implante, el tratamiento superficial y la calidad,

además de otro factores implicados como la técnica en la cirugía y la calidad del

hueso hospedero [15].

De todas las propiedades del titanio, la más importante es la calidad de la

superficie [16]. Los compuestos de óxido de titanio, presentes en una superficie

del implante de titanio CP, son responsables por una interacción biológica

favorable que ocurre en la interfase hueso-implante. La capa de óxido le

proporciona al titanio características de biocompatibilidad [17].

La composición química de la superficie del implante puede variar de forma notoria

desde la pieza en bruto hasta su acabado si se somete a mecanizado, tratamiento

térmico, arenado, recubrimiento o hasta procesos de esterilización. La

contaminación superficial que involucra éstos procedimientos, por ejemplo, trazas

de metales, iones, lubricantes y detergentes, pueden alterar para bien o para mal,

la biocompatibilidad superficial hasta cuando las cantidades son muy pequeñas.

Basados en estas consideraciones, un control de calidad sobre la composición

superficial del implante, se convierte en un procedimiento relevante para producir

dispositivos de alta calidad [18-20].

Como se mencionó anteriormente la oseointegración es la aceptación y

adaptación funcional de un implante insertado en el hueso. El éxito del

proceso depende de la función de dos procesos previos: la osteoinducción

y la osteoconducción [21]. La osteoinducción es el proceso a través del cual

las células madre se diferencian en las células osteogénicas que forman el

tejido óseo. La deposición de nuevo hueso por parte de estas células se

conoce como osteogénesis [21]. Existen dos tipos de osteogénesis:

osteogénesis a distancia y osteogénesis de contacto [22]. En la primera, el

tejido óseo se forma desde la superficie del hueso circundante. En la

segunda, la formación de tejido óseo se produce desde la superficie del

implante. Es decir, la formación de hueso en la región periprotésica tiene

dos direcciones: desde la superficie del hueso circundante hacia el implante

y desde la superficie del implante hacia el hueso circundante [23].

Sin embargo, y a pesar que la osteogénesis de contacto forma tejido óseo a una

velocidad 30% mayor que la osteogénesis a distancia [23], la formación desde la

superficie del implante implica que dicha superficie permita su colonización por

parte de células de origen mesenquimal [22]. Esta colonización, denominada

osteoconducción, corresponde a la formación de hueso sobre una superficie de

material bioactivo [21, 22]. Este fenómeno depende esencialmente de la

biocompatibilidad del material y de sus características superficiales [24, 25].

Como consecuencia de la colonización de la superficie del implante por parte de

las células osteoprogenitoras, se forma una interfase de contacto entre el implante

y los tejidos que lo rodean.

El contacto puede ser de dos tipos: el contacto con el hueso o tejido duro, y el

contacto con el tejido fibroso o suave. Se ha reportado que el contacto directo

entre el hueso vivo y la superficie del implante forma una fuerte matriz extracelular

de unión tanto estructural como funcional que incrementa con el tiempo, promueve

la osteogénesis reparativa en la interfase y permite la fijación del implante gracias

a su mineralización [26, 27]. En el caso de la interfase con el tejido suave, se ha

reportado que las células epiteliales forman un fuerte collar alrededor del implante

que carece de signos de respuesta inflamatoria y que crea una fina capa de tejido

conectivo poco vascularizada en las cercanías de la superficie del implante a partir

de la cual comienza la regeneración tisular [28].

El contactos entre el tejido biológico y el implante están relacionados con las

características topográficas en la superficie del implante. Existen tres escalas de

topografía superficial, cada una con ventajas respecto al comportamiento del

implante y la formación de la interfase hueso-implante [29, 30, 31]. Se ha

establecido que las modificaciones superficiales en las dimensiones menores a un

micrómetro tiene influencia en la morfología, orientación y adhesión celular [13,

32], mientras que las dimensiones entre uno y cien micrómetros están asociadas

con la formación de hueso [29], y las dimensiones superiores a los cien

micrómetros, especialmente la topografía roscada, están relacionadas con el

soporte y estabilidad del implante frente a la acción mecánica [13, 33]. Mientras la

macrotopografía, es decir, el diseño acanalado del cuerpo del implante está

relacionado con la resistencia a esfuerzos y la estabilidad inicial, la

microtopografía, es decir, el tratamiento superficial, proporciona a la superficie del

implante un patrón similar al dejado por el frente de resorción de osteoclastos en

la superficie del hueso durante el remodelamiento [33, 34]. Este patrón superficial

permite que la línea de cementación secretada por los precursores osteoblásticos

se entrelace con la superficie del implante y asegure la formación del nuevo hueso

[29].

De la misma manera, el recubrimiento de la superficie del implante puede

incrementar la absorción de integrinas [13]. Las integrinas son cadenas de

proteínas responsables de la adhesión a nivel celular entre el citoesqueleto de la

célula y un sustrato, en este caso, la superficie del implante [13, 32]. Esta unión se

logra mediante la combinación de secuencias proteicas específicas que se

encuentran tanto en el citoesqueleto de la células como en el sustrato. La unión de

estas secuencias activa vías de señalización que modifican el comportamiento de

la célula, haciendo por ejemplo que prolifere o se diferencie [32].