CARACTERIZACIÓN SUPERFICAL DE IMPLANTES DENTALES DE Ti MEDIANTE LAS TÉCNICAS XPS Y SEM.

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1 Jornadas SAM CONAMET AAS 2001, Septiembre de CARACTERIZACIÓN SUPERFICAL DE IMPLANTES DENTALES DE Ti MEDIANTE LAS TÉCNICAS XPS Y SEM. C. Oviedo a, J. Y. Turanza b a Departamento Materiales, Comisión Nacional de Energía Atómica, Av. del Libertador 8250, 1429 Buenos Aires y Comisión de Investigaciones Científicas de la Provincia de Buenos Aires, Argentina. oviedo@cnea.gov.ar b Facultad de Odontología, Universidad Nacional de Buenos Aires, M. T. de Alvear 2142, Buenos Aires, Argentina. centrodogma@hotmail.com RESUMEN En este trabajo se analizó, utilizando la técnica XPS (X-Ray Photoelectron Spectroscopy), la composición química superficial de cinco marcas diferentes de implantes de Ti: dos nacionales, dos estadounidenses y una suiza. Dado que las muestras presentaban distintos tratamientos superficiales (grabado ácido, granallado y plasma spray), se compararon la forma, tamaño y distribución de las cavidades superficiales mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) complementada con análisis elemental con EDS (Energy Dispersive Spectroscopy). Se estudió la relación entre la características superficiales observadas y las estadísticas de éxitos y fracasos obtenidas en el consultorio sobre un total de 1064 implantes colocados y evaluados por un mismo cirujano. No surgió claramente una relación causa-efecto. Palabras claves Biomateriales, Implantes Odontológicos, Titanio, XPS, SEM INTRODUCCIÓN Entre los biomateriales el titanio es el más ampliamente utilizado para implantes dentales. Ello es debido a que sus propiedades mecánicas son más parecidas a las del hueso que las de otros materiales (acero inoxidable, aleaciones Co-Cr) y a su capacidad para formar óxidos finos pasivantes que lo protegen de la corrosión y favorecen la oseointegración. Estudios previos [1-3] determinaron que las características superficiales de los implantes (rugosidad, composición química) son determinantes para favorecer la formación de un área mayor de contacto hueso-implante acelerando los tiempos de tratamiento. Ello impulsó a los fabricantes de implantes dentales a tratar de optimizar la forma y el acabado superficial de sus productos con el objeto de obtener el mejor desempeño de los mismos: bajo tiempo de cicatrización y alta tasa de oseointegración. Por un lado diseñaron distintos tipos de roscas tratando de conseguir una mejor distribución de cargas y aumentar la estabilidad inicial o anclaje primario para lograr la oseointegración. Paralelamente, mediante diferentes tratamientos, generaron una microestructura superficial que facilitara el crecimiento del hueso en las irregularidades. En nuestro país se utilizan implantes dentales de Ti desde hace dos décadas, provistos por diferentes fabricantes. En este trabajo se analizan las características superficiales de cinco marcas presentes en nuestro medio, dos de ellas de origen nacional. 1181

2 Oviedo y Turanza EXPERIMENTAL Se analizaron un total de nueve implantes de Ti provenientes de cinco empresas manufactureras diferentes. Todos eran implantes cilíndricos roscados y estaban esterilizados y acondicionados en sus embalajes originales. El detalle de los mismos, con el tratamiento superficial respectivo, es el siguiente: Tabla 1: Lista de muestras, procedencia y tratamiento superficial Muestra Origen Tratamiento superficial 1 Industria Argentina Granallado y grabado ácido 2 USA Granallado 3 Suiza Plasma spray 4 Industria Argentina Grabado ácido 5 USA Grabado ácido Para la caracterización de la macro y microestructura se aplicó la técnica de Microscopía Electrónica de Barrido. Se utilizó un microscopio Philips PSEM 500 operado a 25kV. Se empleó la técnica EDS (Energy Dispersive Spectroscopy) para complementar la caracterización química de los implantes utilizando un equipo Philips DX4 asociado al microscopio. Algunas observaciones se llevaron a cabo en el microscopio de barrido Philips XL30 perteneciente a SEGEMAR. La caracterización química de las superficies se realizó con la técnica XPS. Se utilizó el espectrómetro de electrones modelo ESCA 3 Mark II de Vacuum Generator que opera con una presión de base de 5x10-10 Torr. Los espectros fueron obtenidos empleando como radiación incidente la línea Mg kα sin monocromatizar (1253,6 ev). Las energías de ligadura (B.E.) se determinaron tomando como referencia el nivel Au4f 7/2 en 82,9 ev. Las determinaciones en consultorio se realizaron sobre 1064 implantes colocados en el período Los pacientes fueron controlados clínica y radiológicamente cada cuatro meses durante el primer año y cada ocho meses en años subsiguientes. RESULTADOS Macro y microestructura superficial. Las micrografías electrónicas a bajo aumento permiten comparar los perfiles de las diferentes muestras. En las Figuras 1 y 2 se observan dos implantes con muy diferente diseño: la muestra 2 presenta un arreglo de filetes con paso pequeño, 550 ± 30µm y profundidad de rosca de 320 ± 30µm. Se observa que la muestra 3 tiene filetes con mayor separación, 940±30µm y menor profundidad de rosca: 230±30µm. Puede apreciarse en las fotos que la forma de los extremos apicales de las piezas presentan muy diferente complejidad: la muestra 2 termina con cortes y un orificio pasante en tanto que la muestra 3 presenta una punta simple y redondeada. 1182

3 Jornadas SAM CONAMET AAS 2001 Los perfiles de las muestras 1, 4 y 5 son del tipo de la muestra 2 con distancia entre filetes que varían entre 330 y 600 µm en las diferentes muestras, con flancos bien marcados y alturas cresta - valle de 300±50 µm. Figura 1. Muestra 2 (22,5x). Figura 2. Muestra 3 (30x). Las muestras fueron sometidas a los tratamientos superficiales arriba mencionados los que generaron microestruturas de muy diferentes características: rayas o estrías, cavidades de diversos tamaños y distribución inhomogénea de material La muestra 1 recibió un tratamiento de granallado y de grabado ácido. Su superficie presentó un relieve diferente al de las demás con cráteres y crestas aplanadas, Figura 3. La muestra 2 mostró una superficie con cavidades redondeadas muchas de ellas unidas entre sí formando grandes arreglos, Figura 4. La muestra 3 estaba recubierta con material (TiO2) aplicado mediante plasma spray. Este tratamiento produjo un relieve grueso por encima de la pieza maquinada. Una amplificación de la región recubierta, Figura 5, mostró un recubrimiento irregular constituido por depósitos superpuestos que dejaban cavidades y canales profundos. 30 µm Figura 3. Microestructura de la muestra 1. Figura 4. Microestructura de la muestra

4 Oviedo y Turanza La muestra 4 fue grabada con ácido solo desde la mitad de su longitud hasta el extremo apical del tornillo. Esa punta, de forma compleja, presentaba grandes cráteres, como se observa en la Figura 6. La zona que no parecía haber sido atacada con ácido mostraba rayas y surcos. Finalmente, la muestra 5, también grabada con ácido, estaba formada por un arreglo regular de pits de diámetro promedio 0,7µm. 60 µm Figura 5. Microestructura de la muestra 3. Figura 6. Microestructura de la muestra 4. Caracterización química de las superficies. Todas las muestras fueron analizadas mediante la técnica XPS de caracterización química de superficies. Esta técnica permite la detección de elementos livianos como O, C, N y da información del estado de combinación química de los elementos presentes en las superficies analizadas. En el caso de los implantes odontológicos en que las superficies son rugosas y roscadas, una gran proporción de los fotoelectrones emitidos no alcanzan el analizador por lo que no contribuyen a la señal XPS. Ello obliga a aumentar los tiempos de medida para colectar suficiente cantidad de cuentas. De cada muestra se tomó un espectro extendido en energías (wide), con baja resolución en energías (energía de paso 50 ev) y alta velocidad de contaje para identificar los elementos presentes en las superficies. Luego se tomaron espectros con alta resolución en energías (E paso = 20 ev) que abarcaban un pequeño rango de energías (10-20 ev), espectros narrow, para determinar con precisión la B.E. de los picos de interés. En todas las muestras se detectó una señal importante de carbono, cuya concentración atómica relativa varió entre 30 y 45% at, que se eliminó parcialmente mediante barridos controlados con iones A +. El hecho que la cantidad de C se redujese con la limpieza con iones indicó que se trataba de contaminación superficial y el no poder eliminarlo totalmente se debió a la forma compleja de las muestras. En la muestra 4 la contaminación con C fue mucho mayor que en las demás y alcanzó el 80% at. en la superficie. Dado que solo se midió un tornillo de esta marca, deberá repetirse la medición en otros para descartar posibles fallas de embalaje. En la Figura 7 se representa el espectro C1s medido en la muestra 3. La señal Ti 2p correspondió en todas las muestras a Ti combinado como TiO 2, Figura 8. Luego de los barridos con A + comenzaron a detectarse en los espectros otras contribuciones atribuibles a óxidos más reducidos de Ti, generados por la remoción selectiva de O del TiO

5 Jornadas SAM CONAMET AAS 2001 C 1s Ti 2p Cuentas Figura 7. Espectro C1s de la muestra 4. Figura 8. Espectro Ti2p de la muestra 3. El pico O1s presentó en superficie dos componentes: una con B.E. 532,8±0,2 ev (SiO 2 o contaminación) y otra con B.E. 530,8±0,2 ev, valor coincidente con óxidos e hidróxidos metálicos. Al progresar los barridos la de mayor B.E. se redujo, predominando la correspondiente a los óxidos, Figura 9. En la muestra 1 se registró señal de Al combinado como Al 2 O 3 en toda la profundidad analizada, Figura 10. O 1s: superficie barrido con A + Al 2p Cuentas Figura 9. O1s en superficie y luego Figura 10. Al2p en muestra 1. de barrer con A +. Si 2p Pb 4f + Si 2s Cuentas Cuentas Figura 11. Si2p en la muestra 1. Figura 12. Pb4f y Si2s en la muestra

6 Oviedo y Turanza En las muestras 1 y 2 se observó la presencia de Si combinado como SiO 2, Figura 11. En la muestra 2 además se detectaron rastros de Pb y Ca. En la Figura 12 se representan los espectros Pb 4f y Si2s de la muestra 2. Mediante la técnica EDS se confirmó la presencia de Al en las muestras 1 y 2. Resultados clínicos En la tabla 2 se indican el número de implantes colocados de cada marca, la cantidad de fracasos y el porcentual respectivo. Tabla 2. Implantes colocados y fracasos. Muestra Implantes colocados (período) Implantes fracasados (%) ( ) 5 (1,4%) 2 15 (2000) ( ) 9 (1,8%) 4 54 ( ) 2 (3,7%) ( ) 9 (5,3%) DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES La forma de los implantes dentales ha ido variando hasta llegar a los más utilizados en la actualidad: implantes cilíndricos roscados. Los implantes cilíndricos (sin rosca) transfieren las tensiones principalmente a la parte apical en tanto que el agregado de filetes contribuye a una distribución más homogénea de las cargas, favoreciendo el crecimiento del hueso. No ha podido demostrarse que el perfil de los tornillos tenga un real significado clínico [4] y las distintas formas existentes han resultado exitosas en el largo plazo. En este trabajo cuatro de los cinco implantes estudiados tienen perfiles similares a los de los tornillos comunes y solo el de la muestra 3 tiene un diseño especial y requiere una herramienta adecuada para su colocación. Esta característica no influye en su performance. De mayor relevancia clínica es la microestructura superficial ya que su existencia reduce los tiempos de cicatrización a la mitad. No solo contribuye a la distribución de tensiones sino que favorece el crecimiento óseo en dirección perpendicular a la superficie del implante. Respecto al tamaño ideal de las rugosidades hay aún algunas controversias: algunos autores sostienen que el tamaño de los poros debe ser grande: entre µm en tanto otros sostienen que rugosidades superficiales más pequeñas son necesarias para incentivar el crecimiento del hueso en ellas. En el presente trabajo se observaron cavidades y huecos de formas muy diversas con tamaños entre 0,7 µm hasta cráteres de 40µm o canales de similar tamaño. Si bien el arreglo de pits de la muestra 5 es muy parejo, el pequeño tamaño de los mismos podría haber influido en el mayor porcentaje de fracasos. Tan importante como la estructura es la composición química [5] de las superficies de los implantes y en muchos casos ambos parámetros influyen entre sí. En particular hay estudios orientados a determinar si los tratamiento para alterar la topografía de las superficies no alteran también la composición química de las mismas. En el caso de las muestras analizadas en este trabajo, se observaron concentraciones significativas de Al 2 O 3 y SiO 2 en las muestras 1 y 2 cuyas superficies habían sido granalladas. En la muestra 2 se detectó una 1186

7 Jornadas SAM CONAMET AAS 2001 pequeña concentración de Pb que no parece haber afectado la performance de esos implantes aunque la estadística es poca. Finalmente, mediante XPS se pudo determinar que la composición de todas las superficies era TiO 2 y que todas las muestras presentaban contaminación con C. El caso de la muestra 4 fue diferente ya que la concentración de C se mantuvo por encima del 40% at luego de barridos similares a los de las demás muestras. Agradecimientos Los autores agradecen al Sr. F. Conde por la asistencia técnica en la realización de este trabajo. REFERENCIAS 1 F. H. Jones. Teeth and bones: applications of surface science to dental materials and related biomaterials. Surf. Sci. Report, 42, , D. C. Mears. Metals in medicine and surgery. International Metals Reviews June J. Lausmaa. Surface spectroscopic characterization of titanium implants materials. J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. 81, , J. E. Ellingsen. Surface configurations of dental implants. Periodontology Vol , M. Morra, C. Cassinelli. Evaluation of surface contamination of titanium dental implants by LV-SEM: comparison with XPS measurements. Surf. Int. Anal. 25, ,

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