ANALES DE MECÁNICA DE LA FRACTURA Vo1.19 (2002) 525 MEJORA DEL COMPORTAMIENTO A FATIGA Y DE LA OSTEOINTEGRACIÓN DE IMPLANTES

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1 ANALES DE MECÁNICA DE LA FRACTURA V1.19 (2002) 525 MEJORA DEL COMPORTAMIENTO A FATIGA Y DE LA OSTEOINTEGRACIÓN DE IMPLANTES DENTALES DE TITANIO ARENADOS C. Aparici\ F. J. Gi1 1, F.J Peña 1 ' 2, J. A. Planell 1 1 Departament de Ciencia de Materiales e Ingeniería Metalúrgica. E.T.S.E.I.B. Universidad Plitécnica de Cataluña. Diagna Barcelna. Spain 2 Dept. Materiales y Diseñ. Elisava-Escuela Superir de Diseñ. C/Ample Barcelna. Spain RESUMEN. Se han realizad estudis cn diferentes naturalezas de particulas de pryección en implantes dentales SK y S4 (Klckner, S.L.). Se ha cmprbad la influencia de la naturaleza y del tamañ del abrasiv en el cmprtamient celular gracias a ls cultivs steblástics realizads. Este trabaj demuestra que el tratamient de arenad de las superficies de ls implantes dentales de titani permite lgrar la rugsidad adecuada para que ls steblasts prliferen y frmen hues. Además, el tratamient de pryección prduce un estad cmpresiv en la superficie del metal que hace que las grietas pr fatiga (generadas en la superficie) se retrasen en su nucleación, prduciend una mayr vida a fatiga y dand una mejr respuesta mecánica del implante dental a larg plaz cmparándl cn trs métds utilizads para aumentar la rugsidad. ABSTRACT. Different cmpsitins and sizes f sht particles has been used in rder t sht blast SK and S4 dental implants (Klckner, S.L.). Osteblasts have been cultured n the different surfaces btained. This wrk demnstrates that when a titanium surface is sht blasted a ptimum rughness can be btained in rder t enhance steblast prliferatin and differentiatin. Mrever, a residualcmpressive!ayer under the titanium surface when it is sht blasted can be generated. This cmpressive!ayer btained with sht blasting delays fatigue-crack nucleatin and increases fatigue life cmparing with ther treatments that al s in crease surface rughness. l. INTRODUCCION Una de las variables que se sabe que influyen de frma determinante en el buen cmprtamient del implante dental de titani cmercialmente pur (Ti C.P.), tant a crt cm a larg plaz, es su rugsidad superficial. En este sentid, se han realizad estudis in viv que demuestran que una cierta rugsidad superficial mejra la fijación del implante al hues 1 ' 3 Pr tra parte, estudis in vitr han puest de manifiest que la diferenciación y prliferación steblástica, así cm la prducción de matriz ósea, también resultan influenciadas psitivamente pr el aument de la 6 rugsidad de la superficie 4 Un prcedimient ya estudiad y utilizad para incrementar la rugsidad en la superficie de ls implantes dentales es el arenad. Este prcedimient que cnsiste en pryectar partículas de elevada dureza a gran velcidad y presión sbre la superficie del implante es adecuad prque además de dar rugsidad superficial, limpia la superficie de cntaminantes; aumenta la vida a fatiga y crrsión-fatiga 7 del implante debid al aument de la tensión cmpresiva en las primeras capas del substrat. 2. MATERIAL Y MÉTODOS Se ha llevad a cab un arenad en 45 implantes dentales SK y S4 de Klckner, así cm en discs de seis mm de diámetr de Ti C.P. Ls implantes y ls discs fuern pryectads cn partículas de óxid de titani (Ti0 2 ), carbur de silici (SiC), alúmina (Ah0 3 ), circnia (Zr0 2 ), y un eutéctic de alúmina y óxid de circni (Ah0 3 -Zr0 2 ). Se emplearn partículas de tamañ grande (900 J.lm), median (600 J.lm) y pequeñ (200 J.lm) cn una presión de pryección de 25 MPa y 60 segunds de pryección. Una vez pryectads se realizarn diferentes estudis: Rugsidad Ls ensays de rugsidad superficial sbre ls implantes tratads se han realizad cn un rugsímetr para medidas bidimensinales, cn palpadr de diamante de frma cónica (90 ) cn 5 Jlm de diámetr en la punta, de una reslución rninima de 0,1 Jlm, "Surftest SV-500~. El parámetr estudiad fue la R, (Media aritmética de las desviacines del perfil) que es la media aritmética del valr abslut de las distancias desde la línea media al perfil R dentr de la lngitud de muestra. Esta línea media es una línea de referencia para el cálcul de ls distints parámetrs, que se determina pr el métd de ls rninims cuadrads respect al perfil R en cada lngitud de muestra. R, se calcula en micrómetrs y es el parámetr más general y cmúnmente utilizad para describir la rugsidad. Cmpsición superficial Para analizar la cmpsición superficial, y pr l tant

2 526 ANALES DE MECÁNICA DE LA FRACTURA Vl.19 (2002) la psible cntaminación de la superficie de ls discs pr las partículas del arenad, se ha utilizad un analizadr de dispersión de energías de rays X, "Analytical LZ-5e.'. Se ha analizad la cantidad prcentual atómica de ls elements más significativs para cada muestra, cn ensays de 1 00 segunds de duración y 20KV de energía del haz de rays X. Estudis steb/ástics Se distribuyern ls discs de titani en diferentes placas estériles y se sembrarn cn una suspensión celular de células/cm 1 incubándse a 37 C en una atmósfera húmeda cnteniend 5.5% de c2. Cm cntrl negativ se utilizarn discs de plietilen. Al cab de 24 hras a la mitad de las muestras (GRUPO A) se les cambió el medi de cultiv pr 200 f.d de medi: IMDM+3% de suer delipidad cn carbn activ y cn vitaminas K 1 y C. El rest de muestras (GRUPO B) recibiern el mism medi per cn vitamina D 3, l que prduce la inducción de la stecalcina, principal marcadr de la diferenciación celular. Tras 72 hras de incubación se reclectó el medi de cultiv de cada un de las muestras en tubs eppendrf. Se tripsinizarn ls cultivs y se realizó un cntaje celular, para ell se determinarn 5 camps en cada muestra y se btuv el valr medi. Finalmente, se determinarn ls niveles de stecalcina para cada una de ellas pr medi del test de ELISA. cn SiC y 0.3.tm para ls que n sufriern el tratamient. La micrestructura de la superficie de un implante dental después del arenad n Ah0 3 cn partículas de tamañs pequeñ, median y grande se pueden apreciar en las Figuras 2, 3 y 4, respectivamente. Una vez btenids las diferentes rugsidades para cada un de ls tratamients se trata de determinar en cual de ellas hay una mayr prliferación y diferenciación steblástica. Para ell se realizarn ls cultivs celulares y ls resultads se expresan en la Tabla l. Hs TI O, Al, O, SiC Figura l. Rugsidad media btenida pr pryección de abrasivs de tamañ median en implantes dentales de titani. Cmprtamient mecánic Se realizarn ensays de dureza superficial mediante dureza Vickers aplicand cargas de lkg durante 15 segunds: Ls ensays de tracción y de fatiga en tensióncmpresión baj cntrl de defrmación cn una Re =-1, en medi fisilógic a 3 7 C se realizarn en una máquina servhidráulica MTS Binix. La velcidad de defrmación fue cnstante a 6.5x 10' 3 s. La amplitud ttal de defrmación fue+/- 7xl0 3. Análisis estadístics Tds ls dats estadístics, incluids ls p-valres en ls test de cmparación de medias pr la t-student y de análisis de la varianza (tabla ANOV A), se han btenid cn el sftware "Minitab Release 11 ~ RESULTADOS Y DISCUSIÓN En la Figura 1 se muestra un diagrama cn la rugsidad media btenida para el Ti C.P. sin ser smetid al chrread pr pryección y para ls tratads cn elements abrasivs de diferente naturaleza química de tamañ median. Se puede bservar que el óxid de titani prduce muy pca rugsidad respect al implante dental lis ya que sus prpiedades mecánicas n sn suficientes para dejar una rugsidad imprtante en el implante dental. Se btuviern valres medis de rugsidad, Ra = 4.2.tm para ls chrreads pr pryección cn óxid de alumini, 4.7 para ls tratads Figura 2. Superficie de un disc tratad cn Ah0 3. De tamañ pequeñ. Cm se desprende de ls resultads de la Tabla I el grup tratad cn Ah0 3 de tamañ median permite una óptima adherencia celular, superir al rest de tratamients y estadísticamente significativa. Además, presenta altas cncentracines de stecalcina, l cual es muy imprtante ya que indica que n sól hay muchas células sbre la superficie sin que además, se desarrllan adecuadamente y cn rapidez. De td ell, resulta que este tratamient parece ser el más adecuad para mejrar la steintegración de ls implantes de Ti y pr l tant, la rugsidad óptima sería del rden de R. =4.tm.

3 ANALES DE MECÁNICA DE LA FRACTURA Vl.19 (2002) 527 steblástic, sin al cntrari, cm se desprende de ls resultads. De hech, las partículas que después de ls tratamients de limpieza y de pasivad pueden quedar en la superficie del implante dental actúan cm aceleradres y excitadres de una actividad celular beneficisa. Este hech, n ha sid bservad slamente pr ests investigadres 8 " 9 sin?ue hay diferentes citas bibligráficas que l crrbran -J. Cabe decir, que ls implantes dentales fabricads íntegramente de alúmina han fracasad, n pr su adversa reacción celular, sin pr su falta de tenacidad, siend pues implantes dentales muy frágiles que se rmpían en servici. Figura 3. Superficie de un disc tratad cn Al ~0 3 De tamañ median. Figura 4. Superficie de un disc tratad cn AI 1 0 3de tamañ grande Tabla l. Cntaje celular y cncentración de stecalcina para las superficies estudiadas. (PE: Plietilen cntrl). Abrasivs Cntaje Cntaje Cncentración Celular Celular Ostecalcina [n/0,01 cm 2 ] [n/0,01 cm 2 ] (ngfml] -GRUPO A -GRUPOS PE 23,18 + 2,80 20, , lis 21,00+2, ,94 4,67 + 0,40 Zr01 31,58 + 2,93 22,05 + 1,93 2,59+0,12 Ah03-Zr02 23,73 + 3,86 30,93 + 1, ,02 Ti ,71 28,20 + 3,67 1, Ah03 32,75 ± 2,62 32,75 ± ,08 ± 0,17 eaueñ Alz03 52,80±3,27 50,07±4,47 3,82 ±0,54 median A boj 41,68± ,08 ± 1,92 2,45 ±0.02 grande SiC 32,75 ± 2,61 22,93 ± 2,42 2,36 ± 0,05 peaueñ SiC 29,67 ± 0,93 27,40±4,54 4,39±0,31 median SiC grande 48,15+ 11,6 39,08 + 2, Ningun de ls materiales presentó signs de cittxicidad. Se puede bservar en la Figura 5 una célula steblástica en la superficie de un implante lis. La célula está extendida sbre la superficie, dnde se aprecian las rayas de mecanización. En la Figura 6 se muestra una célula sbre la muestra tratada cn TiO~. Se puede bservar que la célula está cm en el cas anterir extendida sbre la superficie y cn pca actividad drsal, indicand una baja actividad celular. En la Figura 7 se bservan células en la superficie del implante tratad cn Al Las células están más desarrlladas que en ls cass anterires presentand actividad drsal y filpdis que se agarran en la rugsidad. Este hech, n se apreciaba en la tratada cn TiO~ debid a la pca rugsidad btenida cn este tip de pmticulas debid a las malas prpiedades mecánicas de las partículas de óxid de titani. Cabe destacar que el métd de arenad pennite cntrlar la rugsidad deseada, hech que trs métds para realizar rugsidad n l penniten. Asimism, se debe cncluir que la alúmina (óxid de alumini) n es un inhibidr de la prliferación y el crecimient Figura 5. Célula en la superficie de Ti C.P. lis. Un benefici adicinal también muy imprtante, es el aument de la vida a fatiga de ls materiales a ls que se les ha smetid a un tratamient de arenad. El tratamient prduce un estad cmpresiv en la superficie del metal que hace que las grietas pr fatiga (generadas en la superficie) se retrasen en su nucleación, prduciend

4 528 ANALES DE MECÁNICA DE LA FRACTURA Vl.19 (2002) una mayr vida a fatiga. En este sentid, es muy imprtante que el tratamient de arenad llegue a la saturación, es decir, que tda la superficie esté impactada y pr tant tda la superficie esté en un camp de tensión cmpresiv. Micrscpía Electrónica de Barrid, inicis de grietas a distancias de la superficie de la prbeta de 25 a 40 f.1r!1 (Figuras 9 y 1 0). Este puede ser un factr decisiv que cntribuye al aument de la vida a fatiga prvcad pr el arenad. Tabla JI. Prpiedades mecánicas de las diferentes tratamients. Material C.P. lis C.P. cn arenad Resistenci a máxima (MPa) 460±30 510±39 Limite elástic Ductilid 0.2% ad (%) (MPa) 155±23 46±7 188±25 39±4 Figura 6. Célula en Ti C.P. granallad cn Ti0 2 Ls implantes dentales se granallarn cn partículas de Al de tamañ medi en las cndicines citadas en ls estudis previs. Ls resultads de ls ensays de tracción se muestran en la Tabla TI. Se puede apreciar un liger aument de las prpiedades mecánicas cn el tratamient de arenad ~450 ~400 ~ tl ~!!! Ti C.P. lis J IJ Ti C.P. arenad Distancia desde la superficie [~m] Figura 8. Perfil de dureza de ls diferentes materiales estudiads. Tabla 111. Númer de cicls afi actura (N ) y defrmación plástica acumulada (Ec ) para implantes dentales cn y sin tratamient de arenad. Material N, E ±120 C.P. lis 3.7±0.8 C.P. cn 51578± ±0.5 arenad Figura 7. Célula en Ti C.P. granallad cn Ah0 3. El bmbarde de las partículas prvcó un aument muy imprtante en la dureza superficial, cm puede apreciarse en la Figura 8. Este efect se prduj hasta una prfundidad, desde la superficie, de alrededr de 40 f En la Tabla IIl se muestra el númer de cicls a fractura (Nr) y la defrmación plástica acumulada (Ecum) para ls implantes cn y sin tratamient de arenad. Se puede deducir a la luz de ls resultads, la mayr vida a fatiga del material tratad cn arenad, bservándse mediante Cm se desprende de ls resultads del númer de cicls a fatiga y de defrmación plástica acumulada a fractura, ls implantes dentales cn tratamient de arenad casi duplican el valr del cmprtamient mecánic a fatiga respect a ls que n presentan este tratamient superficial.

5 ANALES DE MECÁNICA DE LA FRACTURA Vl. 19 (2002) 529 Figura 9. Grieta generada pr fatiga en una muestra de titani que ha sid smetida al tratamient de arenad. AGRADECIMIENTOS Ls autres desean agradecer a D. Guillerm Nussbaum y D. Agustín García, de la empresa Materias Primas Abrasivas S.L., la dnación del material abrasiv y equips de arenad cn ls que se ha llevad a cab la presente investigación, así cm sus cmentaris tan valiss para el desarrll de este trabaj. Asimism, se agradece a Technally pr la dnación del titani bjet de este estudi, a la empresa Klckner pr la dnación de ls implantes, al C.A.C.T.I. pr la micrscpía electrónica de ls steblasts y a la CICYT pr la ayuda ecnómica prestada para la realización de este estudi. Finalmente, ls autres desean agradecer a la Sra. Mntserrat Marsa! ls trabajs, cmentaris y aclaracines realizads ante el micrscpi electrónic. 5. REFERENCIAS [!]. Predecki P., Stephan J.E., Auslaender B.A., Mney V.L., Kirkland K. Kinetics f bne grwth int cylindrical channels in aluminum xide and titanium. J Bimed Mater Res 1972; 6: [2]. Buser D., Schenk R.K., Steinemann S., Firelini J.P., Fx C.H., Stich H. Influence f surface characteristics n bne integratin f titanium implants. A histmrphmetric study in miniature pigs. J Bimed Mater Res 1991; 25: Figura 1 O. Grietas generadas pr fatiga en una muestra de titani sin tratamient de arenad. 4. CONCLUSIONES l. La rugsidad prduce una mejra en la adherencia celular respect a las superficies lisas. 2. La rugsidad btenida mediante arenad cn partículas de Al de tamañ median es la mejr de entre tdas las estudiadas respect a la prliferación celular steblástica. Otrs métds químics de pryección n permiten alcanzar ls niveles de rugsidad óptims. 3. La alúmina n tiene efects cittóxics, sin que incita la prliferación celular. cm han indicad ls estudis steblástics. 4. El métd de pryección de panículas abrasivas crea un estad cmpresiv superficial que mejra las prpiedades mecánicas y aumenta la vida a fatiga del implante dental, asegurand su utilización a larg plaz. [3]. Jhanssn C.B., Wenneberg A., Han C-H., Albrektssn T. A quantitative cmparisn f titanium implants, en Fifth Wrld Bimaterials Cngress, Trnt June 1996, p.478. [4]. Bwers K.T., Keller J.C., Michaels C.M. Optimitazin f surface micrmrphlgy fr enhanced steblast respnse in vitr. lnt J Oral Maxillfac Implants 1992; 7: 302. [5]. Gressner-Schreiber B., Tuan R.S. Enhanced extracellular matrix prductin and mineralitazin by stcblasts cultured n titanium surfaces in itr. J Ccll Sci 1992; 101:209. [6]. Martín J.Y.. Schwartz Z., Hummert T.W., Schraub D.M., Simpsn J., Lankfrd Jr J., Dcan D.D.. Cchran D.L., Byan B.D. Effect f titanium surface rughness n prliferatin, differentatin, and prtein synthesis f human steblast-like cells. J Bimed Res 1995; 29: l. [7]. Oshida Y., Sachdeva R.. Miyazaki S.. Daly J. Effects f sht pecning n surface cntact anglc f bimateria1s. J Matcr Sci Mater Med 1993; 4: [8]. Aparici C.. Gil F.J.. García-Alccer A.. Nussbaum G.. Padrós A., Peraire C.. Planell J.A. Fundidres 1997; 56: [9]. Aparici C., Gil F.J., García-Alccer A., Nussbaum G., Padrós A., Peraire C., Planell J.A. Fundidres 1997; 57:29-32.