Состояние и развитие современных технологий обработки поверхности дентальных имплантатов

УДК 621.7

А. И. Цыганков

СОСТОЯНИЕ И РАЗВИТИЕ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕНТАЛЬНЫХ ИМПЛАНТАТОВ

Аннотация. Рассмотрены основные методы обработки поверхности дентальных имплантатов, показаны преимущества лазерной обработки. Приведены режимы лазерной обработки поверхности титана, позволяющие получить требуемые в стоматологии диаметры пор и параметры шероховатости.

Ключевые слова: дентальный имплантат, обработка поверхности, диаметр пор, шероховатость.

Введение

По данным Всемирной организации здравоохранения, более половины населения Земли в возрасте от 40 лет и старше нуждаются в восстановлении зубов. Отсутствовать может как один зуб, так и несколько, вплоть до потери всего зубного ряда. Утрата зубов наносит серьезный ущерб здоровью человека, так как при этом атрофируются челюстные кости, изменяются пропорции лица, нарушается работа пищеварительной системы, возникают косметические и речевые дефекты.

Современным вариантом замены естественных зубов на искусственные является дентальная имплантация, которая не только возвращает человеку способность полноценно пережевывать пищу и нормально говорить, но и позволяет почувствовать иное качество жизни - молодость, привлекательность, психологический комфорт. Дентальный имплантат - это титановая конструкция, устанавливаемая в кость челюсти пациента и заменяющая корень зуба. Имплантат служит опорой для фиксации искусственного зуба. В имплантате размещают специальный ортопедический элемент - абатмент, который является переходной частью между имплантатом и коронкой. Зубной протез на основе имплантата выглядит так же естественно, как и натуральный зуб. На рис. 1 приведена конструкция зубного протеза (искусственного зуба) и схема его расположения в кости челюсти пациента.

А6А"ГМ£НТ КОРОН« ДЕСНА

Рис. 1. Конструкция зубного протеза (искусственного зуба) и схема его расположения в кости челюсти пациента

Имплантат - это инородное тело, поэтому для снижения риска его отторжения и улучшения процесса заживления поврежденной в процессе установки имплантата костной ткани необходимо выполнение двух условий. Первое условие связано с правильным выбором материала имплантата, второе - с необходимостью придания определенного рельефа наружной поверхности имплантата. Если с выполнением первого условия в стоматологии проблем обычно не бывает, так как в качестве материала имплантата, как правило, используется титан, то со вторым условием возникают определенные трудности. Поверхность имплантата должна быть приближена по своей структуре к строению костной ткани, т.е. быть пористой, при этом оптимальная шероховатость по параметру Яа составляет 2-4 мкм, а диаметр пор на поверхности имплантата должен быть равен 3-11 мкм [1]. Превышение параметров шероховатости поверхности имплантата нежелательно, так как может привести к адгезии микроорганизмов вокруг имплантата. Пористость активизирует прорастание костной ткани вовнутрь имплантата, что помогает более быстрому его вживлению. Развитый рельеф поверхности имплантата способствует тому, что неровности на ней обеспечивают зацепление новообразованной костной ткани с поверхностью имплантата. Также неровности обеспечивают хорошую гидрофильность, т.е. смачиваемость поверхности, так как увеличивается взаимодействие с биологическими жидкостями и клеточными элементами, что обеспечивает получение хороших показателей приживляемости (остеоинтеграции) на ранних этапах.

Для обеспечения требуемого рельефа поверхности имплантата используют различные технологии обработки. Проведем анализ технологий, применяемых при изготовлении дентальных имплантатов.

1. Воздушно-абразивная обработка с последующим протравливанием в кислотах

При воздушно-абразивной обработке шероховатость создают бомбардировкой имплантатов металлической или керамической крошкой. Ее можно применить в начале или в конце процесса для получения желаемого рельефа поверхности. Наиболее распространенными материалами, используемыми для бомбардировки, являются окись алюминия (ЛЬ20з), окись титана (ТЮ2) и фосфат кальция (Саз(Р04)2). Размер частиц, давление и длительность бомбардировки при воздушно-абразивной обработке влияют на параметры рельефа поверхности. Протравливание кислотой способствует формированию пористой поверхности имплантата. Размеры пор варьируются в зависимости от используемой кислоты. Применение соляной (НС1) или серной (ШБ04) кислот обычно приводит к появлению пор диаметром 1-2 мкм, в то время как использование фтористоводородной (НР) или азотной (НМОз) кислот формирует поры диаметром 5-10 мкм. Шероховатость при такой обработке по параметру Яа составляет 2-3 мкм. Полученная таким способом поверхность показана на рис. 2. Однако данная технология имеет существенный недостаток: частицы абразива и следы кислот остаются на поверхности имплантата даже после очистки и стерилизации [2].

Рис. 2. Поверхность имплантата, полученная воздушно-абразивной обработкой с последующим протравливанием в кислотах

2. Плазменное напыление титанового порошка

Процесс плазменного напыления осуществляется введением в плазменную струю титанового порошка, что сопровождается расплавлением и ускорением частиц при движении в потоке плазмы с последующим их осаждением на поверхности имплантата. Находясь в расплавленном состоянии, частицы осаждаются на подложку, конденсируются и слипаются друг с другом, формируя сплошную пленку. Для того, чтобы поверхность имплантата стала однородной, толщина поверхностного слоя должна достигать 40-50 мкм. В результате этой процедуры образуется поверхность с шероховатостью по параметру Яа около 7 мкм, что приводит к увеличению площади поверхности имплантата. Однако поры имеют сложную форму и большой разброс в размерах. Поверхность, полученная плазменным напылением титана, показана на рис. 3. Существенным недостатком этой технологии является низкое сцепление напыленного слоя на металлической основе имплантата, что вызывает его проникновение в окружающие ткани челюсти [2].

Рис. 3. Поверхность имплантата, полученная плазменным напылением титанового порошка

3. Плазменное напыление кальцийфосфатной керамики

Рельеф поверхности, получаемый с помощью этой технологии, такой же, как при напылении титанового порошка (рис. 4). В качестве ингредиентов керамики применяются фосфаты кальция: трикальцийфосфат (ТКФ); гидроксиапатит; тетракальцийфосфат.

Рис. 4. Поверхность имплантата, полученная плазменным напылением кальцийфосфатной керамики

Кальцийфосфатные соединения обладают высокой степенью биосовместимости, обеспечивают хорошую адгезию белков и костных клеток. Степень биосовместимости кальцийфосфатного материала зависит от его кристалличности и пористости. Кальций-фосфатные соединения резко усиливают прочность соединения с костью. Недостатком этой технологии является то, что нагрузка может вызвать разрушение костного ложа имплантата из-за отсутствия амортизации [2].

4. Анодирование

Получение поверхности с пористым рельефом возможно путем потенциостатиче-ского или гальваностатического анодирования титановой поверхности, находящейся в среде сильных кислот (H2SO4, H3PO4, HF, HNO3) с высокой плотностью тока (200 A/m2) или напряжения (100V). Следствием анодирования является получение поверхности имплантата с толщиной оксидной пленки более 1 мкм, представленной на рис. 5. Размер пор и шероховатости сложно регулировать, так как образование оксидной пленки происходит неравномерно. Регулирование размера пор и шероховатости осуществляется с помощью подбора электролита и токовых режимов. Результатом анодного оксидирования титановой поверхности является улучшение биомеханических характеристик костно-имплантационного взаимодействия, выражаемого в значительном упрочнении фиксации за счет увеличения количества контактов между имплантатом и костной тканью. Сила сцепления у имплантатов с поверхностью, подвергнутой анодному оксидированию выше по сравнению с гладкими (необработанными) имплантатами того же размера и формы. Недостаток этой технологии - применение сильных кислот, которые могут остаться в порах поверхности [2].

Рис. 5. Поверхность имплантата, полученная анодированием 5. Микродуговое оксидирование

Процесс обработки схож с анодированием, но протекает при больших показателях силы тока и напряжения. При данном способе на обрабатываемой поверхности образуются микроразряды электрического тока. Поверхность, полученная микродуговым оксидированием, показана на рис. 6.

Рис. 6. Поверхность имплантата, полученная микродуговым оксидированием

Параметры рельефа регулируются так же, как и при анодировании. Применение данной технологии позволяет получать на поверхности керамические слои (покрытия) с кристаллической и аморфной структурой толщиной от нескольких микрометров до нескольких десятых долей миллиметра широкого функционального назначения. Результаты доклинических испытаний имплантатов, поверхность которых обработана по данной технологии, указывают на интенсивно протекающие процессы приживления [3]. Недостатком этой технологии является необходимость использования кислотных и щелочных растворов, которые могут оставаться в пористой поверхности после отмывки и стерилизации имплантата [3].

6. Лазерная обработка

Обработка поверхности имплантата осуществляется лучом лазера, который, воздействуя на поверхность, приводит к нагреву, плавлению и испарению титана. Перемещая луч по поверхности имплантата, можно получить различный рельеф поверхности. Использование лазерной обработки позволяет повысить микротвердость и стойкость к коррозии вследствие образования оксидного слоя. Поверхность, полученная лазерной обработкой, представлена на рис. 7. Варьируя режимы лазерной обработки, можно получить поверхность с заданным диаметром пор и размером шероховатости. Лазерная обработка является более технологичной по сравнению с рассмотренными выше методами и не требует расходных материалов; получаемая поверхность, лишенная остатков кислот или частиц абразива, отличается высокой чистотой. Диаметр пор при лазерной обработке 5-50 мкм, шероховатость по параметру Яа составляет 2-10 мкм [4].

Рис. 7. Поверхность имплантата, полученная лазерной обработкой

Кафедра «Технология машиностроения» Пензенского государственного университета совместно с ОАО «Научно-исследовательский институт электронно-механических приборов» проводит исследования по подготовке производства дентальных имплантатов и вспомогательных компонентов. Для отработки технологии из титанового прутка были изготовлены диски диаметром 8 мм, толщиной 5 мм. После этого их поверхность была обработана на лазерном комплексе «FMark-20RL» при следующих режимах обработки: мощность - 5 Вт; скорость - 700 мм/с. С помощью электронного растрового микроскопа Zeiss SIGMA VP был проведен анализ полученной поверхности, который показал, что поры имеют диаметр от 5 до 10 мкм, а поверхность состоит из чистого титана и оксида титана (рис. 8).

Рис. 8. Поверхность титанового диска, полученная лазерной обработкой на комплексе «FMark-20RL»

С помощью профилометра «Mitutoyo Surftest SJ-210» были произведены замеры шероховатости поверхности после машинной обработки - Ra = 0,42 мкм; лазерной обработки - Ra = 3,72 мкм. Полученное значение шероховатости после лазерной обработки лежит в оптимальных пределах.

Заключение

Сравнительный анализ существующих технологий обработки поверхности дентальных имплантатов показал, что лазерная обработка наиболее перспективна, так как позволяет получить однородный рельеф поверхности и требуемые в стоматологии параметры шероховатости и диаметр пор.

Список литературы

1. Сайт Чикагского центра современной стоматологии. - URL: http://www.chicagocentre.com/ implants.shtml

2. Сайт врача-имплантолога Г. А. Волошина. - URL: http://gvolozhin.narod.ru/stati/

3. Особенности формирования оксидокерамических слоев на поверхности имплантируемых конструкций методом микродугового оксидирования / А. Н. Митрошин, И. А. Казанцев, А. О. Кри-венков [и др.] // Ползуновский альманах. - 2007. - № 1-2. - С. 119-122.

4. Чо, С. А. Усилие при выкручивании титановых имплантатов с поверхностью, обработанной лазером, из большеберцовой кости кролика / С. А. Чо, С. К. Юнг // Дентальная имплантология и хирургия. - 2011. - № 3 (4). - С. 45-48.

Цыганков Алексей Игоревич Tsygankov Aleksey Igorevich

магистрант, master degree student,

Пензенский государственный университет Penza State University

E-mail: cygankv-aleksejj@rambler.ru

УДК 621.7 Цыганков, А. И.

Состояние и развитие современных технологий обработки поверхности дентальных имплантатов / А. И. Цыганков // Вестник Пензенского государственного университета. - 2013. - № 2. - C. 112-117.