Implantes Dentales de Titanio, Biocompatibilidad y Anodizado

Titanio en la Tabla Periódica de Elementos

 

Atendiendo a la pureza del titanio y de sus aleaciones, el titanio se clasifica en grados. El Titanio Comercialmente Puro (CpTi) abarca los grados de 1 a 4 y contienen cantidades de Titanio superiores al 98%. Estos grados también se denominan grados sin aleación o grados de titanio puro. Los grados del Titanio aleado abarca los grados 5 y superiores.

Los grados de Titanio puro ascienden a medida que aumenta la concentración de oxígeno. Además de oxígeno, el titanio CpTi también contiene pequeños porcentajes de nitrógeno, hidrógeno, hierro y carbono. En la siguiente tabla podemos ver cómo al aumentar la concentración de Oxígeno se obtienen mejoras sustanciales en la tensión de rotura.

Grado de TitanioHierro (Fe)Oxígeno (O)Hidrógeno (H)Carbono (C)Nigrógeno (N)Tensión de Rotura
Grado 10,2%0,18%0,015%0,08%0,03%240MPa
Grado 20,3%0,25%0,015%0,08%0,03%345MPa
Grado 30,3%0,35%0,015%0,08%0,05%450MPa
Grado 40,3%0,40%0,015%0,08%0,05%550MPa

Para que el lector se haga una idea de la tensión de rotura del titanio puro en MPa (Megapascales), un saco de 50 kg ejerce una presión sobre el suelo de unos 15.000 Pa(Pascales) que equivale a 0,015 MPa. Podemos deducir que el Titanio puro en sus diferentes grados es un material lo suficientemente resistente como para desarrollar implantes dentales. A pesar de la resistencia del titanio, es tal la frecuencia y fuerza utilizada en la masticación que existen casos de roturas de implantes dentales.

En Implantología Dental hemos de tener en cuenta el Titanio Grado 5 Ti6Al4V, que consiste en una aleación de titanio (90%), aluminio(6%) y vanadio(4%). Este tipo de titanio aumenta la tensión de rotura hasta 945Mpa, casi duplicando el Titanio de Grado 4:

Grado de TitanioTitanioAluminioVanadioTensión de Rotura (MPa)
Grado 590%6%4%945MPa

Implantes de Titanio en el cuerpo humano
[imagen 0] Implantes de Titanio en el cuerpo humano

En total y a fecha de hoy, existen unos 40 grados para denominar las diferentes aleaciones de titanio, que abarcan desde el titanio puro hasta combinaciones con vanadio, paladio, rutenio, aluminio, estaño y molibdeno. Además existen multitud de tratamientos superficiales en implantes dentales tendentes a mejorar la biocompatibilidad, la resistencia a la fatiga, la liberación de iones metálicos, etc…

Oseointegración del Titanio y Biocompatibilidad

Existen muchas aleaciones metálicas, pero muy pocas de ellas son candidatas adecuadas para la estructura base de un implante. La corrosión que ejercen los fluidos corporales sobre los metales así como la liberación de iones metálicos hacen inviable la elección de la mayoría de las posibles aleaciones metálicas. El titanio resuelve la resistencia a la corrosión de una manera satisfactoria ya que símplemente no existe corrosión. Pero además el Titanio tiene las cualidades de ser inerte en el medio fisiológico y que el hueso símplemente se adhiere a él sin efectos secundarios, que no interfiere ni degrada el medio fisiológico donde se utiliza y por tanto podemos afirmar que el titanio es un material biocompatible.

Una vez que el titanio contacta con el aire, en cuestión de nanosegundos se comienza a crear una capa superficial de óxido de titanio, y en menos de 1 segundo queda creada la capa externa de con un grosor de entre 3 y 7 nanómetros. Esta propiedad del titanio se conoce como efecto de pasivación. La capa superficial de óxido de titanio es precisamente el elemento biocompatible que se encarga de que el implante forme parte bioactiva del medio fisiológico. Esta capa superficial crece considerablemente en el proceso de mecanización de los implantes dentales, proceso en el el titanio alcanza temperaturas altas que favorecen la oxidación.

El Titanio cumple las cualidades de interés en Biomedicina:

  • Resistencia a la corrosión
  • Biocompatibilidad
  • Bioadhesión
  • Módulo de Elasticidad lo más cercano posible al hueso
  • Resistencia del material

En el diseño de implantes dentales se toman en cuenta algunos objetivos básicos:

  • Mejora de la resistencia a la corrosión y fuga de iones metálicos aumentando el grosor de la capa externa de Óxido
  • Mejora de la biocompatibilidad con tratamientos externos tendentes a dar una apariencia molecular ósea
  • Mejora de la resistencia a la fatiga aumentando la dureza externa

Otro tipo de detalles igualmente relevantes: Diseño del roscado, de espiras, mejoras y posibles disminuciones de las etapas del implante, sellado, dimensiones, incluso la inserción de dispositivos dentro del implante tendentes a mejorar la calidad ósea.

Titanio Grado 5 Ti6Al4V – Anodización

La aleación titanio grado 5 Ti6Al4V representa a fecha de hoy más del 50% del uso total de titanio a nivel mundial y ofrece una combinación de alta resistencia, peso ligero, conformabilidad y resistencia a la corrosión que se han convertido en un estándar mundial en aplicaciones aeroespaciales. Este tipo de titanio convenientemente tratado se convierte en un material altamente biocompatible con cualidades en biomedicina superiores al Titanio grados 1 al 4.

Los implantes dentales mecanizados y sin tratamiento superficial llegaría al paciente con un grosor de la capa superficial de óxido de entre 8 y 20 nanómetros, siendo muy probable que existan áreas externas en la superficie menos puras de óxido de titanio. Estas áreas pueden ser traspasadas por electrones internos y aflorar a la superficie, desnaturalizando irreversiblemente proteínas del medio fisiológico que rodea el implante.

Algunos diseñadores de implantes dentales optan por aumentar la capa externa de óxido anodizando la pieza de titanio. Con la anodización se aumentan hasta decenas de nanómetros la capa biocompatible del implante dental y se consigue una biocompatibilidad muy superior a un implante sin tratamiento.

El proceso de anodizado

El proceso de anodizado se realiza mediante electrolisis en solución de de sulfato amónico, sulfato magnésico, ácido sulfúrico y ortofosfato sódico, usualmente con un tiempo constante de unos 10 segundos y una tensión máxima de 100 voltios y según la capa de óxido titanio obtenida se observan variaciones en el color. Un aumento de voltaje por encima de 100v no supone una mejora en el grosor ni calidad de la capa externa del titanio:

Titanio Anodizado - Tabla de colores en función del grosor de anodizado
Titanio Anodizado – Tabla de colores en función del grosor de anodizado

Voltaje
(Voltios)
ColorEspesor de Capa
(Nanómetros)
Tensión de Rotura
(MPa)
0vPlata<20nm945MPa
6vMarrón Claro24,1nm1042MPa
10vMarrón Dorado36,2nm1282MPa
15vAzul Morado49,1nm1312MPa
20vAzul Oscuro58,61340MPa
25vAzul Cielo70,2nm1350MPa
30vAzul Pálido81,5nm1360MPa
35vAzul Acero92,6nm1370MPa
40vVerde Claro103,6nm1387MPa
45vAmarillo Verdoso114,7nm1410MPa
50vAmarillo Limón124,6nm1418MPa
55vDorado131,9nm1425MPa
60vRosado141nm1449MPa
65vMorado Claro157,3nm1475MPa
75vAzul176,9nm1486MPa
90vPlateado>180nm1498MPa

Si observamos las tablas anteriores, deducimos que un implante dental de titanio grado 5 anodizado en color rosado tiene una capa externa de material biocompatible de unos 141nm y una resistencia a la rotura de 1500MPa, cantidares muy superiores al titanio de grado 4 o un grado 5 sin anodizar.

Bibliografía

  • Bioscience and Bioengineering of Titanium Materials – ELSERVIER – Oshida ISBN–13: 978-0-08-045142-8 ISBN–10: 0-08-045142-X
  • Wikipedia https://es.wikipedia.org/wiki/Titanio
  • Proceedings in Manufacturing Systems, Volume 9, Issue 1, 2014, 47-52 ISSN 2067-9238. MATERIALS AND TECHNOLOGIES USED IN PRESENT DENTAL IMPLANTS MANUFACTURING
  • Endurecimiento superficial mediante tratamiento térmicos y anodizado de la aleación Ti-6A1-4U para implantes quirúrgicos. GIL, F.J.; FERNÁNDEZ, E.; ARCAS, R. Y PLANELL, J.A E.T.S. Ingenieros Industriales de Barcelona. Universidad Politécnica de Cataluña.
  • Anodizado de Aleaciones de Titanio (Ti-6A1-4U), ELI, utilizados en la fabricación de implantes. Diana Marcela Espinosa Rativa. Martha Liliana James García. Facultad de Ingenierías Fisioquímicas. Escuela de Ingeniería Metalúrgica y Ciencia de Materiales. Bucaramanga 2006
Implantes Dentales de Titanio, Biocompatibilidad y Anodizado