Implantes Dentales de Titanio – Tratamientos Superficiales

 

Dentro del conjunto de los diferentes materiales usados para endoprótesis, se cataloga al titanio como el material más versátil, tanto en aspectos biomecánicos como de biocompatibilidad. En relación a otros materiales el titanio muestra unas condiciones ventajosas como son la alta ductibilidad y resistencia a la tracción. Su módulo de Young (elasticidad) es el que más se acerca al propio hueso maxilar. Además de todas estas características el titanio tiene una alta capacidad de pasivación y autorrepasivación. La pasivación se trata de una capa de óxido autogenerada por el metal al contacto con el oxígeno del aire. Esta pasivación protege y enmascara al metal en contra de la acción de agentes externos. En endoprótesis e implantología, el óxido superficial del titanio sirve precisamente para efecto contrario, que es evitar que iones metálicos del propio material salgan a la superficie y entren en contacto con el medio fisiológico del paciente (metalosis).

Grado ASTM
Propiedades mecánicasGr. 1Gr. 2Gr. 5Gr. 7Gr. 9Gr. 13Gr. 23
Resistencia a la Tracción (Mpa)240,00345,00895,00345,00620,00483,00828,00
Reducción de Área (min, %)30,0030,0025,0030,0025,0025,0015,00
Elongación (in 4D, min, %)24,0020,0010,0020,0015,0018,0010,00
Resistencia Elástica (Mpa)170,00275,00825,00275,00483,00345,00759,00
Dureza Interpolada *Rb70Rb80Rc36Rb80Rc28Rc17*

Si bien se acepta el término de “biocompatibilidad del titanio” por simplificar, podría ser igualmente acertado hablar de la “biocompatibilidad del óxido de titanio”. Sin embargo el óxido de titanio en sí mismo carece de las cualidades biomecánicas del titanio. De esta manera entendemos al titanio en sus diferentes grados de pureza y aleaciones como el conjunto de su capa superficial y su interior, que ofrece unas altas cualidades biomecánicas y de biocompatibilidad.

Desde el descubrimiento del titanio a finales del siglo XVIII no se ha parado de investigar y mejorar sus propiedades con aleaciones y tratamientos químicos, siendo la segunda mitad del siglo XIX donde el titanio se incorpora con pleno derecho a la industria. En la década de 1950 la Unión soviética incorpora el titanio en su industria militar. Durante la guerra fría se consideró al titanio como un material estratégico para la industria militar. Actualmente la “American Society for Testing and Materials” reconoce hasta 30 grados de titanio y aleaciones. Aunque probablemente existan más tipos de aleaciones no contempladas y desarrolladas en la industria privada o militar.

Los tratamientos superficiales del titanio destinados endoprótesis tienen como objetivo:

  • Un aumento de la dureza superficial y como consecuencia un aumento de resistencia a los momentos de compresión
  • Un aumento de la resistencia al desgaste
  • Un aumento de la resistencia a la corrosión
  • Un aumento de la resistencia a la polarización.
  • Una disminución del coeficiente de fricción (Caso de articulaciones de Titanio)
  • Reducción de la liberación de iones de titanio al medio fisiológico. Esta reducción oscila entre un 40 y un 80% dependiendo del tipo de tratamiento. Como consecuencia existe una disminución irritaciones locales y metalosis.

Existen múltiples sistemas de modificaciones superficiales con diferentes finalidades. Además estas técnicas suelen combinarse de manera para conseguir diversos objetivos. En el caso del titanio para implantes dentales este tipo de tratamientos se realizan con los siguientes propósitos:

  • Aumento de superficie de contacto con el implante mediante rugosidades
  • Aumento de la dureza y resistencia superficial
  • Incorporación de elementos osteoconductores
  • Aumento de la capa externa de óxido de titanio con el fin de evitar la la salida de electrones a la superficie (metalosis)
  • Eliminación de restos contaminantes procedente de otros tratamientos superficiales (sílice, alúmina…)

Algunos tipos de superficies aplicados al titanio para implantes dentales:

  • Superficies electropulidas
  • Superficies torneadas o mecanizdaas
  • Recubrimentos de osteconductores mediante plasme en frio. TPS (titanium plasma-sprayed) surface
  • Arenado de superficie con óxido de titanio TiO2
  • Arenado de superficie con alúmina (Al2O3) con diferentes tipos de grano
  • Arenado de superficie con alúmina de diferentes diámetros (Al2O3) combinado con grabados ácidos
  • Mecanizado combinado con grabados ácidos
  • SLA™ – Arenado de superficie con óxido de titanio TiO2 y alúmina (Al2O3) y grabado ácido
  • RBM (Resorbable Blast Media) – Bombardeo de la superficie con derivados del calcio y/o óxido de titanio seguido de marcado por ácido.

Implante dental PIFER con tratamiento RBM
Implante dental PIFER con tratamiento RBM

Anodizado superficial del titanio

Este tipo de anodizado sobre implantes dentales se realiza por electrolisis en tensiones de 1 a 60 voltios con el objeto de aumentar el grosor de la capa oxidada externa del metal. De manera natural la capa externa mide entre 3 y 5 nanómetros. Después de finalizado el proceso se pueden llegar a grosores de entre 20 y 350nm dependiendo del voltaje aplicado y la naturaleza de la aleación. El anodizado del titanio para endoprótesis suele venir acompañado de tratamientos térmicos de revenido

Dependo del tiempo del tiempo y de la tensión eléctrica aplicada, se consiguen grosores de hasta 400nm y colores característicos. Por ejemplo, un grosor de 350nm de manera aproximada se consigue con una tensión de 58v aplicados durante 8s. Este anodizado tendría un color rosado.


 Implantación iónica

Mediante este proceso se consiguen espesores de endurecimiento superficial de hasta centenas de nanómetros. Dependiendo de la aleación del titanio y el tipo de iones aportados, los espesores de dureza alcanzan hasta 0.5µm. En el caso del titanio grado 5 (Ti6Al4V) bombardeado con iones de Nitrógeno se consigue la máxima dureza a unos 50nm de la superficie, alcanzando hasta un 170% del aumento porcentual de la dureza del titanio. La capa total de endurecimiento supera los 400nm de profundidad. El endurecimiento disminuye a medida que aumenta la profundidad.

Gráfico de dureza en tratamientos superficiales del titanio por Implantación iónica
Gráfico de dureza en tratamientos superficiales del titanio por Implantación iónica

El proceso estriba en el bombardeo de la superficie metálica a endurecer con iones seleccionados dentro de una cámara de vacío (10-4mbar) con una energía variable o continua de entre 50 ~ 200KeV. Los iones penetran en la superficie hasta detenerse. La distancia de frenado de estos iones dentro del metal viene a coincidir con la profundidad de endurecimento. El grado de endurecimiento es proporcional a la velocidad de penetración del ión en un instante determinado. Una vez detenidos los iones en el interior del metal, este responde con torrentes de impactos atómicos. Los iones de bombardeo en el titánio usados con más asiduidad son el carbono y el nitrógeno.

Estos tratamientos superficiales del titanio suelen estar acompañados de otro proceso denominado plasma frio(<100 °C/210 °F), encaminado a esterilizar la pieza de titanio. Este proceso modifica la estructura superficial del titanio a una profundidad de fracción de 1µm.


 

 

 

Chorro de arena y texturizado superficial

Este sistema de tratamiento superficial tiene 3 propósitos prioritarios:

    • Crear una superficie rugosa con finalidad de aumentar la superficie de contacto con el hueso maxilar
    • Limpieza de contaminantes de la superficie del titanio
    • Creación de una superficie que facilite las fuerzas residuales de compresión

Las alternativas superficiales para obtener una oseointegración y biofuncionalidad satisfactorias consisten en superficies con perfiles roscados o ranurados, superficies porosas y rugosas. La aspereza superficial del material influye positivamente en las propiedades mecánicas de la conexión implante-hueso Las longitudes de penetración de los tratamientos de rugosidad superficial oscilan entre 10nm y 10µm, que coinciden con la escala del tamaño entre células y biomoléculas grandes. Se sabe que una superficie microrugosa en contacto con el hueso mejora el tiempo de adhesión de iones minerales, átomos, células y biomoléculas.

Estos tratamientos superficiales de devastación por chorro de arena usualmente se realizaban mediante polvo de alúmina (Al2O3) o sílice SiO2 fueron abandonados o se están abandonando paulatínamente por los problemas postoperatorios que acompañaban. Hoy día se realizan con chorro de polvo de compuestos derivados del calcio, siendo uno muy extendido en estatécnica Fosfato Cálcico o BCP. El tratamiento superficial del titanio mediante chorro de derivados del calcio (ej, beta-fosfato tricálcico – Hidroxiapatita – HPA) es denominado por autores y empresas como tratamiento RBM (Resorbable Blast Media).

Granallado mecánico y por láser

El granallado es un proceso similar el chorro de arena pero más localizado. Se trata de un proceso en frío que consiste en disparar con pequeñas esferas la superficie del titanio. Cada disparo actúa como un martillo golpeando la superficie metálica (deformación o forjado en frio) creando una serie de hoyuelos. Debajo de cada área golpeada por estas esferas aparece una masa de titanio altamente estresado y resistente a los momentos de fuerzas de compresión.

Según Yoshiki Oshida de la Indiana University y profesor emérito Syracuse University, usando la refracción de rayos X, encontró que estas tensiones del la superficie del titanio tratado con granallado mecánico alcanzan una profundidad de hasta 50µm.

El granallado por láser se presenta como un medio sin contacto y sin contaminación. Se trata de pulsos laser de alta intensidad en periodos de nanosegundos. Según Cho y Jung (Cho S-A, Jung S-K. A removal torque of the laser-treated titanium implants in rabbit tibia. Biomaterials 2003;24:4859–4863) en sus investigaciones, insertaron conejos blancos tornillos de CPTi (Commercial Pure Titanium) tratados por láser y por mecanizado. Los torques de extracción fueron netamente superiores en los tratados con láser. 62.57Ncm para el tratado con laser frente a un pobre 23.58Ncm para el mecanizado. La profundidad de dureza en el implante tratado con laser llega has los 20µm. Profundidad muy superior al tratamiento por anodizado que puede llegar a unos pocos cientos de nanómetros.

Recubrimiento por proyección por plasma

Es un sistema de recubrimiento térmico para aplicar elementos cerámicos y metálicos sobre superficies metálicas sin el calentamiento de estos últimos. Un arco eléctrico a alta temperatura proyecta materiales recubridores pulverizados con temperaturas cercanas a la fusión que queda.

Este sistema es de gran fiabilidad y como ejemplo, señalar su utilización en válvulas de admisión y combustión motores y álabes de turbinas. En el titanio para implantología cobra relevancia los recubrimientos de Hidroxiapatita HAp( Ca5(PO4)3(OH) ), un osteoconductor muy efectivo. Este compuesto está presente en el esmalte dental y en los huesos.

Revestimientos de superficie del titanio

Como el lector podrá entender un revestimiento o recubrimiento de un implante necesitará de una técnica muy depurada de deposición, con el fin de evitar los desprendimientos de capas depositadas.

Se han puesto en práctica una gran cantidad de técnicas de revestimiento de implantes de titanio utilizando elementos biocerámicos osteoconductores de fosfato de calcio (con sus variaciones y derivados), titanio, aleaciones de magnesio, aceros quirúrgicos austeníticos, alúmina, zirconia, polímeros y carbonos. Para ello se utilizan métodos no térmicos, térmicos y mixtos. Todos estos recubrimientos están enfocados a una mayor efectividad del resultado del implante.

Uno de los materiales osteoconductores más relevantes en recubrimiento de implantes es la Hidroxiapatita ( Ca5(PO4)3(OH) ), un material osteoconductor
formado por fosfato de calcio cristalino, compuesto muy presente en el esmalte dental y en los huesos.

En el revestimiento del titanio se usan al menos 3 capas. Cualquier estres de la capa conectada al titanio superior al momento de fuerza, puede desembocar en un deslaminado del recubrimiento.

Estos recubrimientos pueden ser de carbón, cristal, recubrimientos cerámicos, hidroxiapatita, fostato de calcio bioactivo, recubrimiento de TiO2 y otros recubrimientos de derivados del Titanio.

Día a día se están mejorando todos estos tipos de tratamientos superficiales con objetivos muy marcados: Mejorar la osteoconductividad, la osteintegración, la duración del implante y la comodidad del paciente.

Implantes Dentales de Titanio – Tratamientos Superficiales

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