Biomaterialele utilizate in implantologia orala

Biomaterialele utilizate in implantologia orala

Biomaterialul - un material biologic , care introdus in organismul uman temporar sau definitiv actioneaza sub

" constrangerea biologica " a tesuturilor inconjuratoare

Biomaterialele trebuie sa aiba cateva elemente comune:

- sa nu interfereze negativ cu gazda

- " prima data sa nu faca rau "

Pentru definirea biomaterialului vom urmari:

- specificitatea mediilor biologice si actiunea acestora asupra biomaterialelor

- reactiile de la interfata tesut biologic - biomaterial legate de actiunea tesutului asupra biomaterialului

- reactiile ce au loc la interfata tesut biologic - biomaterial legate de actiunea biomaterialului asupra tesuturilor inconjuratoare

- compararea calitatilor biomaterialelor si utilizarea acestora in terapia implanto - protetica in functie de primele 3 aspecte

1. Mediile biologice si reactiile lor la contactul cu biomaterialele

Vom studia mediile biologice cu care biomaterialul - implantul - va veni in contact.

SALIVA

Este un mediu biologic complex al cavitatii bucale, cu care implanturile si lucrarile protetice vin in contact.

Compozitia salivei:

- apa

- saruri minerale

- materii organice

- enzime

- factori imunologici

- hormoni

- vitamine

Secretia salivara are urmatoarele caracteristici:

- fluctueaza cantitativ si calitativ intr-o stransa interdependenta

- aceste fluctuatii definesc si concentratiile in clor si pH-ul

- unii constituenti salivari cresc sau scad in saliva in functie de fluxul acesteia

- echilibrul acido - bazic ( pH )depinde de varietatea secretilor salivare care este :

- zilnica

- sezoniera

- mai redusa noaptea si vara

- in functie de alimentatie

PH-ul salivar mediu este de 6,8

- este influentat de:

- alimentatie

- medicamente

- pH-ul unui alcoolic este acid

- medicatia psihotropa duce la un pH salivar acid

- difera de la barbati ( 6,73) la femei ( 7,05 )

- pH-ul mediu la un edentat total este de 6,51

- pH-ul mediu la un dentat este de 6,71

- purtatorii de proteze acrilice au un pH mediu de 6,3

Modificarile pH-ului pot genera:

- alterarea proprietatilor salivare

- perturbarea ecosistemului florei bucale

- bacteriile bucale se-nmultesc la un anumit pH salivar optim

- dezechilibrul pH-ului bucal genereaza dezechilibre ale florei bucale cu alterarea enzimelor ce participa la apararea structurilor parodontale si periimplantare

- pH-ul salivar influenteaza electrochimic (coroziune) cu oxidarea biomaterialelor

DECI: Saliva este un excelent electrolit cu     variatii de pH intre 4,5 - 8 si cu actiune directa asupra biomaterialelor

PLASMA SANGUINA

SI LICHIDUL INTERSTITIAL

- formeaza un fluid electrolitic al unor elemente componente similare celor din saliva

- anionul cel mai important ca si in saliva este clorul in concentratie de 3,65 g/l

- clorul este un anion ce formeaza un sistem tampon , care mentine pH-ul intre 7,35 - 7,45

- pH-ul periimplantar ramane acid cateva zile dupa interventie si trece spre bazic o data cu vindecarea osoasa

Dupa insertia implantului are loc:

- formarea unui cheag sanguin periimplantar

- aparitia lichidului interstitial care scalda implantul

- lichidul interstitial este un ultrafiltrat al plasmei cu electoliti fundamentali ca cei din sange, dar cu un continut de clor mai mare

- lichidul interstitial este intr-o continua remaniere cu variatii inclusiv in concentratia de oxigen

- intre saliva si lichidul interstitial concentratia de oxigen difera

- implantul este supus unei concentratii de oxigen variabila ce poate duce la coroziune

Rolul clorurilor in interactiunea dintre mediul biologic si implant

- actiunea coroziva a mediului biologic este determinata de ionii clorurati, din care ionul de clor este cel mai important

- ionul Cl ^- induce coroziunea prin " ciupituri " , care incep de la suprafata spre profunzime

- ionii clorurati nu pot actiona asupra

- ceramicii de aluminiu

- ceramicii de zirconiu

- oxidului de titan

Rolul proteinelor in interactiunea

mediu biologic - implant

- proteinele au o actiune coroziva asupra anumitor metale

- otelul inox a fost supus la coroziune accelerata in 2 medii diferite :

- solutie izotonica 0,9% NaCl

- solutie izotonica cu aditiv de 100% ser bovin

- mediile biologice mai bogate in saruri sunt mai corozive

- metalele cele mai sensibile la actiunea proteinelor sunt in ordine descrescatoare :

- cobaltul

- cuprul

- nichelul

- cromul

- metalele rezistente la actiunea proteinelor :

- aluminiul

- titanul

- molibdenul

- zirconiul

- cele mai agresive proteine au fost :

- albuminele

- macroglobulinele

- acestea oxideaza metalele prin gruparile bisulfat formand complexe metalice

- proteinele induc coroziune preferentiala , dar numai asupra metalelor corozive

Specificitatea implantului oral

- implantul oral este intra - extra tisular

- asupra implantului actioneaza 2 medii biologice

- mediul salivar

- mediul biologic intratisular

- osul si tesutul gingival prin care trece implantul sunt de regula medii biologice omogene si constante

- saliva este un mediu biologic cu mari fluctuatii

- urmatoarele fluctuatii ale mediilor biologice afecteaza implantul:

- temperatura

- alternanta contraciilor mecanice

- pH - ul

- continutul in electroliti

- limita dintre mediul intratisular si extratisular al unui implant este inelul epitelio-conjunctiv

2. Reactiile de la interfata
tesut biologic - implant
legate
de actiunea tesutului asupra biomaterialului (implantului )

Actiunea tesutului biologic asupra unui implant se defineste mai ales prin coroziune

Coroziunea

- este un proces de distrugere al unui metal prin reactii electochimice, ce au loc intre metal si mediul biologic

- metalele corodeaza avand tendinta sa revina la starea lor stabila, in care se gasesc in natura

- coroziunea este generata de 2 tipuri de reactii electrolitice:

- reactia de oxidare , ce descompune metalul

- reactia de reducere a corpurilor aflate in electroliti

Coroziunea impune:

- un sistem apt de a declansa reactia de oxidare a metalului

- un mediu electrolitic , care sa induca oxidarea, bun conducator de electroliti

- oxidarea si reducerea cu reactii electrochimice ce au un potential de echilibru

- materialul introdus in electrolit ia in final o valoare de potential cuprinsa intre 2 potentiale de echilibru

- potentialul de echilibru mai este denumit:

- potential de coroziune

- scara galvanica

- metalele nobile au un potential de coroziune superior celor nenobile

- doua materiale intr-un mediu electrolitic vor genera:

- corodarea negresita a metalului cu un potential de coroziune mai scazut

- fenomenul de coroziune este dependent de:

- pH-ul mediului

- de concentratia de ioni de oxigen, clor

- de gradientele acestor factori

- trebuie sa evitam polimetalismele cu coroziuni si metaloze

Tipuri de coroziuni

- sunt dependente de:

- electrolitul ce inconjoara metalul

- de metalul utilizat

- de conditiile de utilizare a materialelor

a) Coroziunea uniforma

- metalul " se dizolva " regulat si uniform in mediul electrolitic

- metalul pierde continuu din greutate

- de regula apare cand sunt polimetalisme

- suprafata corodata este lustruita si stralucitoare

b) Coroziunea intergranulara

- are loc la metalele aliate sub forma de juxtapozitii de granule elementare

- materialul care uneste aceste granule va avea o compozitie diferita si mai fragila la coroziune

- coroziunea are loc pe liniile care unesc granulele

- coroziunea merge in profunzime scazand rezistenta

- aspectul de suprafata este granular

c) Coroziunea prin ciupituri

- coroziune localizata la granulele metalului

- merge in profunzime sub forma de intepaturi

- este favorizata de ionii de clor din electrolit si impuritatea metalului

d) Coroziunea cavernoasa

- apare in zonele de strangulare a metalului, in zonele interstitiale si ascunse unde concentratia de oxigen este diferita

- apare la lucrarile protetice cu unghiuri intre coroana si corpul de punte

e) Coroziunea sub tensiune

- apare la metalele aliate cu cristalizari defectuoase sau care prezinta impuritati

Mediul biologic influenteaza coroziunea prin:

- aeratii diferentiate

- compozitia mediului

- variatiile pH-ului

- gradientul de temperatura

La o aeratie variabila apare:

- zona catodica cea mai oxigenata

- zona anodica cea mai putin oxigenata

Aceste zone apar mai ales in :

- arii cu acces dificil la curatire

- arii acoperite cu tartru

- arii acoperite de tesut moale

Compozitia electrolitului influenteaza coroziunea:

- ionii de clor sensibilizeaza metalul la coroziune

- clorul genereaza variatii de pH in cavitatea bucala

- la nivelul plagilor pH-ul ajunge la 4,5

- reactiile electrochimice de coroziune sunt sensibile la modificarile de pH

- coroziunea este mai accentuata in mediu acid

- gradientul de temperatura favorizeaza aparitia termopilelor

Factorii inhibitori ai coroziunii:

- puritatea metalului si calitatea ca biomaterial

- calitatea mediului biologic

- polizarea unei suprafete corodate duce la scaderea coroziunii apoi la cresterea acesteia , daca suprafata nu se lustruieste

- pasivitatea de suprafata ( oxidul de titan )

Locul produsilor de coroziune in organism

- produsii de coroziune trec in mediile biologice sub forma de cationi migrand in diferite organe

- ionii metalici reactioneaza cu compusii mediilor biologice precum:

- apa

- compusii organici

- compusii anorganici

- tesuturile

- o parte din acesti ioni ramane libera si prin difuziune se mobilizeaza

- o alta parte din ionii de coroziune se combina cu moleculele organice si tesuturile

- cantitatea ionilor difuzati depinde de:

- concentratia locala

- constanta de difuziune

- de tipul mediului ce inconjoara metalul

- capsulele fibroase nevascularizate impiedica difuziunea ionilor

- reactia inflamatorie si vasculara favorizeaza difuziunea ionilor

Produsii de coroziune ai otelului inoxidabil

Otelul inoxidabil are urmatoarea compozitie:

a) fier

b) nichel

c) crom

d) cobalt

e) molibden

a) Fierul

- fierul eliberat prin coroziune se afla in organism :

- local :

- depozite intracelulare

- depozite extracelulare

- in reacte cu apa formand oxizi ce genereaza inflamatie si/sau necroza tisulara

- la distanta :

- legat de transferina in circulatia sangvina

- se depune in tesuturile bogate in hemoglobina:

- ficat

- rinichi

- oasele spongioase

Eliminarea ionilor de fier se face de regula pe cale renala .

b) Nichelul

- apare dupa coroziune:

- ca ion bivalent Ni ²⁺

- ionii mobili genereaza forme anorganice, insolubile

- poate dezvolta neoplasme

- se leaga putin de tesuturile locale

- prezinta o mare afinitate pentru albumina fiind astfel transportat la distanta interferand cu metabolismul

- localizarea Ni sub forma ionica se face in:

- ficat

- plamani

- piele

- mucoase

- glande sudoripare

- Ni poate forma complexe anorganice generand:

- reactii alergice

- tumefactii locale dureroase

- eczeme

- urticarie

Nichelul are un mare potential carcinogenetic.

c) Cromul

- se afla in mediu seric ca ion hexavalent si ion trivalent

- ionul de Cr ⁶⁺ este de 100 de ori mai tozic ca cel de Cr ³⁺

- ionii de crom au afinitate celulara mare

- cromul ionic se combina cu macroglobulinele gasindu-se mai ales in :

- plamani

- splina

- rinichi

- eliminarea se face prin:

- rinichi

- bila

- cromul poate da reactii alergice

- are calitati mutogene si cancerigene

Cobaltul

- se elibereaza in mediu seric sub forma ionica formand complexe cu

- celulele din jur

- albumine

- se afla local si la distanta

- interfereaza cu metabolismul celular

Molibdenul

- se afla sub forma ionica in tesuturile adiacente

- in concentratii mari interfereaza cu metabolismul calciului si fosforului

- eliminarea se face rapid si eficace prin rinichi

Produsii de coroziune ai titanului

- dupa coroziune titanul apare in mediile biologice sub forma de ioni trivalenti Ti ³⁺

- se leaga rapid cu moleculele organice stabile

- se concentreaza la locul de insertie in tesut a metalului

- la distanta se afla in splina si plamani

- este absent in ficat si rinichi

- nu se cunosc forme de alergii generate de Ti

- formeaza complexe stabile cu proteinele

- in prezenta altor metale induce hipersensibilitate

- se recomanda utilizarea Ti in forma pura

Produsii de coroziune ai ceramicii de Al

- ceramica de aluminiu este un oxid de aluminiu

- se mai numeste si alumina

- este un oxid foarte stabil - aproape inert chimic

- se leaga strans cu proteinele si mucopolizaharidele inconjuratoare

- este " mascata " astfel de substantele inconjuratoare nefiind perceputa ca un corp strain

- se afla local si la distanta in ficat si ganglionii limfatici

- nu este alergenic sau cancerigen

- in concentratii mari poate inhiba mineralizarea

3. Biomaterialele si reactiile lor cu mediul biologic

- biomateral = un corp strain acceptat de organism

- biocompatibilitatea unui biomaterial se exprima prin:

- biocompatibilitate tisulara

- biocompatibilitate mecanica

Biocompatibilitatea tisulara

- nontoxicitate fata de zona in care materialul este introdus

- se determina prin teste in vitro si in vivo inainte de utilizarea materialului la om

- de regula testele se fac pe medii , care nu sunt identice cu cele umana

- influenta factorului timp este dificil de urmarit experimental

- cel mai greu de evidentiat sunt efectele toxice pe termen lung

- testele in vitro nu ofera cele mai fidele si precise rezultate - dau rezultate de ordin general

- cate tipuri de celule pot fi utilizate pentru testele in vitro ?

- se pot folosi linii celulare indiferent de tipul fibroblastilor?

- putem extrapola la om rezultatele obtinute pe animale ?

- care animal are cea mai mare similititudine tisulara cu omul

Testele de bio - compatibilitate

Testele in vitro

- se fac pe culturi celulare

- permit o evaluare statica a rezultatelor

- se pot repeta de cate ori vrem

- evidentiaza citotoxicitatea generala si specifica a materialului experimentat

- citotoxicitatea se face pe celule specializate exprimate prin interferarea asupra fenotipului celulelor cu modificarea sintezei si a produsilorextracelulari si a enzimelor

- se poate determina astfel biocompatibilitatea bazala si cea specifica

- unele materiale interfereaza cu cele 2 forme de biocompatibilitate, altele doar cu una : cea specifica

- biocompatibilitatea specifica a fost studiata doar prin teste de citotoxicitate

- experimentul se poate face prin :

- contactul direct

- de difuziune de-a lungul aga - agarului

- de insamantare in densitate crescuta

- de insamantare in intensitate mica ( mai sensibila la toxicitatea produsilor de coroziune )

Testarea in vitro a otelului inox

- a fost testat pe culturi celulare sau tisulare sub forma:

- produsilor de extractie

- sarurilor metalice in diferite concentratii

- insamantare pe fibroblasti de soarece in densitate mica

- prin metoda contactului direct s-a evidentiat necroza celulara la contactul celula - metal

- produsii de coroziune nu afecteaza cresterea celulara, dar pot induce necroza celulara

- sarurile metalice ale aliajelor in cultura de fibroblasti duc la moarte celulara astfel

- nichel 30 %

- crom 15 %

- fier 5 %

Este clar dovedita astfel toxicitatea tisulara a otelului inox in contact cu tesutul uman .

Testarea in vitro a titanului

- titanul a fost testat pe:

- culturi celulare

- culturi tisulare

- in stare masiva

- sub forma de saruri metalice

- reactia fibroblastilor umani in culturi la contact cu pudra de titan a fost dupa 72 de ore:

- de fagocitoza a particulelor fine de titan

- fara efecte toxice

- densitatea celulara scade foarte putin

Titanul masiv intr-o cultura de celule poate determina:

- aglutinarea celulara pe marginea titanului - o usoara alterare celulara

- fibroblastele umane in contact cu sarurile de titan nu sufera nici o inhibare dupa 72 de ore, dar:

- titanul interactioneaza cu membrana celulara a fibroblastelor

- uneori devine indirect toxic mai ales in peroxidarile membranei celulare

Titanul nu este toxic pentru tesuturi si celule , dar actioneaza pe membrana celulara inducand prin aceasta un potential inflamator.

Testarea in vitro
a ceramicii de aluminiu

- pe culturi tisulare si celulare sub forma masiva sau pulbere ceramica de aluminiu este toxica

- este adesea asimilata de celule fara reactii de toxicitate

- alumina realizeaza o adeziune celulara la suprafata ei ca si oxidul de titan

Testele de compatibilitate
in vivo

- inserarea unui implant duce la o plaga

- reusita vindecarii este strans legata de raspunsul tisular care tine de :

- raspunsul tesutului inconjurator la corpul strain :

- osul

- tesutul epitelio - conjunctiv

- capacitatea de regenerarae a tesuturilor afectate

- locul de insertie al implantului

Cicatrizarea tesutului moale

- prima reactie a tesutului moale dupa inserarea implantului este reactia inflamatorie manifestata prin:

- vasodilatatia capilara

- cresterea permeabilitatii vasculare

- aflux plasmatic

- aflux leucocitar

- reactiile sunt insotite de :

- calor

- dolor

- tumor

- cicatrizarea este vizibila dupa 4 zile

- prezenta unui corp strain perturba cicatrizarea

- fata de un material inert sau coroziv apare capsula fibroasa avasculara , care izoleaza materialul

- capsula fibroasa este un raspuns de aparare locala - la implanturi este un esec

- materialele corozive intensifica raspunsul inflamator acut cu distructie tisulara - abces -

In procesul de cicatrizare pot apare 3 mari tipuri de reactii:

- raspuns toxic cu reactie violenta si abces steril

- capsula fibroasa nevascularizata

- reactie vitala cand tesuturile se vindeca

( adera strans de implant prin intermediul unui strat fin de proteoglicani )

Materiale cu raspuns toxic tisular:

- fierul

- nichelul

- cobaltul

- cromul

- cadmiul

Materiale care genereaza tesut fibros

- zincul

- argintul

- aluminiul

- otelul - inox

- crom - cobaltul

Materiale care induc reactie vitala:

- titanul

- ceramica de aluminiu

- ceramica de zirconiu

Metalele corozive genereaza reactie toxica acuta cu respingerea materialului din tesut.

Raspunsul tesutului moale
la otelul inox

- in vivo otelul inox este supus coroziunii

- pe termen scurt nu provoaca reactii toxice

- dupa 8 luni apare capsula fibroasa

- dupa 1 an apare fenomenul de metaloza cu reactii inflamatorii ce favorizeaza coroziunea

Raspunsul tesutului moale
la titan

- pe termen scurt si lung este bine tolerat

- favorizeaza formarea inelului fibro - conjunctiv si apoi a celui epitelio - conjunctiv

- nu declanseaza reactii inflamatorii

Raspunsul tesutului moale
la ceramica

- ceramica nu provoaca reactii inflamatorii

- permite o buna integrare tisulara

Procesele de vindecare
ale osului

- osul raspunde dupa lezare prin procese de vindecare

- leziunile vasculare osoase duc la sangerare si formarea cheagului

- cheagul este degradat de celulele fagocitare

- aceste se transforma in fibrina cu aparitia matricei organice

- la locul plagii ajung:

- fibroblastele din periost

- celulele osteogene din stratul intern al periostului

- celule sanguine de la distanta cu rol preosteoblastic

- aceste celule se multiplica si excreta colagen formand calusul primar

- calusul primar se mineralizeaza cu saruri din circulatia sanguina

- calusul se remaniaza cu formarea trabeculelor osoase

- in final se obtine un os identic cu cel dinaintea leziunii

Caracteristicile procesului de vindecare osoasa

- neoalveolele implantare creeaza o plaga osoasa

- peretele neoalveolei are o zona de necroza fina a osului

- zona necrozata se va rezorbi

- uneori raman anumite zone de necroza - sechestre osoase periimplantare

- indicat ar fi ca osul necrozat sa se rezoarba si sa fie inlocuit de os sanatos nou format

- osul de la peretele neoalveolar se va afla in contact strans cu suprafata implantului prin intermediul unui strat de proteoglicani

- cantitatea de os necrozat de la nivelul peretelui neoalveolar depinde foarte mult de temperatura creeata in timpul frezajului

- studiile efectuate au aratat ca:

- 50° timp de 1 minut duc la o hiperemie locala cu dilatarea arteriorelor si venelor, care se poate remite in 5 zile

- daca hiperemia depaseste 5 zile va apare necroza cu rezorbtie osoasa fara apozitie

- dupa 30 de zile 30 % din masa osoasa necrozata poate fi inlocuita cu tesut fibros

- 47° timp de 5 minute duc la o crestere accentuata a microcirculatiei, care poate reveni la normal dupa 5 zile

- daca nu are loc revenirea dupa 20 de zile, 20 % din osul necrozat poate fi inlocuit cu tesut fibros, care adesea poate ramane si dupa 1 an

- 47 ° timp de un minut vor genera o hiperemie locala, care revine la normal in timp scurt

- dupa 20 de zile apare o osteoliza discreta cu insule de apozitie osoasa

- 37° timp de 1 minut nu afecteaza vindecarea osoasa

Frezajul unei neoalveole trebuie realizat la temperaturi de pana la 37° in reprize scurte de

5 - 10 secunde si cu mare blandete ( turatii mici ) sub racire ( irigare ) continua

Raspunsul tesutului osos la otelul inox

- pe termen scurt la interfata otel - inox si os aspectul va fi normal cu:

- suprafata metalului

- un strat de proteoglicani de pana la 400 Å

- osul inconjurator

- dupa 6 saptamani incepe coroziunea cu:

- fenomene inflamatorii locale

- prezenta celulelor gigantice

- prezenta necrozei osoase

- osteoliza si fibroza in jurul metalului

- respingerea metalului

Raspunsul tesutului osos la titan

- studiile microscopice cu microscopul electronic au evidentiat :

- lipsa proceselor de coroziune

- o zona de proteoglicani intre 20 -400 Å

- osul inconjurator cu :

- fibre colagene dezordonate si calcificate

- fibre de colagen ordonate si calcificate

Principiile care au generat producerea implanturilor si a instrumentarului din biomateriale

Stratul de oxid de titan ce acopera o bara de titan stabileste o legatura bivalenta la nivel molecular cu elementele tisulare in conjuratoare, este deci un biomaterial.

Aceleasi calitati le au si ceramicile de aluminiu si zirconiu

Avantajele biologice ale titanului

Calitatile biologice ale titanului dau si calitatile implanturilor si ale instrumentarului:

- amagnetismul

- imunitatea biologica in contact cu tesuturile si mediile biologice ( implantul fiind extraintra tisular )

- nu corodeaza in electoliti

- are o mare afinitate pentru oxigen formand oxidul de titan stabil si inert electrochimic

( ceramica de titan ).

- actiunea terapeutica a oxidului de titan:

- proprietati cicatrizante

- proprietati antibacteriene

- in contact cu tesutul lezat genereaza un

pH 7 ( neutru )

- oxidul de titan atrage proteinele si calciul favorizand vindecarea

- nu prezinta fenomene de toxicitate

- are o mare rezistenta:

- mecanica ( ca a otelului inox )

- termica

- electrica

- rezistenta termica :

- aluminiu 0,57

- cupru 0,92

- fier 0,17

- titan 0,05

- rezistenta electrica :

- aluminiu 2,68

- cupru 1, 72

- fier 10

- titan 48,2

- titanul este un metal pur ca si aurul si aluminiul

- greutatea specifica:

- aluminiu 2,7

- cupru 8,94

- fier 7,96

- titan 4,51

- calitatile mecanice si biologice ale titanului genereaza si calitati ale instrumentarului :

- evitarea contaminarii peretelui neoalveolar si aparitia coroziunii

- precizia neoalveolei

Dupa criteriul imunologic biomaterialele se impart in :

A ) materiale autologe ( de la acelasi organism)

- transplant de dinte

- replantare de dinte

- transplant osos

B ) materiale omologe ( de la un individ la altul al aceleasi specii )

- banca de oase umane

C ) materiale heterologe ( de la alta specie )

- os devitalizat

- os deproteinizat

- colagen

D ) materiale aloplastice ( materiale sintetice )

- metale

- ceramici

- materiale plastice