Обзор титано-циркониевых (ТЦ) сплавов для использования в эндоссальных дентальных имплантатах

Дентальные имплантаты, изготовленные из бинарных титано-циркониевых (ТЦ) сплавов, зарекомендовали себя высокой прочностью, выступая биосовместимой альтернативой чистому титану, особенно в случаях, требующих применения имплантатов малого диаметра. Цель данного обзора — обобщить существующую литературу, освещающую использование бинарных ТЦ-сплавов для эндоссальных дентальных имплантатов, протестированных in vitro, на животных, и в клинических условиях.

И, более того, показать, что с точки зрения биосовместимости и остеоинтеграции ТЦ-сплав нисколько не уступает чистому титану. Из двенадцати источников, соответствующих включенным критериям, в современной литературе подтверждается мнение о том, что имплантаты малого диаметра, произведенные из ТЦ-сплавов, обладают прочностью на 40 % выше, чем имплантаты, которые были произведены из титана марки Grade IV, обработанные холодным способом. При этом коррозионная устойчивость и биосовместимость данных сплавов не уступают таковым чистого титана. Структура поверхности ТЦ-сплавов сопоставима по поддержке остеоинтеграции со стандартными методами обработки поверхности титановых имплантатов. К тому же хорошая остеоинтеграция и высокая степень приживления имплантатов из бинарных ТЦ-сплавов были подтверждены исследованиями, проведенными на животных, а также в клинических условиях.

Введение

На сегодняшний день титан (Ti) остается основным материалом для изготовления дентальных имплантатов, применяемых при лечении пациентов с частичной или полной потерей зубов [1—3]. Это отчасти объясняется высокой устойчивостью титана к коррозии как на воздухе, так и при соприкосновении с биологическими жидкостями, в результате чего на его поверхности образуется оксидная пленка, делая, таким образом, материал биосовместимым. Его механические характеристики, включая оптимальное соотношение прочность — вес и легкость в обработке, также способствуют широкому применению в имплантологии. Более того, титан способствует остеоинтеграции с окружающей костью, и именно это качество обусловливает его успешное применение для дентальных и ортопедических имплантатов [4].

Использование зубных имплантатов из технически чистого титана (Ti) имеет длительную историю, начало которой было положено в 1965 году работой Бранемарка [5]. Однако в некоторых ситуациях механическо-эластичные качества Ti являются недостаточными. Например, в случае, когда требуется имплантация одного зуба либо имплантат должен быть установлен в очень узком беззубом гребне и необходим имплантат малого (≤3.5 мм) диаметра [6—8]. К сожалению, имплантат уменьшенного диаметра ассоциируется с повышенным риском возникновения трещин и переломов, связанных с «усталостью материала» [7, 9, 10]. В результате появился стимул создать имплантаты малого диаметра (ИМД) из титановых сплавов, обладающих повышенной механической прочностью и эластичностью. Среди Ti-сплавов сплав титана, алюминия и ванадия, известный как Ti-6Al-4V и имеющий широкое аэрокосмическое применение из-за своего улучшенного соотношения прочность — вес, был и остается самым часто используемым в промышленном производстве дентальных имплантатов [11].

В связи с тем, что не существует металла или сплава, абсолютно не подверженного коррозии, необходимо учитывать коррозионные характеристики имплантационных материалов, а также изучать их возможную токсичность [12, 13]. Например, биосовместимость Ti-6Al-4V до сих пор находится под вопросом в связи с сообщениями о том, что постепенное высвобождение ионов алюминия, и особенно ванадия, с поверхности Ti-6Al-4V может вызвать местную негативную реакцию тканей, а также реакцию со стороны иммунной системы [2, 14, 15]. Таким образом, все еще продолжается поиск нетоксичного титанового сплава повышенной прочности для применения в медицинских целях.

В качестве альтернативы был предложен Ti-6Al-7Nb — сплав титана, алюминия и ниобия. Данный сплав поддерживает прочную микроструктуру Ti-6Al-4V и замещает ванадий нетоксичным ниобием. Хотя подобная структура придает прочность такому биомедицинскому сплаву, не стоит забывать, что существуют еще механизмы химического травления Ti, обеспечивающие изменение шероховатости поверхности для улучшения остеоинтеграции [17]. Более того, сплавы титана, содержащие такие нетоксичные элементы, как цирконий (Zr), ниобий (Nb), тантал (Ta), палладий (Pd) и индий (In), также продолжают исследоваться на предмет их способности соответствовать механической прочности и коррозионной устойчивости Ti-6Al-4V с повышенной биосовместимостью [13, 18, 19]. В частности, при взаимодействии с биологическими жидкостями сплавы с цирконием продемонстрировали как необходимую механическую прочность, так и высокую устойчивость к коррозии [13, 17, 19]. Биосовместимость сплавов на TiZr-основе выше, чем у Ti [20, 21].

Как указано выше, наряду с выбором материала для имплантата важным аспектом, обеспечивающим успех имплантации, также является рельеф и химический состав поверхности. Положительное влияние рельефа поверхности на остеоинтеграцию, достигаемое за счет таких методов, как металлоструйная и пескоструйная обработка и кислотное протравливание, является предметом исследования уже на протяжении нескольких десятилетий. В настоящее время на рынке преобладают микрошероховатые поверхности: они позволяют обеспечить ускоренную интеграцию кости, более высокий процент костно-имплантатного контакта (КИК) и повышенную устойчивость к деформации, что было установлено через показатели выкручивающего момента (ПВМ) при сравнении с титановыми имплантатами с полированной или обработанной на станке поверхностью [22]. Сочетание пескоструйной обработки с кислотным протравливанием поверхности титановых имплантатов, известное как обработка поверхности методом SLA® (Institut Straumann AG, Basel, Switzerland), было протестировано как на животных, так и в клинических условиях и дало результаты, подтверждающие способность рельефа усиливать костную интеграцию и обеспечивать долгосрочную стабильность [23—27]. Кроме того, было продемонстрировано, что гидрофильные поверхности могут быть остеогенными, влияя, таким образом, на созревание и дифференциацию костных клеток [28, 29]. Соответственно, с целью усиления энергии поверхности к вышеупомянутой SLA®-обработке была добавлена техника гидрофилизации, названная SLActive [30]. Данная обработка, включающая в себя промывание микрошероховатых поверхностей азотом и их хранение в солевом растворе вместо воздушной среды, была применена, чтобы улучшить первоначальные влажные условия, снижая риск контаминации и сохраняя при этом более активную поверхность титана. Благотворный эффект на дифференциацию клеток и фактор роста в титановых имплантатах, поверхность которых была обработана по методу SLActive, в сравнении с Ti-имплантатами со SLA-поверхностью был подтвержден in vitro, в опытах на животных и в клинических исследованиях [31—33]. Интересно и то, что наряду с повышенной смачиваемостью есть свидетельство того, что наноструктуры, самопроизвольно образующиеся на SLActive- поверхностях, могут также способствовать более активной реакции кости [34]. При исследовании новых сплавов с повышенной механической прочностью оптимальным было бы сохранять микрошероховатый рельеф и гидрофильные свойства поверхности, которые с полным основанием можно считать неотъемлемым элементом приживляемости Ti-имплантатов. В этом отношении бинарный TiZr-сплав стоит особняком от других сплавов по той причине, что он поддерживает аналогичную Ti-стуктуру и подходит как для SLA-, так и для SLActive-обработки [17]. В результате TiZr является привлекательным материалом для изготовления имплантатов, особенно для имплантатов малого диаметра (ИМД), благодаря своей повышенной прочности, обладая при этом свойствами биосовместимости и остеоинтеграции, присущими Ti. Таким образом, цель данного исследования — обобщить существующую литературу (с 1987 года по апрель 2012-го) по использованию бинарных TiZr-сплавов в эндоссальных дентальных имплантатах, протестированных in vitro, на животных и в клинических исследованиях. И, кроме того, продемонстрировать, что TiZr настолько же хорош, как и золотой стандарт, Ti, с точки зрения биосовместимости и остеоинтеграции.

Методы

С целью анализа всей рассматриваемой литературы относительно исследований бинарных TiZr-сплавов in vitro, на животных и в клинических условиях был использован систематический подход к поиску и изучению источников за период с 1987-го по апрель 2012 года через поисковую систему PubMed.

Результаты

Из двенадцати статей, соответствовавших критериям, четыре были посвящены in vitro и/или исследованиям механических характеристик TiZr [17, 19, 29, 35], пять — функционированию TiZr-имплантатов у животных [21, 36—39], а три давали анализ клинических результатов TiZr дентальных имплантатов [6, 40, 41]. Результаты данных исследований обобщены в таблицах № 1—3.

Таблица № 1. In vitro исследования TiZr дентальных имплантатов

Первый автор, год
Вид TiZr
Детали исследования
Основные результаты

Sista и его исследовательская группа, 2011 [29]

TiZr

(50 % Zr)

TiZr сравнили с Ti и TiNb, пробирный анализ клеток с использованием клеточной цепочки остеобласта мышей (MC3T3-E1) и характеристик поверхности.

Больше клеток присоединились к TiZr, чем к Ti или TiNb, хотя распыление было одинаковым. TiZr и Ti показали более высокую щелочно-фосфатазную (ЩФ) активность и показатель остеокальцина (ОК), чем TiNb, свидетельствуя о дифференциации клеток.

Bernhard и его исследовательская группа, 2009 [17]

TiZr*

(13—17 % Zr),

SLActive ®

TiZr сравнили с Ti, пробирный анализ клеток с использованием остеобластоподобных клеток MG-63.

TiZr совместим с обработкой поверхности методом SLActive, используемым для Ti. Было установлено, что TiZr имеет аналогичную с Ti биосовместимость. Предел прочности на разрыв и 0.2%-ный предел текучести были, соответственно, на 40 и 60 % выше, чем данные параметры у Ti.

Zhang и его исследовательская группа, 2009 [19]

TiZr

(12 % Zr)

TiZr сравнили с Ti, Ti6Al4V, TiAlMoZr, TiNbTaZr и нержавеющей сталью, пробирный анализ клеток с использованием лимфоцитов человека (СЕМ) и клеток MC3T3-E1.

В присутствии клеток и различных электролитов титановые сплавы с содержанием цинка показали наивысшую коррозионную устойчивость.

Kobayashi и его исследовательская группа, 1995 [35]

TiZr

(0—100 % Zr)

TiZr сравнили с Ti-6Al-4V и Ti-Zr 6Al-4V.

При 50%-ном содержании Zr в Ti твердость и предел прочности при растяжении возросли максимально в 2.5 раза. Также было установлено повышение твердости TiZrAlV по сравнению со стандартным TiAlV.

 * Известный в промышленности как Roxolid® (Institut Straumann AG, Basel, Switzerland) для ИМД.

Таблица № 2. Исследования TiZr дентальных имплантатов на животных

Первый автор, год
Вид TiZr
Детали исследования
Основные результаты

Saulacic и его исследовательская группа, 2012 [37]

TiZr*

(15 % Zr), SLActive ®

TiZr сравнивали с Ti и Ti6Al4V на мини-свинках в течение 1, 2, 4 и 8 недель.

Сравниваемые показатели костно-имплантатного контакта (КИК) в TiZr и Ti возрастали с 2-й по 8-ю неделю. В противоположность этому, КИК-показатели для TiAlV были значительно ниже.

Gottlow и его исследовательская группа, 2011 [36]

TiZr*

(13—17 % Zr),

SLActive ®

TiZr сравнивали с Ti на мини-свинках в течение 4 недель.

Для TiZr показатели выкручивающего момента (ПВМ) были выше, а костная зона обширнее. Для Ti и TiZr ПВМ был одинаковым.

Thoma и его исследовательская группа, 2011 [39]

TiZr*

(15 % Zr),

SLActive ®

TiZr сравнивали с Ti на собаках в течение 2, 4 и 8 недель.

Благополучное, без особых эксцессов заживление было зафиксировано как для TiZr-, так и для Ti-имплантатов. На любом временном промежутке не было зафиксировано никакой разницы для показателя КИК, равного примерно 80 %.

Ikarashi и его исследовательская группа, 2005 [21]

TiZr

(50 % Zr)

TiZr сравнивали с Ti-
и Cr-пластинами на крысах
в течение 8 месяцев.

Сплав TiZr демонстрирует более хорошие механические характеристики
и биосовместимость, чем Ti.

Shibata и его исследовательская группа, 1987 [38]

Пористый TiZr (40 % Zr),
с использованием частиц 3 различных размеров

На кроликах в течение 2, 4, 8 и 12 недель.

Агломерирование частиц большего размера привело к лучшему срастанию с костью, ее заполнению и прочности сцепления (по результатам тестов).

* Известный в промышленности как Roxolid® (Institut Straumann AG, Basel, Switzerland) для ИМД.

Таблица № 3. Клинические исследования дентальных TiZr-имплантатов

Первый автор, год
Вид TiZr
Детали исследования
Основные результаты

Al-Nawas и его исследовательская группа, 2011 [6]

TiZr* (13 % Zr), SLActive®, диаметром 3,3 мм

TiZr сравнивали с Ti марки Grade IV диаметром 3,3 мм, наблюдали 87 пациентов со съемными зубными протезами в течение 6 и 12 месяцев.

На протяжении 12 месяцев TiZr функционирует, по крайней мере, не хуже, чем Ti марки Grade IV, что подтверждается изменением уровня кости, количеством зубного камня и кровоточивости краевой десны. Степени приживаемости имплантата составляли 96,6 и 94,4 % для TiZr и Ti соответственно.

Barter и его исследовательская группа, 2011 [40]

TiZr* (13—15 % Zr), SLActive®, диаметром 3,3 мм, пришинированный к обычному Ti-имплантату

TiZr сравнивали с Ti марки Grade IV диаметром 3,3 мм, наблюдали 22 пациента в течение 2 лет.

В данной статье заявлено о первом клиническом опыте с TiZr-имплантатами уменьшенного диаметра и подтверждается достоверность концепции, так как все
20 имплантатов успешно прижились по истечении 2 лет. Уровень изменения кости

(1 мм) и глубина кармана при зондировании соответствуют установленным критериям приживляемости и долговечности.

Chiapasco и его исследовательская группа, 2011 [41]

TiZr* (13—17 % Zr), SLActive®, диаметром 3,3 мм

Исследовалась нагрузка на протезы, на протяжении 0 и 2—12 месяцев под наблюдением находились 18 пациентов.

Остеоинтеграция всех имплантатов и протезирование успешно завершились. Резорбция кости вокруг имплантата была в пределах от 0 до 1 мм. Степень приживаемости и долговечности составила 100 %.

* Известный в промышленности как Roxolid® (Institut Straumann AG, Basel, Switzerland) для ИМД.

Обсуждение

Механические характеристики и результаты in vitro:

Потребность в имплантатах из биоматериалов с повышенной механической прочностью как для стоматологии, так и для ортопедии обусловила поиск альтернатив для Ti-сплавов, свободных от таких токсичных элементов, как ванадий. В стоматологии использование имплантатов малого диаметра было бы полезным в ситуации замены одного зуба или при необходимости их установки при узких гребнях с полной потерей зубов. Однако до настоящего времени их применение было ограничено «эстетической зоной» в связи с риском возникновения трещин и переломов, связанных с «усталостью материала», при высокой функциональной нагрузке. Более высокая механическая прочность Ti-сплава для имплантатов малого диаметра избавила бы от необходимости восстановительной хирургии и/или костной трансплантации или аугментации в узких гребнях. Титано-циркониевый (TiZr) сплав выступает перспективным материалом для подобных применений.

Результаты всех краткосрочных исследований, проведенных на животных по настоящее время, подтверждают, что дентальные TiZr-имплантаты малого диаметра (3,3 мм) функционируют ничуть не хуже, чем из Ti.

Результаты клинических исследований:

Было проведено три клинических исследования, направленных на изучение TiZr-имплантатов в сопоставлении с Ti марки Grade IV (см. табл. № 4 для сопоставительного сравнения).

Безусловно, результаты этих клинических исследований [6, 40, 41] подчеркивают высокий уровень приживаемости TiZr-имплантатов у пациентов (в диапазоне от 95,2 до 100 %). TiZr-имплантаты соответствовали установленным для дентальных имплантатов критериям приживаемости и долговечности, демонстрируя хорошую остеоинтеграцию, допустимые уровни изменения кости, глубину кармана при зондировании, количество зубного камня и кровоточивости из десневой борозды. На основании этих предварительных результатов можно предположить, что функционирование TiZr-имплантатов будет безопасным и надежным.

Однако необходимы более долгосрочные исследования TiZr в качестве материала для имплантации, а также относительно приживаемости ИМД для того, чтобы их можно было без каких-либо ограничений рекомендовать для клинического использования.

Заключение

Обзор существующей литературы показал, что TiZr-сплавы обладают такой же, а в некоторых случаях и более высокой биосовместимостью, чем Ti. Более того, устойчивость TiZr к коррозии так же высока, если не выше, чем у Ti; вместе с тем ее α-фазная кристаллическая решетка свидетельствует о том, что методы обработки поверхности, способствующие улучшению остеоинтеграции Ti-имплантатов, можно и далее применять с новым TiZr-сплавом.

И, наконец, прочность TiZr-имплантатов оказывается на 40 % процентов выше, чем прочность Ti марки Grade IV, обработанного холодным способом, что делает TiZr-сплав перспективным материалом для изготовления ИМД даже при высокой функциональной нагрузке. На сегодняшний день было проведено немного исследований на животных и в клинических условиях, посвященных функционированию TiZr-имплантатов уменьшенного диаметра (3,3 мм) in vivo. Результаты этих исследований единогласно свидетельствуют о том, что TiZr-имплантаты функционируют не хуже Ti-имплантатов марки Grade IV. В каждом случае для TiZr-сплавов были зафиксированы хорошая остеоинтеграция и высокий уровень приживаемости. Однако все еще остается потребность в более длительном наблюдении за TiZr-имплантатами, так как на сегодняшний день период в два года является самым долгосрочным. В заключение следует сказать, что in vitro, в экспериментах на животных и в клинических условиях TiZr-сплавы продемонстрировали способность функционировать не хуже, чем Ti, подчеркивая свой приоритет в качестве материала для имплантации в будущем.

Cписок литературы находится в редакции.

comments powered by HyperComments
Похожие статьи
Об особенностях конструирования субпериостальных имплантатов для верхней...
06 июня 2010
1071
А. Н. Чуйко к. т. н., доцент (Харьков, Украина) И. А. Шинчуковский к. т. н., доцент кафедры ортопедической стоматологии НМУ им. А....
Шесть факторов остеоинтеграции. Имплантационные материалы
08 августа 2010
4523
А. А. Долгалев д. м. н., главный врач ООО «Северо-Кавказский медицинский учебно-методический центр» В рубрике «Имплантология для начинающих» мы уже...
Шесть факторов остеоинтеграции. Поверхность. От биоинертности к...
11 ноября 2010
1236
А. А. Долгалев д. м. н., главный врач ООО «Северо-Кавказский медицинский учебно-методический центр» Поверхность имплантата — это ключ к успешной остеоинтеграции,...