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