Improving osseointegration of dental implantsMelhora da ósseo-integração de implantes dentários

Carlos Nelson Elias; Luiz MeirellesExpert Rev. Med. Devices 7 (2); 2010

No início da implantodontia, os procedimentos adotados para tratar os pacientes eram realizados em duas fases cirúrgicas com um intervalo de 3-6 meses. Atualmente, é possível inserir e carregar um implante dentário no mesmo procedimento cirúrgico. Esta mudança é devido a vários fatores, tais como melhora da técnica cirúrgica, modificações do desenho do implante, qualidade aumentada da fabricação do implante, desenvolvimento da qualidade dos instrumentos cirúrgicos, seleção cuidadosa do paciente e tratamento adequado da superfície do implante. Os resultados clínicos mostram que tratamento adequado de superfícies é crucial para a redução do tempo de cicatrização e tratamento de pacientes de risco. As propriedades de superfície dos implantes dentários podem ser significantemente melhoradas no estágio de fabricação, afetando a atividade das células durante a fase de cicatrização que verdadeiramente determinará a resposta do tecido hospedeiro, um requerimento fundamental para sucesso clínico. Esta revisão foca nos tipos diferentes de superfícies do implante e a influência das características de superfície na ósseo-integração.

A implantodontia dentária moderna começou quase meio século atrás. Uma revisão da literatura corrente mostra grande evolução não apenas no desenho do implante e técnicas cirúrgicas, mas também na classificação do sucesso clínico, falha e diferentes tratamentos de superfície.1-3 Branemark cunhou o termo “ósseo-integração” que define sucesso e falha dos implantes dentários.4 Ósseo-integração foi originalmente definida a nível de microscópio óptico como “uma conexão estrutural e funcional direta entre osso ordenado, vivo e a superfície de um implante carregado”.4 Mais tarde, uma definição mais clinicamente orientada foi idealizada para ósseo-integração como um processo no qual fixação rígida clinicamente assintomática de materiais aloplásticos é alcançada e mantida no osso durante carga funcional. De acordo com esta definição revisada, “ósseo-integração clínica implica em ósseo-integração histológica, e é necessário [haver] um contato contíguo entre o osso alveolar e a superfície do implante”.5 O protocolo convencional proposto por Branemark para tratamento com implantes dentários estabelece que os procedimentos de implante devem ser realizados em duas fases. Na primeira, a ‘fase cirúrgica’, o alvéolo é preparado e o implante é instalado. Além disso, durante a ‘fase protética’, a prótese é moldada, preparada e inserida. Um intervalo de 3 meses entre a fase cirúrgica e protética é recomendado para permitir cicatrização apropriada dos implantes mandibulares, enquanto um intervalo de 6 meses é requerido para implantes maxilares. Durante o período de cicatrização, o paciente pode experimentar desconforto e, em alguns casos, a instalação de próteses provisórias torna-se difícil.

Estabilidade primária e um tempo de cicatrização de 3-6 meses antes da carga foi considerada essencial para permitir ósseo-integração de implantes dentários.6 Entretanto, a necessidade do tempo de cicatrização para carregar um implante dentário não foi cientificamente determinada mas foi apenas uma observação clínica. Consequentemente, o protocolo Branemark original foi modificado durante os anos. Hoje, há protocolos descrevendo condições de instalação com carga do implante precoce ou ainda carga imediata do implante.7 Carga imediata do implante é definida como um implante carregado dentro das primeiras 24-48 h após colocação cirúrgica do implante, enquanto carga precoce foi definida como carga realizada menos do que 14 dias após a colocação cirúrgica do implante.8 Resultados anteriores sugerem que há nenhuma diferença na taxa de falha do implante entre carga precoce e convencional. 9 Alterações no protocolo do implante pode ser atribuída à melhora nos procedimentos cirúrgicos, entendimento biomecânico dos implantes, modificações do desenho do implante e o desenvolvimento de novos tratamentos de superfície para obter resposta biológica ótima dos implantes de titânio. Para submeter implantes a carga mastigatória é necessário levar em consideração que o corpo requer um tempo mínimo para promover reações que levam a ósseo-integração. A estratégia consiste em alterar as propriedades de superfície do implante de titânio, modificando a técnica cirúrgica e selecionando o desenho do implante mais adequado para uma dada situação. O desenho do implante tem uma influência na estabilidade primária e distribuição da carga e há nenhuma padronização da forma do implante. A Figura 1 mostra

exemplos de implantes dentários acessíveis com diferentes desenhos. Entre os vários desenhos, os implantes parafusados cilíndricos originais com um hexágono externo ainda estão grandemente em uso após aproximadamente 50 anos de sucesso clínico.

A ósseo-integração de implantes dentários é criticamente dependente de suas propriedades de superfície. Várias investigações têm analisado a influência das propriedades de superfície do implante para ósseo-integração.10-15 Tem sido mostrado que morfologia de superfície, topografia, rugosidade, composição química, energia de superfície, potencial químico, dureza à deformação, presença de impurezas, espessura da camada óxido de titânio e a presença de metal e compostos não-metais têm uma influência significante nas reações de tecido ósseo. O objetivo é melhorar a resposta tecidual, diminuindo o tempo de espera convencional para carga do implante e permitir protocolos de carga imediata-precoce. Entretanto, a interface osso-implante de implantes carregados imediatos-precocemente deve ter resistência mecânica similar comparada com a interface de um implante dentário restaurado por um protocolo convencional, onde o tecido hospedeiro tem 3-6 meses de tempo de cicatrização e o processo de biomineralização óssea é provável estar completado, resultando num tecido forte o suficiente para resistir às forças orais. Todos os biomateriais desencadeiam respostas biológicas do corpo quando eles são implantados. Durante a inserção do implante e adsorção celular adicional na superfície do material, as células ativam mecanismos que podem identificar a composição química do material e induzir reações diferentes. Há três classes de materiais biocompatíveis: bioinerte, biorreabsorvível e bioativo.16 Com materiais bioinertes (p.e. aço inoxidável, liga cobalto-cromo, zircônia, alumínio e poliamidas), o organismo induz formação de uma cápsula de tecido fibroso circundando o corpo estranho (tecido cicatricial). Materiais biorreabsorvíveis dissolvem em contato com os fluidos corporais, tal como ácido poliglicólico e ácido poli-L-lático. Materiais bioativos estimulam uma resposta biológica do corpo, tal como adesão ao tecido. Hench e Jones sugeriram que há duas classes de materiais bioativos: osteocondutor e osteoprodutor.16 Materiais osteocondutores (p.e. hidroxiapatita sintética [HA] e fosfato tricálcio) unem ao tecido duro. Materiais osteoprodutores estimulam o crescimento de novo osso na superfície do biomaterial (titânio puro e tântalo) e espontaneamente ligam ao osso vivo se eles foram anteriormente sujeitos a um tratamento envolvendo uma embebição na solução NaOH, seguido por um tratamento térmico subseqüente. Entretanto, estes metais podem ser chamados de metais bioativos.17 Materiais bioativos são aqueles que elucidam resposta óssea positiva, que poderiam verdadeiramente resultar em crescimento ósseo. Eles podem ligar ao osso através de camada de apatita semelhante a osso na superfície do implante, onde uma ligação química ao longo da interface osso-implante é observada. Há classificações de biomaterial similares discutindo os diferentes aspectos da interação célula do biomaterial-tecido.18,19 De acordo com Yan, biomaterial pode ser descrito pela representação das respostas teciduais: biotolerante (p.e., aço inoxidável e polimetil-metacrilato), bioinerte (p.e., alumina e zircônia) e bioativo (p.e., fosfato tricálcio e bioglass).19 Materiais biotolerantes liberam substâncias em concentrações não-tóxicas, que podem levar a formação de uma cápsula de tecido conjuntivo fibroso. Materiais bioinertes exibem interações químicas mínimas com tecido adjacente e uma cápsula fibrosa pode se formar em torno dos materiais bioinertes.

ÓSSEO-INTEGRAÇÃO DE IMPLANTES DENTÁRIOS

Ósseo-integração foi definida inicialmente como um contato osso-implante direto e mais tarde considerado, numa base mais funcional, como um contato osso-implante direto sob carga.6 Nestas definições, os processos celulares e acelulares dinâmicos que ocorrem na interface a nível de micro ou nanoescala não são elucidados. Albrektsson et al. esclareceram seis fatores que são especialmente importantes para o estabelecimento de ósseo-integração confiável: material do implante, desenho do implante, condições de superfície, estado do osso, técnica cirúrgica e condições de carga do implante.20

Ósseo-integração pode ocorrer apenas se as células aderem à superfície do biomaterial. Nesta fase, reorganização do citoesqueleto e troca de informação entre células e matriz extracelular na interface célula-biomaterial ocorre, gerando ativação do gene e remodelação tecidual específica. Ambas, morfologia e rugosidade da superfície do material, têm uma influência na proliferação e diferenciação celular, síntese de matriz extracelular, produção de fator local e ainda morfologia celular.10 Adesão de osteoblastos nas superfícies do implante não é suficiente para assegurar ósseo-integração; ela é necessária para células receberem sinais as induzindo a proliferar. Por exemplo, cobrindo a superfície de

titânio com proteína morfogênica óssea-2 induz divisão celular osteoblástica após adesão. A presença de fibronectina durante a interação entre estas células e a superfície do implante, ou a presença de proteína, aumenta a divisão celular de osteoblastos humanos. Este fenômeno é associado com o fato que fibronectina tem uma sequência de aminoácido (RGD) sinalizando ativação de ciclos celulares, resultando em divisão celular de osteoblastos.21,22 Silva e Menezes citaram que o sucesso na integração de biomateriais-implantes depende da resposta tais como inserção celular e adesão celular.23 Adesão celular deve ser considerada como uma condição sine qua non para a aplicação efetiva da bioengenharia moderna, particularmente naqueles casos que envolvem implantação de matrizes 3D colonizadas pelas células do próprio paciente. Entretanto, deve-se analisar a adsorção, adesão e comportamento das células na superfície do implante a fim de acelerar a divisão celular, enquanto busca prevenir apoptoses ou morte celular durante contato com superfície do implante.

Durante as fases de cicatrização inicial, a estrutura 3D complexa da rede de fibrina com proteínas adesivas inseridas fornece um substrato para adesão e migração celular.24 A composição e conformação das proteínas adsorvidas na superfície fornece sinais ou ligantes para a adesão de células. O filme protéico na superfície do biomaterial tem uma influência no tecido hospedeiro adjacente, que pode levar a alterações no tempo de coagulação, absorção celular e reparo tecidual.24

INTERAÇÃO ENTRE CÉLULAS E SUPERFÍCIE DOS IMPLANTES DENTÁRIOS

A morfologia da superfície do implante afeta a inserção, proliferação, síntese de matriz extracelular, liberação de fator de crescimento e produção de citocinas. Boyan et al. analisaram o papel das superfícies dos materiais na regulação óssea e resposta das células cartilaginosas.21 Eventos iniciais na superfície incluem adsorção de moléculas do fluido circundante, criando uma interface condicionada para a qual a célula responde. A morfologia da superfície, assim como a microtopografia e a química, determina a adsorção celular e como as células inserirão e alinharão entre si. 21 Foi sugerido que alterações distintas nas estruturas da adesão celular relacionadas à topografia de superfície são responsáveis pelas diferenças na sinalização celular, que levam a alterações nas funções celulares, tal como mineralização.25 Os mecanismos de inserção usados pelas células na superfície do biomaterial determinam a forma celular, que é transmitida via o citoesqueleto para o núcleo, resultando na expressão de fenótipos específicos. Inserção de biomateriais no corpo humano e seu contato com os fluidos corporais provocam vários eventos. Os fluidos corporais contêm íons, assim como lipídeos, carboidratos e proteínas, que podem ser adsorvidas na superfície do biomaterial. Neste processo, proteínas representam um papel importante na indução da resposta desejada. No passado, foi considerado que as células identificando a presença de um corpo estranho induziam reações inflamatórias que resultavam na encapsulação do biomaterial, assim isolando o organismo. Hoje, é possível selecionar a reação protéica desejada pela escolha do biomaterial correto e tratando a superfície de biomaterial. Também é possível obter adsorção de um tipo específico de célula ou ainda evitar adesão de material orgânico. Por exemplo, a superfície dos componentes protéticos dentários pode ter propriedades controlando a formação do biofilme. De maneira similar, as superfícies dos implantes dentários devem permitir proteínas específicas serem adsorvidas a fim de provocar os mecanismos de ósseo-integração.26

Após a reação protéica inicial ao corpo estranho a nível fisiológico, as respostas subseqüentes são controladas por uma sequência de eventos que levam a aceitação ou rejeição do material. Estas respostas envolvem recrutamento de vários tipos de células existentes na superfície do material, todas contando para atividades tal como remodelação da matriz extracelular.27 Em consideração aos implantes dentários, não é desejável recrutamento celular que leva a encapsulação do material e isolamento conseqüente dos fluidos corporais. Alterações na superfície do implante assim como controle da carga e micromovimentos são cruciais para prevenir a formação de tecido fibroso na interface osso-implante. O implante de titânio comercialmente puro sob sobrecarga e micromovimento mais alto não apresenta qualquer ósseo-integração.

Baseado nos conceitos acima, pode-se concluir que a topografia de superfície é um dos parâmetros chave influenciando as reações celulares para os materiais artificiais. As propriedades das superfícies dos implantes dentários são extremamente importantes para o controle das reações que levam a ósseo-integração e desempenho ótimo do implante. Superfícies com microestruturas definidas podem ser úteis para aprimoramento de ancoragem estável de implantes transcutâneos no tecido conjuntivo ou para

prevenção de crescimento epitelial e esfoliação subseqüente.28 A morfologia de superfície modula a resposta das células a um implante dentário.29-31 Estas observações sugerem que interações específicas de células ósseas com a superfície do implante resultarão em expressão fenotípica alterada.32

Propriedades de superfície, tais como morfologia, rugosidade, espessura da camada óxido, nível de impureza e tipos óxido, dependem do processo de tratamento dos implantes. A dificuldade em analisar a influência individual destes parâmetros deriva da impossibilidade de alterar apenas um parâmetro sem afetar outros. Por exemplo, não é viável modificar o tipo ou composição química e estrutura cristal do óxido de titânio enquanto mantém a rugosidade inalterada. Quando um implante é inserido no tecido seria esperado criar um gradiente adesivo.32 Independente do tipo de material do implante, uma sequência geral de eventos inflamatórios e eventos de reparo ocorrem no tecido circundante após implantação.33 Após inserção do implante, a superfície vem imediatamente em contato com sangue. Quando em contato com o meio fisiológico ou plasma sanguíneo, o titânio absorve moléculas, fator I, fator III, IgG e CIq. Poucos segundos após a inserção, é possível encontrar plaquetas e granulócitos polimorfonucleares aderidos à superfície do titânio. Adesão de leucócitos granulares maduros, neutrófilos, acidófilos e basófilos ocorre mais tarde. Os granulócitos polimorfonucleares são os primeiros leucócitos a serem recrutados para aderir à superfície do titânio. Dependendo da preparação da superfície, há uma diferença na adsorção celular e reação causada pelo titânio exposto ao sangue humano.33

A adesão de monócitos (leucócitos mononucleares caracterizados pela atividade fagocítica alta, representado 3-7% dos leucócitos circulantes) é sensível à espessura da camada do óxido de titânio. 30

Granulócitos polimorfonucleares são mais dependentes da rugosidade de superfície do implante, enquanto macrófagos preferem superfícies mais lisas.

Poucos meses após inserção, implantes tratados mostram uma quantidade maior de tecido ósseo cobrindo sua superfície comparados com os implantes usinados. Apesar deste achado, não está claro como a superfície do implante promove ou inibe osteogênese. É possível que uma implantação bem sucedida dependa de como rapidamente osteogênese ocorre em torno do implante, isto é, adesão rápida dos osteoblastos à superfície do implante e síntese de matriz extracelular. Até agora, há nenhum dado suficiente considerando como a adesão inicial de osteoblastos ocorre; o comportamento celular depende de ambas interação e desencadeamento de atividades das células e moléculas.

Biomateriais em contato com o meio biológico experimenta alterações dinâmicas em suas propriedades de superfície, que envolvem a cascata de reações na interface entre hospedeiro e biomaterial, assim formando um ‘filme de condicionamento’ que modula respostas celulares.34 As células possuem propriedades receptoras mecânicas capazes de identificar se a superfície do implante tem características adequadas favorecendo o processo inicial de diferenciação e formação de matriz óssea. As proteínas aderindo às superfícies do implante induzem adsorção de células osteoblásticas e pré-osteoblásticas. Estudos mostram que tratamentos de superfície alteram as forças de interface, molhabilidade, rugosidade, energia e capacidade de adsorção de moléculas que reconhecem os osteoblastos.30 Adesão celular é um dos eventos iniciais e é essencial proliferação e diferenciação subseqüente de células ósseas antes da formação de tecido ósseo.35 Tem sido demonstrado que adesão celular à matriz extracelular circundante pode influenciar muitos processos celulares fundamentais, incluindo crescimento e diferenciação celular.36

Molhabilidade e energia de superfície influenciam a adsorção das proteínas e aumenta a adesão focal de osteoblastos na superfície do implante. O comportamento celular numa superfície hidrofílica é completamente diferente daquele numa hidrofóbica. As expressões de fatores de diferenciação óssea específicos para osteoblastos, tais como colágeno tipo I e osteoprotegerin, são mais altas nas superfícies hidrofílicas.37 Células nas superfícies hidrofílicas podem gerar um meio osteogênico pela produção de mais citocinas, tais como TGF-β1 e PGE-2. Pesquisa animal comparou implantes dentários hidrofílicos com hidrofóbicos com superfícies igualmente rugosas. Os resultados mostraram que uma superfície hidrofílica apresenta um contato osso-implante significantemente mais alto em 2 e 4 semanas de cicatrização comparada com uma superfície hidrofóbica.38

Um estudo analisou e comparou as diferenças na adesão inicial de osteoblastos em dois grupos de substratos de titânio diferenciados apenas na energia de superfície. Os resultados mostraram que energia de superfície do implante mais alta aumenta a adesão celular devido à molhabilidade; mais células ligam diretamente à superfície.39 Entender a influência da topografia de superfície e funcionalidade química no

crescimento e adesão de células aos biomateriais é importante para melhorar a resistência interfacial tecido-implante. Ismail et al. analisaram a influência da química e topografia de superfície na orientação do contato de células osteoblásticas MG63.40 Quando células ósseas são inseridas a um substrato sólido, seu comportamento e função dependem das propriedades físico-químicas e morfológicas da superfície do biomaterial. Estas características de superfície determinam como as moléculas biológicas adsorverão na superfície e, mais particularmente, determinará a orientação das moléculas adsorvidas.41

A inserção de implantes dentários em osso de baixa densidade é um problema e uma probabilidade de falha aumenta durante o tratamento. Um exemplo é o tratamento de pacientes com uma desordem sistêmica, tal com osteoporose ou após ser expostos a radioterapia. Pacientes submetidos à irradiação demandam novas abordagens para ósseo-integração do implante.42 Tais circunstâncias implicam um desafio na situação de cicatrização óssea. Sob estas condições, a taxa de sobrevivência de implantes dentários pode diminuir. O desenvolvimento de modificações de superfície pode aumentar o sucesso de implantes dentários em pacientes comprometidos. Pacientes com condições médicas, tais como diabetes, tratamento com radiação para câncer, xerostomia e osteoporose, não exibem a condição óssea ótima para colocação de implantes dentários e estabelecimento de ósseo-integração.

TOPOGRAFIA DE SUPERFÍCIE DO IMPLANTE

Embora titânio comercialmente puro seja o principal material dos implantes dentários, há uma taxa diferente de sucesso entre os sistemas de implantes dentários. A explicação exata da diferença entre sucesso ou falha entre os implantes comerciais não está clara. O processo de ósseo-integração depende de vários fatores e ainda não está completamente entendido. O efeito da topografia de superfície do implante, composição química e rugosidade de superfície no processo de formação óssea são os fatores mais estudados. Estudos têm mostrado que implantes de titânio com rugosidade adequada pode aumentar o contato osso-implante43 e pode aumentar a força do torque de remoção.44-46

Em adição, a rugosidade das superfícies dos implantes também afeta a estabilidade primária dos implantes dentários.47 Alguns mecanismos envolvidos na ósseo-integração variam dependendo de se a superfície do implante é lisa ou rugosa, uma vez que as células reagem diferentemente a estas condições. Fibroblastos e células epiteliais aderem mais fortemente às superfícies lisas, enquanto proliferação osteoblástica e síntese de colágeno são aumentados nas superfícies rugosas.48

Vários autores tentaram quantificar a influência da rugosidade na ósseo-integração a fim de obter as condições de superfície ótimas.11,13,49 Apesar da importância da rugosidade para ósseo-integração, há nenhum padrão ideal de rugosidade considerando os implantes dentários. Buser et al. observaram uma tendência para contato osso-implante aumentado com o aumento da rugosidade de superfície do implante.50 London et al. não puderam confirmar esta observação.51 Outro estudo sugeriu que apenas implantes dentários com valor Ra entre 1 e 1.5µm induz uma superfície ótima para integração óssea, então chamados implantes moderadamente rugosos.52

Na Tabela 1 pode-se observar que Ra tem uma influência significante no torque necessário para remover o implante. Outros parâmetros são usados para quantificar o grau de rugosidade, tal como rugosidade média quadrática (Rq), rugosidade do pico à depressão (Rz) e altura da rugosidade máxima (Rmax). Entre os parâmetros descritivos do espaço foram usados a área pico mais alto (Rpkx), depressão mais alta (Rvkx), área do pico (A1) e área da depressão (A2). Embora o parâmetro Ra nem sempre será útil para caracterizar a morfologia de uma dada superfície, ele tem sido usado porque nenhuma outra variável de rugosidade é conhecida descrever melhor e prever o comportamento do implante. Dúvidas existem como para se a altura das irregularidades de superfície é mais importante do que a distância entre eles e qual combinação destes fatores poderiam melhorar a ósseo-integração.

Embora o aumento na rugosidade de superfície promova maior ancoragem mecânica, a resistência da interface osso-implante não aumentará com o aumento contínuo dos valores de rugosidade de superfície. Wennerberg et al. analisaram implantes usinados e jateados com Al2O (partículas do tamanho de 25 a 250 µm).53 Eles observaram uma resposta óssea melhor para implante jateado com partículas de 25µm comparado com uma superfície usinada (MS); entretanto, nenhuma diferença foi encontrada entre o implante jateado com partículas de 25µm (Ra = 0.82 + 0.2µm) e o implante jateado com partículas de 250 µm (Ra = 2.11 + 0.1 µm). Adicionalmente, implantes jateados com partículas de 25µm de Al2O exibiram uma área de contato osso-implante maior (46.4%) comparada com aqueles jateados com

partículas de 250µm (39.2%), apesar dos valores Ra menores. Os resultados indicaram que há uma variação ótima considerando a rugosidade de superfície para a formação óssea, e um parâmetro de desvio médio da altura entre 1 e 2 µ é recomendado para implantes dentários.54

Takeushi et al.55 e Brunette32 observaram que a morfologia e composição de uma superfície afeta a forma e a função das células. A forma da célula regula o crescimento, expressão do gene, secreção protéica, diferenciação e apoptose, enquanto rugosidade aumentada influencia a diferenciação de osteoblastos e osteoclastos.32

Osteoblastos tornam-se achatados nas superfícies lisas e eles tendem a crescer para os sulcos usinados (Figura 2). Sulcos tendo uma profundidade de 0.5µm e uma largura variando de 4.9 a 200 µm permitem as células crescerem ao longo deles. Este comportamento celular é diferente para as superfícies exibindo a rugosidade homogênea. As células apresentam haptotaxia, rugofobia e rugofilia. Independente da situação, há nenhum contato direto entre a superfície do implante e o osso por causa da existência de uma camada fina de proteínas adsorvidas (fibronectina e vitronectina).56

A produção de matriz extracelular é sensível à rugosidade. Proliferação celular nas superfícies do implante é diferente porque as células podem identificar as superfícies rugosas. Células cultivadas numa superfície rugosa aumentaram a produção de osteocalcina e fosfatase alcalina. Estes parâmetros são, entretanto, indicativos de diferenciação osteoblástica e conseqüente aumento no número de osteoblastos.48 Produção de fatores de crescimento, tal como TGF-β1, é aumentado nas rugosidades de superfície e isto é conhecido estimular a formação de colágeno e produção de prostaglandina. Há uma relação entre a diferenciação osteogênica e aumento na rugosidade e produção de PGE-1 e 2.48 Inibição da produção de prostaglandina depende de uma diminuição na proliferação celular e um aumento na expressão fenotípica, assim como na produção de TGF-β1, que sugere que a produção de prostaglandina envolvida com o mecanismo de rugosidade de superfície depende na estimulação de diferenciação osteogênica.29

NanotopografiaModificações na nanotopografia são comumente descritas na literatura como nanorrugosidade e

nanocaracterísticas. É importante entender que a rugosidade de superfície geral da amostra será modificada quando as características são acrescentadas à superfície, isto é, pela adição de nanocaracterísticas a rugosidade de superfície também será modificada. Além do mais, o material nanorrugoso também possuirá nanocaracterísticas; entretanto, as modificações comumente usadas para produzir o então chamado material nanorrugoso (p.e. condicionamento ácido) não produzirá intencionalmente tais nanocaracterísticas e dos parâmetros de rugosidade de superfície usual apenas em uso, não é possível avaliar a dimensão de cada característica individual na superfície. Em contraste, amostra nanofabricada tem dimensões bem definidas que objetivam modular a atividade celular, tal como migração, inserção, proliferação e diferenciação. A Figura 3 mostra um exemplo de superfície de implante dental submetido a uma modificação na nanotopografia.

NanorrugosidadeWebster et al. avaliaram adesão de osteoblastos in vitro em discos alumina e titânio preparados

pela compactação de pós com diferentes tamanhos de partículas na superfície.57 Os discos foram sinterizados em diferentes temperatura para obter diferentes parâmetros de nanorrugosidades de alumina e titânio. A adesão de osteoblastos mais alta foi observada em ambos os discos de alumina e titânio com o aumento do desvio da raiz quadrada média (S) e a área de superfície maior. Adicionalmente, os discos preparados com um método idêntico consistindo de Ti, Ti3Al e CoCrMo foram testados. Como anteriormente relatado nos discos de alumina e titânio, a adesão de osteoblastos aumentada foi encontrada nos discos dos diferentes grupos com desvio da raiz quadrada média.58 Webster et al. investigaram a adesão de osteoblastos e concentração de diferentes proteínas adsorvidas na alumina, titânio e HA, com diferentes nanorrugosidades.59 O diâmetro do poro e porosidade (%) também foram calculados. Uma vez novamente, a adesão de osteoblastos foi maior nos discos que exibiram nanorrugosidade aumentada, independentemente da química de superfície. Porosidade de superfície foi mais alta e o diâmetro do poro diminuiu nos discos com nanorrugosidade aumentada. Adsorção de proteínas revelou uma quantidade maior de vitronectina associada com adesão de osteoblastos aumentada nos discos mais rugosos. Proliferação de osteoblastos e síntese de fosfatase alcalina nestas

superfícies foi avaliada em outro estudo do mesmo grupo; síntese de fosfatase alcalina foi mais alta após 21 e 28 dias nos discos com valores de nanorrugosidade aumentados.

Oliveira e Nanci fizeram cultura de células ósseas de calvário de ratos em discos de titânio condicionados com H2SO4 e H2O.60 Eles observaram que a superfície ácido condicionada revelou nanopontos, enquanto o controle falhou para mostrar tais características, embora a rugosidade de superfície não foi numericamente avaliada. Os resultados indicaram uma superexpressão de osteoprontin e sialoproteína óssea intra e extra-celularmente, nas células semeadas no grupo nanomodificado. Em adição, uma proporção mais alta de células com distribuição citoplasmática periférica de osteopontin foram observadas tão cedo quanto 6h.

Larlsson et al. avaliaram implantes torcidos mais anodizados, eletropolidos e eletropolidos mais anodizados num modelo de coelhos após 1-6 semanas.61 O implante eletropolido investigado com microscopia de força atômica (AFM) mostrou a superfície mais lisa. Após 6 semanas, os implantes eletropolidos mostraram formação óssea diminuída comparados com os implantes mais rugosos. De forma idêntica, implantes similares foram investigados após 7-12 semanas de cicatrização.62 Após 7 semanas, os resultados foram similares ao estudo anterior que indicou formação óssea mais alta para implantes com valores de rugosidade de superfície aumentado (anodizados) comparados com os implantes lisos (eletropolidos). Após 12 semanas, os valores para os implantes rugosos foram estáveis e os valores para implantes eletropolidos aumentaram para aproximadamente o mesmo nível como aquele encontrado para implantes mais rugosos. Avaliação a longo prazo destes implantes para 1 ano não revelou qualquer diferença na formação óssea.63 É concluído por experimentos in vivo e in vitro que a atividade celular e cicatrização óssea podem ser otimizados pela modulação da rugosidade de superfície no nível nanômetro de resolução.

NanocaracterísticasA literatura citada na sessão seguinte inclui modificações na nanocaracterística que exibem ao

menos uma dimensão abaixo de 100 nm. O primeiro desenho comumente investigado com dimensões controladas nas superfícies foi o sulco paralelo e o arranjo da crista na microescala.32 Orientação da célula foi relacionada ao sulco/crista e este fenômeno foi descrito como guia de contato. Aproximadamente 10 anos mais tarde, a atividade celular foi também relacionada às nanocaracterísticas. Wojciak-Stothard et al. investigaram macrófagos de murinos nas superfícies retas e nanossulcadas com diferentes profundidades.64 Em 15 min após galvanização, a maioria das células permaneceu na vizinhança do substrato plano, comparado com as células bem dispersas no substrato nanossulcado, que indica ativação celular. Além do mais, adesão celular aumentou gradualmente do substrato plano com substrato sulcado raso (30 nm) para valores mais altos observados no substrato sulcado mais profundo (282 nm). Resultados similares foram encontrados para orientação celular; quanto mais profundo os sulcos, mais orientadas se tornam as células. Outra abordagem para otimizar a atividade celular com nanocaracterísticas inclui as então chamadas ilhas65 ou pilares hemi-esféricos,66 obtidos pelo processo de mistura de polímeros ou litografia coloidal. Dalby et al. compararam atividade de fibroblastos na superfície reta e superfície com ilhas de 13 nm de altura com um diâmetro de 263 nm.65 Após 3 dias, dispersão de fibroblastos aumentada, contatos mais focais associados ao vinculin, regulação de genes envolvidos com sinalização celular e precursores de colágeno foram observados na superfície com nanoilhas comparada com a superfície lisa. Em outro estudo, atividade de células endoteliais foi testada nas superfícies com ilhas com alturas de 13, 35 e 95 nm.67 Similar aos fibroblastos, células endoteliais na superfície com ilhas 13nm exibiram áreas celulares maiores (eixos mais longos e mais amplos) e citoesqueleto bem definido. Contrário a atividade aumentada dos fibroblastos e células endoteliais, superfícies com características similares (ilhas de 18, 35 e 95 nm) não influenciaram as células ósseas de calvário de rato.68 Num artigo recente de Dalby et al., atividade celular foi comparada nas superfícies com diferentes nanocaracterísticas, incluindo ilhas de 35 e 45 nm com diâmetros de 2.2 e 1.7 µm, respectivamente.69 Características com colunas de 10nm de altura e 144 µm de diâmetro foram também acrescentados no substrato reto (controle). Células da medula óssea humana mostraram dispersão celular aumentada nos três grupos, com as células estendendo filopodias para as nanocaracterísticas. Também demonstraram um citoesqueleto bem definido, expressão aumentada de fibras de stress com contatos focais claros e expressão aumentada de osteocalcina e osteopontin no substrato com nanocaracterísticas.

Mendes et al. demonstraram formação óssea mais alta com cpTi e Ti6Al14V coberto com nano-CaP comparado com cpTi e Ti6Al14V não coberto colocado em ratos.70 As características do nano-CaP foram analisados por microscopia eletrônica de varredura de emissão de campo e o tamanho variando de 20-100 nm foi estimado pelas análises de alta ampliação das amostras. Modificação da superfície do implante similar com nano-CaP foi também avaliada num estudo humano. Goéne et al. colocaram microimplantes na maxila posterior humana e contato ósseo mais alto foi observado para implantes cobertos com nano-CaP comparados com não cobertos após 4 e 8 semanas de cicatrização.71

Numa série de estudos, nanoestruturas de diferentes tamanhos e composição química foram avaliadas em implantes lisos e moderadamente rugosos inseridos num modelo de coelho.72 Implantes lisos cilíndricos torcidos foram eletropolidos ou mecanicamente polidos para controlar o efeito das microestruturas, isto é a resposta óssea avaliada dependeu apenas da nanomodificação. Num experimento, implantes eletropolidos foram comparados com implantes eletropolidos modificados com nano-HA.73 Caracterização AFM revelou um aumento de 7 nm no tamanho e 5 nm no diâmetro das nanocaracterísticas detectadas presentes na superfície nano-HA e densidade característica similar comparada com implantes eletropolidos; enquanto nano e microrrugosidade foram similares. Após 4 semanas de cicatrização, formação óssea significantemente mais alta foi observada em torno do implante nano-HA. Mais tarde, num modelo idêntico, implantes nano-HA e nano-titânio foram comparados por 4 semanas, uma alternativa para diferenciar a influência de características nanométricas e composição química.74 A caracterização AFM mostrou características maiores com densidade notavelmente inferior na superfície nano-HA comparada com a nano-titânio. Análise histológica demonstrou uma tendência para formação óssea aumentada nos implantes nano-titânio comparados com nano-HA. A influência das nanocaracterísticas também foi avaliada em implantes em forma de parafuso moderadamente rugosos.75

O grupo de implante jateado moderadamente rugoso foi o grupo controle do experimento e o substrato subjacente para os dois grupos teste incluídos no experimento: modificado nano-HA e ácido condicionado com fluoreto. Análise com microscopia eletrônica de varredura de emissão de campo revelou nanocaracterísticas particulares nos implantes tratados com fluoreto e nano-HA. Análise da microrrugosidade com um interferômetro mostrou valores similares (rugosidade de superfície [Sa] ~1.3µm). Após 4 semanas, implantes moderadamente rugosos em forma de parafuso que exibiram nanoestruturas particulares mostraram valores de torque de remoção mais altos comparados com implantes controles jateados que faltavam tais estruturas. A presença de nanoestruturas, independente da variação da química de superfície, resultou na evidência de formação óssea suportada. O próximo passo para desenvolvimento contínuo de superfícies do biomaterial pode focar na dimensão da nanoestrutura ideal e distribuição na superfície do implante.72

Influência da morfologia da superfície do implante na ósseo-integraçãoDúvida existe a cerca do procedimento ótimo para obter a melhor resposta biológica para

implantes dentários. Quando a importância que as propriedades de superfície do implante têm para a ósseo-integração é analisada, deve-se separar a influência do desenho do implante e morfologia de superfície. Análise do desenho do implante envolve as dimensões (comprimento, diâmetro, espessura da parede), forma (cilíndrico, cônico, híbrido), tipo de espira do parafuso (triangular, quadrada, trapezoidal, redonda, microparafuso, sulcado), trajeto das espiras do parafuso, ângulo das espiras do parafuso e tipo de conexão da prótese (p.e. hexagonal externo, conexão hexagonal interna, cone Morse, star grip). Alguns daqueles parâmetros influenciam a estabilidade primária47 e a resistência mecânica do implante. Em consideração à morfologia de superfície, deve-se analisar a macro, micro e nanoestruturas, assim a homogeneidade de superfície, propriedades químicas e físicas, tipo de óxido, e sua estrutura cristal.

MODIFICAÇÃO DA SUPERFÍCIE DO IMPLANTE DENTÁRIO

Várias técnicas para modificar a superfície do implante foram propostas para melhorar a taxa de sucesso da reabilitação oral com implantes ósseo-integrados.13,38,49,76-86 Os resultados fornecem orientações para o desenvolvimento de superfícies dos implantes.

As diferenças entre implantes comercialmente acessíveis podem envolver rugosidade, composição química, energia de superfície, potencial químico, presença de hidratos e nitratos, camada com stress residual, impurezas resultantes da fabricação ou procedimentos de manipulação, tipo de óxido de titânio,

estrutura cristal do óxido e espessura da camada óxido. Análise destas diferenças é importante conforme as proteínas interagem com os óxidos existentes nas superfícies dos implantes. A rugosidade de superfície dos implantes dentários pode ser avaliada em três escalas: macroscopicamente, microscopicamente e nanoscopicamente.87 Cada rugosidade determina diferentes contatos com células e biomoléculas, assim sendo responsável pela intensidade e tipos de ligações biológicas individualmente. Inicialmente, pode-se esperar que aumento da área de superfície do implante deve resultar em mais sítios para inserção celular, facilitando o crescimento tecidual e melhora da estabilidade mecânica. Entretanto, isto não é uma regra geral e pode variar dependendo do tipo celular. Fibroblastos evitam superfícies rugosas e acumulam nas lisas. Por outro lado, macrófagos exibem rugofilia, isto é, eles preferem superfícies rugosas, enquanto células epiteliais são mais atraídas para superfícies rugosas do que para as lisas. Células osteoblásticas aderem às superfícies rugosas mais facilmente, um achado também observado em implantes comercialmente acessíveis com superfícies quimicamente tratadas.27,56,88

Além da topografia e rugosidade de superfície, química de superfície foi investigada. Composição química da superfície tem uma influência na estabilidade secundária e reatividade do implante. Schneider et al. relataram o efeito da química de superfície no comportamento celular de osteoblastos usando uma variedade de culturas celulares e modelos animais.89 Schwartz et al. analisaram os efeitos da hidrofilicidade e microtopografia da superfície nos estágios iniciais de integração de tecido mole e duro nos implantes de titânio não-submergidos.90 Os resultados indicam que superfícies de titânio com uma energia de superfície mais alta pode possuir potência mais alta para promover diferenciação de osteoblastos por uma expressão mais alta de diferenciação celular e marcadores de atividade celular, tais como ALP, OC e TGII. Seus resultados confirmam os dados de outros autores.91,92

A morfologia de superfície dos implantes dentários pode ser modificada por tratamentos químicos, mecânicos, eletroquímicos e laser. Tratando a superfície do implante, é possível reduzir o tempo de carga seguinte a cirurgia,49 acelerar o crescimento e maturação óssea,44 aumentar a estabilidade primária47 e assegurar uma implantação bem sucedida.2 Há inumeráveis variáveis, combinações de parâmetros relacionados ao tratamento de superfície e fatores influenciando a ósseo-integração (material, desenho do implante, superfície do implante, qualidade e quantidade óssea, técnica cirúrgica e condições de carga). Entretanto, pesquisadores têm estabelecido nenhum consenso no qual superfície, rugosidade e ainda desenho do implante seriam ótimos.

Os fabricantes adotam uma variedade de técnicas para tratar superfícies dos implantes. Tais tratamentos aumentam a área de superfície do implante, melhoram a estabilidade primária, modificam a molhabilidade, aumentam a área de contato osso-implante e aumentam a resistência da interface osso-implante.

Seleção da metodologia a ser usada para tratamento da superfície do implante é iniciada pela escolha da rugosidade desejável, uma vez que macro, micro e nanorrugosidade são diferentemente alcançadas. Hoje, há uma tendência de obter superfícies híbridas morfologicamente caracterizadas por micro e nanoestruturas.72,75

Em alguns casos, os fabricantes mudam a composição química das superfícies do implante pela adição de cálcio, fósforo e fluoreto.80,93

Atualmente, as modificações da superfície do implante dentário podem ser transmitidas por diferentes métodos incluindo feixe íon, condicionamento com laser, condicionamento ácido, anodização e coberturas biomiméticas. Para propósitos de estudo, as modificações de superfície podem ser divididas em sete grupos: usinada, spray de plasma e laser, condicionamento ácido, jateamento seguinte condicionamento ácido, condicionamento com laser, anodização e coberturas biomiméticas.

Implantes dentários usinadosImplantes usinados ou torcidos foram usados na implantodontia inicial, introduzidos por P-I

Branemark.4 Após serem fabricados, estes implantes são submetidos a procedimentos de limpeza, descontaminação e esterilização. Análise de microscopia eletrônica de varredura mostra que as superfícies de implantes usinados têm sulcos, cristas e marcas dos instrumentos usados para sua fabricação (Figura 4). Estes defeitos de superfície fornecem resistência mecânica através do intertravamento ósseo.

A desvantagem considerando a morfologia de implantes não tratados (usinados) é o fato que células osteoblásticas são rugofílicas, isto é, elas são propensas a crescerem ao longo dos sulcos

existentes na superfície, como mostrado na Figura 2. Esta característica requer um tempo de espera mais longo entre cirurgia e carga do implante. O uso destes implantes segue um protocolo sugerido por Branemark: 3-6 meses de cicatrização ou tempo de espera antes da carga. Devido às características morfológicas e resistência inferior para torque de remoção (Tabela 1), implantes dentários usinados estão tornando-se comercialmente inacessíveis.

Tratamentos spray de plasma e laserUm tratamento de superfície alternativo é a ablação com laser e plasma pulverizando um metal ou

cerâmica numa superfície de implante. Os processos de tratamento de superfície usando laser e spray de plasma induz valores altos para parâmetros de rugosidade, o que pode ser caracterizado como macrorrugosidades. A Figura 5 mostra a morfologia da superfície do implante tratado com laser. A superfície exibe macrorrugosidade em ampliação baixa, enquanto estruturas fundidas podem ser observadas em ampliação alta. Na ampliação mais alta, uma superfície tratada com laser é mais lisa do que outras. Interessantemente, superfícies com camadas depostas por spray de plasma têm características similares, macrorrugosidade e estruturas fundidas.

Tratamentos com spray de plasma e laser não estão mais sendo usadas porque a macrorrugosidade resultante tem efeitos maiores na estabilidade primária do que na estabilidade secundária. É esperado que características de superfície exibam influência biológica durante a instalação do implante e interação com células pelas modificação dos mecanismos envolvidos na adsorção e diferenciação celular.

A ósseo-integração do implante dentário com HA pulverizada com plasma é mais rápida do que os implantes não cobertos. Entretanto, estudos têm mostrado que estas coberturas podem ser parcialmente dissolvidas/reabsorvidas após períodos longos de função.94 Em adição, a cobertura HA é quimicamente instável e liga fracamente à superfície do implante. Considerando o potencial da associação entre ablação com laser e coberturas HA em escala menor para criar uma superfície estável e bioativa nos implantes dentários de titânio, Faeda et al. analisaram os efeitos de um tratamento de superfície criado por ablação-laser (neodymium-doped yttrium aluminum garnet [Nd:YAG]) e, mais tarde, deposição fina de partículas de HA por um processo químico.95 Eles compararam o torque de remoção de implantes tratados com laser seguido pelo condicionamento ácido, implantes apenas com ablação-laser e implantes com MS. Após 4, 8 e 12 semanas de cicatrização, o torque de remoção foi medido. Torque de remoção médio em cada período foi 23.3, 24.0 e 33.9 Ncm para MS, 33.0, 39.9, e 54,6 Ncm para superfície modificada com laser (LMS) e 55.4, 63.7 e 64.0 Ncm para HA. A diferença foi estatisticamente significante (p<0.05) entre superfícies LMS-MS e HA-MS em todos os períodos de avaliação e entre LMS-HA para 4 e 8 semanas de cicatrização. A caracterização de superfície mostrou uma topografia profunda, rugosa e regular fornecida pelo condicionamento com laser que foi seguido pela cobertura HA. Eles concluíram que os implantes com modificação da superfície com laser associada com cobertura biomimética HA podem encurtar o período de cicatrização do implante pelo aumento da interação osso-implante durante os primeiros 2 meses após colocação do implante.95

Implantes dentários ácido-condicionadosTodo fabricante tem seu próprio método de condicionamento ácido considerando a concentração,

tempo e temperatura para tratar a superfície do implante. Em geral, o tratamento ácido é realizado pela imersão dos implantes em soluções de HCl + H2SO4, HF + HNO e HNO. Após o ataque ácido, o implante é novamente imerso numa solução aquosa de HNO para passivação do óxido de titânio e formação de uma camada óxido estável. Um exemplo da morfologia de uma superfície ácido-condicionada de um implante comercialmente acessível é mostrado na Figura 6.

Tratamento ácido fornece rugosidade homogênea, área de superfície ativa aumentada e bioadesão melhorada. A morfologia da superfície do implante mostrada na Figura 5 é isotrópica e exibe microcavidades com bordas definidas. Este tipo de superfície não apenas facilita a retenção das células osteogênicas mas também permite que elas migrem para a superfície do implante. Implantes tendo morfologia de superfície similar àquela mostrada na Figura 5 induzem retenção de fibrina, favorece a adsorção de fibronectina e facilita a ósseo-integração.96

Apesar do alto sucesso de implantes dentários com superfícies tratadas, complicações podem ocorrer, tais como perda de integração, periimplantite e mucosite, frouxidão do parafuso da prótese e fratura do implante em si. A Figura 7 mostra a parte apical de um implante fraturado 4 anos após a

cirurgia. O implante quebrado foi removido cirurgicamente e o implante apresentava características de morfologia de superfície ácido condicionada. A falha ocorreu após o período de cicatrização devido à sobrecarga do implante. O implante dentário apresentou uma boa ósseo-integração. Observações de microscopia eletrônica de varredura mostraram, em algumas áreas, a presença de material orgânico, que estava presente diretamente na superfície do implante.

Condicionamento ácido produz baixa energia de superfície e reduz a possibilidade de contaminação uma vez que nenhuma partícula é incrustada na superfície. Entre os implantes ácido tratados comercialmente acessíveis, pode-se citar o Master Porous System (Conexão Sistema de Próteses, Brasil), Osseotite (Biomet 3i, EUA), Friadenty Plus (Friadent GmbH, Alemanha), Defcon TSA (Impladent SL, Espanha) e BlackFix (TitaniumFix, Brasil).

Implantes jateados e condicionamentoO arranjo atômico na superfície externa dos materiais metálicos volumosos é diferente em termos

de distribuição interna. Átomos localizados na superfície são circundados por um número menor de vizinhos comparados com aqueles átomos nas regiões internas, que aumenta o nível de energia atômica na superfície do implante. Como um resultado, há uma maior tendência de adsorção de átomos e moléculas estranhas. Quanto maior é a energia de superfície por unidade de área, maior a possibilidade de reações entre corpo e material. Quando implante é jateado, sua superfície sofre microdeformação plástica, na qual uma camada com stress residual compressivo é criada. Parte da energia cinética das partículas é armazenada em forma de defeitos cristais, tais como deslocamento, limites geminados e de granulações, e estas modificações aumentam a energia de superfície do material,97 assim como a possibilidade de modificação na interação entre células e implante. Os valores de stress residual obtidos dos procedimentos de jateamento depende da dureza e distribuição granulométrica das partículas usadas. Quanto maior a distribuição granulométrica, mais heterogênea a distribuição de deformação. Embora tratamento ácido após jateamento remova algumas camadas atômicas da superfície de titânio deformada pelo procedimento de jateamento, parte da deformação residual permanece na superfície do implante.

Superfícies com Ra igual a 1µm tem um bom desempenho.11 Este nível de rugosidade pode ser obtido pelo jateamento seguido de tratamento ácido (Figura 8). O procedimento de jateamento permite controle do tamanho das microcavidades, mas partículas podem ser incrustadas e então contaminam a superfície do implante (Figura 7B). O jateamento de grãos ou técnica de jateamento é normalmente feita com titânio ou alumina. Após o procedimento de jateamento de grãos, partículas permanecem na superfície dos implantes e devem ser removidas com ácido e banho ultra-sônico.

A influência da rugosidade de superfície na formação óssea nas superfícies jateadas com titânio foi avaliada.53 As amostras foram jateadas com partículas Al2O3. Após preparação da superfície, as amostras foram passivadas, lavadas com água destilada e secas. Os resultados dos experimentos animais mostraram valores mais altos para torque de remoção e contato osso-implante para amostras jateadas com partículas de 25 e 75µm de tamanho comparadas com aquelas usinadas e jateadas com partículas de 250µm.

Partículas de alumina na variação de tamanho de 25-50 µm são usadas para jatear o implante jateado, granulação grande, ácido condicionado (SLATM) (Straumann ITI, Alemanha). O jateamento é seguido por um condicionamento ácido em solução ácida HCl/H2SO4 quente. Estes processos criam micropontos sobrepostos na superfície rugo-jateada. Os pontos têm um diâmetro médio de 1µm e coalescem para formar crateras maiores com um diâmetro médio de 10µm. Superfícies jateadas têm Ra igual a 1.19µm e a rugosidade total (Rt) igual a 10.53µm. Jarmar et al. mediram a rugosidade no SLA e Sa e encontraram ser 1.98 ± 0.08µm.98

O implante dentário denominado TiOblastTM (Astra Tech AB, Suécia) feito de titânio comercialmente puro é outro exemplo de um implante jateado e então ácido condicionado. TiOblast é jateado com partículas de óxido de titânio de 25µm, que cria pequenos pontos de tamanho e forma pré-determinada.

A superfície do implante dentário OsseoSpeedTM (Astra Tech AB, Suécia) é modificada por fluoreto (superfície ácido tratada hidrofluorídrica). A superfície do implante é jateada e mais tarde condicionada com ácido hidrofluorídrico diluído, que reduz ligeiramente os picos altos. A estrutura da final da superfície tem uma rugosidade isotrópica, isto é, há nenhuma direção preferida das irregularidades de superfície.93 Durante o procedimento de jateamento, a rugosidade de superfície é

aumentada. A superfície OsseoSpeed tem Sa = 0.91 ± 0.14 µm e a superfície TiOblast tem Sa = 1.12 ± 0.24 µm. O tratamento com ácido hidrofluorídrico não apenas muda a microestrutura, mas também a química de superfície. De acordo com os autores,93,99 a superfície fluoreto incorporada no óxido age como um sítio de precipitação para cálcio e fósforo, e também permite ligação covalente ao fosfato para criar HA fluoretada e fluorapatita.

Implantes anodizadosTitânio tem uma alta energia de superfície seguinte o procedimento de usinagem, que facilita a

adsorção de moléculas de oxigênio. Aproximadamente 10 ns após adsorção de oxigênio, as moléculas dissociam para formar a primeira monocamada atômica de oxigênio. O oxigênio adsorvido transforma em óxido de titânio dentro de poucos milissegundos. Entretanto, contato direto entre titânio puro e o osso do hospedeiro é muito improvável por causa da presença da camada de óxido de titânio e as propriedades de óxido de titânio são mais importantes em termos de biocompatibilidade do que aquelas do titânio puro. Baseado neste princípio, pesquisadores modificaram a morfologia e a estrutura cristal do óxido de titânio das superfícies de titânio. Um dos métodos consiste do aumento na espessura da camada óxido pela anodização. Isto pode ser feito por vários procedimentos eletroquímicos.13,44,100

Anodização é um processo eletroquímico onde o implante é imerso num eletrólito enquanto uma corrente é aplicada, que fará do implante o ánodo numa célula elétrica. Implantes dentários comerciais, tais como TiUniteTM (NobelBiocare, Suíça) e Vulcano ActivesTM (Conexão Sistemas de Prótese, Brasil) são anodizados. O eletrólito e a corrente usada no processo de tratamento dos implantes cria uma estrutura de superfície porosa (Figura 9).

A alta estabilidade química e biocompatibilidade do titânio são devido à formação de óxido de titânio em sua superfície. Óxido de titânio tem três estruturas cristalinas: anatase (tetragonal), rutilo (tetragonal) e brookita (ortorrômbica).101 A cristalinidade aumenta conforme a espessura da camada óxido aumenta. As formas rutila e anatase são as estruturas óxido mais importantes para ósseo-integração dos implantes. Em adição ao aumento na espessura da camada óxido, o filme de óxido de titânio obtido da anodização eletroquímica incorpora cálcio e fósforo como uma herança do eletrólito. A superfície tem mais do que 7% de fósforo na camada óxido, a porcentagem mais alta de hidróxido amorfo comparado com outros implantes avaliados por espectroscopia fotoeletrônica por raio-x (XPS). Como resultado, o óxido de titânio existente na superfície do implante mostra alterações em sua morfologia e estrutura cristalina.102

Pela caracterização das superfícies dos implantes anodizados com difração de raio-x, Raman e XPS, foi encontrado que uma predominância de formas anatase nas superfícies anodizadas comparadas com superfícies usinadas, onde a forma rutila é predominante (Figura 9A). Os resultados mostraram que as diferenças entre implantes comerciais depende do método usado para tratamento da superfície. Superfícies jateadas e ácido tratadas exibem predominantemente formas rutila, embora suas morfologias são diferentes. Por outro lado, superfícies anodizadas têm uma predominância de formas anatase (Figura 10) e microporos medindo 0.5-3.0 µm (Figura 9). O espectro XPS indicou que a composição química da superfície mais externa da camada óxido na superfície do implante anodizada contém cálcio e fósforo eletroquimicamente incorporados da solução de eletrólitos mista durante o processo de oxidação (Figura 10B).

O processo de cicatrização tecidual em torno de implantes anodizados ou ácido condicionados, inseridos em sítios ósseos com e sem defeitos, é mais rápido do que em implantes usinados. A fim de avaliar a eficiência de implantes anodizados, Gurgel et al. usaram dentes de cães e 3 meses após extração, eles produziram defeitos medindo 5 mm de altura e 4 mm de largura antes de inserir o implante.103 Os animais foram sacrificados 3 meses após a inserção do implante. Os pesquisadores encontraram que as porcentagens de contato osso-implante e densidade óssea de implantes anodizados foram 57.03 ± 21.86% e 40.86 ± 22.73%, enquanto implantes usinados tinham 37.39 ± 23.33% e 3.52 ± 4.87%, respectivamente.

Sul et al. compararam resistência mecânica e condutividade óssea de implantes anodizados contendo magnésio, TiUnite (anodizado) e Osseotite (ataque ácido duplo).104 Os implantes foram inseridos na tíbia de coelhos e 3-6 semanas mais tarde torque de remoção e porcentagem de contato osso-implante foram medidos. Implantes de magnésio demonstraram valores de torque de remoção (RTQ) significantemente maiores e mais formação de novo osso do que Osseotite em 3 e 6 semanas.

Implantes de magnésio também mostraram valores RTQ mais altos em 3 semanas e formação de novo osso em 6 semanas do que TiUnite. Os resultados indicam que a química de superfície facilitou ósseo-integração mais rápida e mais forte do os implantes de magnésio. Isto sugere vantagens potenciais de implantes de magnésio para redução das taxas de falha dos implantes altas no estágio pós-implantação inicial e no osso comprometido, tornando possível encurtar o tempo de cicatrização óssea da cirurgia à carga funcional, e aumentando a possibilidade de carga imediata/precoce. O implante de superfície anodizada tem uma polaridade mais alta comparada com aquela das amostras ácido-tratadas, que causa adsorção de água e moléculas. Adsorção destas moléculas cria um campo elétrico ao longo da espessura óxido. Este campo elétrico induz oxidação do titânio e, ao mesmo tempo, a espessura da camada óxido aumenta, assim diminuindo a diferença potencial e a força de condução para dissolução.104 Desta maneira, levando em conta que a estrutura de superfície assim como a morfologia estão correlacionados com a molhabilidade, alterações em suas propriedades afetam adsorção de proteínas necessárias para adesão celular na superfície do implante. Consequentemente, o desempenho de uma dada superfície tratada depende da resposta biológica do implante usado.

MECANISMOS DE IMPLANTES DENTÁRIOS BIOATIVOS

Materiais bioativos formam ligação bioativa com o osso vivo pelo crescimento de uma camada de apatita em suas superfícies após eles serem implantados no sítio ósseo.17,105 Óxido de titânio tem uma tendência para adsorver água na superfície, resultando na formação de grupos de hidróxido de titânio. Resultados experimentais mostram que metal titânio e suas ligas sujeitas a NaOH e tratamento com calor exibiram uma capacidade de formação de apatita e integração com osso vivo. A capacidade de formação de apatita do metal é atribuída ao titanato de sódio amorfo que é formado durante o NaOH e tratamento térmico.106 A bioatividade de um material depende especialmente da estrutura e a quantidade de grupos funcionais tais como grupo amino (– NH) e hidroxil (– OH). A presença de grupos hidróxido na superfície do implante representa um importante papel com respeito à biointeração com células ósseas e pode estimular a inserção celular à superfície contendo hidroxil artificial. Foi também observado que os grupo hidróxido de titânio básico induz nucleação e cristalização de apatita em fluido corporal simulado. Óxidos de titânio derivados usando algumas técnicas, tais como processo sol-gel e tratamento de titânio metálico com H2O ou álcali, tem grupos hidróxido de titânio abundantes na superfície e apatita como a do osso é formada na superfície. Entretanto, a apatita não é biomimeticamente formada em óxido de titânio de cristal unitário (anatase).

CONCLUSÕES

Vários processos existem para tratar a superfície de implantes comercialmente acessíveis. A maioria destas superfícies foram analisadas por estudos in vitro e in vivo, mostrando altas taxas de sucesso clínico. Entretanto, as metodologias usadas para preparar estas superfícies são principalmente empíricas, requerendo um número grande de análises. Além do mais, os testes não são padronizados e isto torna difícil comparar os resultados;

Os resultados de estudos in vitro e in vivo mostram que as características de superfície dos implantes dentários influenciam a atividade celular;

O tratamento de superfície do implante dentário influencia a maneira das células aderirem à superfície, que influencia a diferenciação, proliferação, diferenciação e formação de matriz extracelular;

Características topográficas, rugosidade, energia e composição química modificam o crescimento celular e a alteração na função celular nos estágios iniciais da ósseo-integração;

Estudos adicionais são necessários para melhorar e descrever a interação entre células e superfícies dos implantes, assim como para avaliar a influência de diferentes parâmetros envolvidos, tais como proteínas, estímulo de formação óssea e terapia individual, para pacientes comprometidos.

COMENTÁRIO TÉCNICO E VISÃO DE CINCO ANOS

O desenvolvimento de superfícies de implantes dentários durante os últimos anos tem melhorado a reabilitação oral em termos de critérios de inclusão do paciente e resposta tecidual geral. Respostas óssea e de tecido mole para implantes dentários e próteses inseridas têm se tornado mais previsíveis, preenchendo as expectativas mais altas dos pacientes e também dos dentistas. Há uma concordância geral considerando a seleção do material e quais elementos devem ser evitados na superfície do implante, reduzindo a possibilidade de falhas, apesar do aumento constante de implantes dentários inseridos mundialmente.

Padrões correntes para caracterização da superfície de materiais relacionados aos implantes comumente foca nas propriedades de superfície limitadas e técnicas de avaliação que não podem representar o que tem realmente mudado na superfície do material. Uma então chamada modificação química, por exemplo, provavelmente acrescentará novas estruturas na superfície e, ao mesmo tempo, mudará a molhabilidade do material. Estas três propriedades de superfície (entre outras) são conhecidas modificar as interações célula-tecido. Assim, um protocolo de análise de superfície específico poderia ser estabelecido, fornecendo orientações para desenvolvimentos futuros.

O foco recente nas modificações nanobaseadas tem dado uma alternativa extra para melhorar a resposta tecidual. Em adição, a possibilidade de investigar a interação célula-tecido na nanoescala fornecerá resultados para entender melhor o mecanismo por trás do sucesso do implante ou falha. Neste estágio, é difícil determinar o tamanho ideal e configuração das nanoestruturas para superfícies de implantes dentários mas resultados preliminares indicam que somente a presença de nanoestruturas específicas melhorarão a formação óssea. O acompanhamento clínico destas modificações indicará os benefícios potenciais para os pacientes, com atenção especial para preservação do tecido e custos.

LEGENDA DAS FIGURASFigura 1. Exemplos de desenhos de implantes dentários comercialmente acessíveisFigura 2. Morfologia da superfície influencia a forma dos osteoblastosFigura 3. Exemplo da superfície do implante dentário submetido à modificação da nanotopografiaFigura 4. Morfologia da superfície do implante dentário usinado. É possível observar as irregularidades do instrumento do processo de usinagem.Figura 5. Superfície de implante dentário tratado com laser. É possível observar macrorrugosidades e morfologia com características de fundição.Figura 6. Morfologias de superfície de implante dentário típicas com tratamento de condicionamento ácido. Imagem cortesia da Conexão Sistemas e Próteses, BrasilFigura 7. Parte apical do implante dentário ósseo-integrado quebrado com tratamento de condicionamento ácido. A fratura ocorreu 4 anos após cirurgia. É possível observar a adesão do material orgânico na superfície do implante.Figura 8. Superfície jateada de implante dentário de titânio típica. (A) Superfície limpa. (B) Superfície com contaminação de partícula de alumina.Figura 9. Morfologia da superfície do implante dentário anodizado.Figura 10. Espectro do implante dentário anodizado. (A) Espectro Raman. (B) Espectro por espectroscopia fotoeletrônica de raio-x.

Questões chave O sucesso dos implantes dentários de titânio está aumentando porque a técnica cirúrgica tem mudado,

a fabricação do implante melhorou e os tratamentos de superfície do implante são usados. Os tratamentos de superfície do titânio mudam as atividades celulares. A rugosidade de superfície muda o comportamento das células. O tratamento de superfície do implante dentário é essencial para reduzir o tempo de carga do implante

e para o tratamento de pacientes com uma desordem sistêmica. Para melhorar a ósseo-integração do implante, o tratamento da superfície é o procedimento mais

importante.