Tratamentos e Caracterização da
superfície dos Implantes osseointegrados

*José Henrique Cavalcanti Lima
**Eliane Porto Barboza
***Carlos Nelson Elias
**** Dagnilson T. Gomes

Sinopse

          Na última década, os implantes osseointegrados passaram a ser mais um componente no auxílio da reabilitação oral do paciente. Este trabalho tem por objetivo apresentar o tratamento e a caracterização de Implantes Osseointegrados.

          Há variação na qualidade do acabamento superficial, depende do tipo de caracterização empregada

Unitermos:

          Osseintegração, implante dentário, acabamento de implante dentário.

Uniterms:

         Osserintegration, Dental Implans, Implant finiching surface

INTRODUÇÃO

        A seleção do material a ser utilizado em implantes osseointegrados é feita com base em requisitos quanto às propriedades mecânicas, usinabilidade, propriedades químicas e biocompatibilidade. Um dos aspectos importantes na seleção consiste em se prever como o corpo humano irá reagir bioquimicamente com a presença do material estranho. Apesar de não existirem meios para predizer com exatidão como o material irá se comportar e qual será a sua reação com o organismo, com base nos conhecimentos das propriedades dos materiais e apoiado em resultados experimentais de implantes realizados em animais, é possível estimar, com segurança, o desempenho do implante.

        Este trabalho tem por objetivo apresentar a influência dos processos de fabricação na morfologia da superfície de implantes de titânio osseointegrados e analisar as técnicas de caracterização das superfícies externas destes implantes.

PROPRIEDADES DAS SUPERFÍCIES

       A biocompatibilidade do implante osseointegrado depende, fundamentalmente, do tipo de material e das características microestruturais da sua superfície externa, a qual pode ser policristalina ou amorfa; Dependendo do processo de fabricação, a superfície externa pode ter estrutura eletrônica, cristalinidade, composição química, espaçamento atômico e propriedades mecânicas e químicas diferentes do seu interior.

      Na área da Ciência dos Materiais, as diferenças mais importantes, entre a superfície e a parte interna, que devem ser analisadas, estão relacionadas com a composição química, energia superficial e potencial químico devido à segregação e formação ou deposição de compostos.

      A superfície externa dos materiais, por terem elevado nível de energia, têm a tendência de absorver átomos estranhos, modificando assim a composição do revestimento original do implante. Por exemplo, na usinagem do titânio há absorção de moléculas de O2, as quais se dissocia e após cerca de 10 nanosegundos há a formação da primeira monocamada de oxigênio, que se transforma em óxido em alguns milisegundos. Assim, dificilmente, haverá contato entre o titânio metálico e o corpo hospedeiro, mas ocorrerá contato com a camada de óxido de titânio. Logo, a biocompatibilidade e as propriedades do óxido são mais importantes que a do metal.

FORÇAS DE LIGAÇÃO IMPLANTE-OSSO

      O implante em função apresenta retenção fibro-óssea e/ou osseointegrada. Segundo a AAID (American Academy of Implant Dentistry), o termo retenção óssea é definido como o contato tecido-implante, ou a existência de tecido colágeno denso entre o implante e o osso (Misch 740). Já o termo osseointegração refere-se ao contato físico existente entre o osso refeito e o implante, sem interposição de tecido conjuntivo ou não ósseo. Com base neste conceito os emplantes apresentam retenção mecânica e bioativa. A retenção mecânica não depende do material, refere-se a existência de interface definida entre a superficie do implante e do osso, depende da geometria, existência ou não de furos e ranhuras, tipo de rosca e número de filetes de rosca. Na retenção bioativa há a ligação química entre o implante e o organísmo, a qual depende do material e das suas propriedades superficiais (biointegração).

       A ligação química entre o implante e as moléculas do organismo ocorre por meio de forças fracas de van de Waals, pontes de hidrogênio e ligação química local. As primeiras apresentam energia de ligação inferior '10 kcal/mol e predominam a distância da ordem de 1 µm, como por exemplo a polarização molecular e os dipolos elétricos. As pontes de hidrogênio possuem energia de 1-10 kcal/mol. As forças fortes de ligação, do tipo covalente e iônica, com energia de ligação de 10-100 kcal/ mol, dependem das características microstruturais da superfície, em escala atômica. Estas ligações ocorrem em defeitos como cátions e ânions e em átomos de impureza. A composição química do óxido, contorno de grão e o teor de impurezas exercem grande influência na ocorrência das ligações fortes. Para aumentar a capacidade de união do osso com o implante de titânio tem-se utilizado a deposição de uma camada de material cerâmico na superfície do implante, destacando-se o uso de hidroxiapatita (HA). O HA reage com o óxido de titânio e forma titanato cálcico. Segundo Kasten (Kasten, P.M., Qantitative evaluation of human gengival epithelical cell attachment to implant surfaces in vitro, Int J. Periodont Rest Dent 10:69- 79 1970, in Carl E Misch, Contemporary Implant Dentristry p737) as células epiteliais da gengiva humana aderem com maior facilidade na hidroxiapatita do que na superfície do titânio, ligas de titânio e plasma spray de titânio. Em seu trabalho, kasten observou que a rugosidade superficial do implante influencia na aderência.

RUGOSIDADE

        A qualidade do acabamento superficial dos implantes adquirem especial relevância para a osteogênese
na fase pós operatória imediata depósito e organização do coágulo sobre a superfície do implante.

        A rugosidade superficial dos implantes depende do seu grau de acabamento obtido durante o processo de fabricação. Em função da velocidade de usinagem, tipo de ferramenta, estado termomecânico do material a ser usinado, tratamentos térmicos e mecânicos realizados após a usinagem, pode-se obter diferentes ordens de grandeza de rugosidade superficial dos implantes.

       Valores de rugosidade média de 100,µm, sob o ponto de vista mecânico, facilitam a distribuição de tensões. A rugosidade entre 100,µm e 10 namometro encontra-se na faixa do tamanho das células e grandes moléculas e influenciam na interface biológica, bem como influenciam o campo eletromagnético local e podem alterar as forças de ligação de van der Walls. Rugosidade com escala atômica criam sítios de ligação química para diferentes moléculas. Assim, a adesão das células é influenciada pela rugosidade superficial com valores acima de nanometro.

       Do ponto de vista fisiológico, a superfície rugosa em relação à superfície lisa oferece vantagem, uma vez que melhora a proliferação do osso. Estudos experimentais em animais têm demonstrado que a cicatrização dos tecidos conjuntivos ou osso, não depende apenas do biomaterial mas também da estabilidade biomecânica durante a fase de cicatrização. Por sua vez a estabilidade biomecânica se relaciona com a espessura do osso, desenho, micromorfologia superficial e qualidade do leito do implante.

PROPRIEDADES DO  TITÂNIO

      O titânio possui boa resistência à corrosão sob tensão, elevadas propriedades mecânicas, biocompatibilidade e boa resistência à fadiga, mesmo quando imerso em solução salina. Este metal permite o crescimento do osso na sua interface, com preenchimento de poros e rugosidades introduzidas durante a fabricação. Quando imerso em fluídos do corpo humano, o titânio tem resistência à corrosão superior a do aço inoxidável.

      Considerando que a formação da camada de óxido de titânio é muito rápida, a alta biocompatibilidade do titânio está associada com as propriedades dos seus óxidos superficiais. Mesmo quando a camada de óxido é removida, ao ar ou em meio aquoso a temperatura ambiente, o titânio forma uma nova camada de óxido com espessura de 3 a 5,µm em alguns segundos. Os óxidos possuem estequeometria variada: TiO, Ti2O3 e TiO2 .O TiO2 é o mais importante, o qual pode apresentar estruturas critalinas diferentes. A camada de TiO2 apresenta grande densidade, elevada aderência com o metal base, elevada resistência à corrosão e elevada constante dielétrica. Esta última propriedade exerce grande influência na formação do osso na interface com implante. A elevada constante dielétrica do TiO2 resulta em forças de van der Waals maiores que a de outros óxidos, característica importante em interfaces bioquímicas. O TiO2 ' assim como óxidos dos metais de transição, apresenta propriedade catalítica ativa em diversas reações químicas orgânicas.

      As principais propriedades mecânicas e a composição química dos diferentes graus de pureza do titânio puro são apresentadas na Tabela 1.

      Como pode-se observar na Tabela1, o titânio puro possui baixo módulo de elasticidade (E) e limite de resistência à tração (RT), propriedades estas inferiores a da liga de titânio Ti6A14V. O módulo de elasticidade do titânio puro é da ordem de 5 vezes a do osso. Percentuais de ferro superiores a 0,5% aumentam a resistência mecânica do titânio mas, reduzem sua resistência à corrosão.

      Resultados de estudos de simulação utilizando elementos finitos (V. G. Langkamer, Proc. Orthopedic Research Soc 240 1992 in Beta Ti alloy in the 1990's p. 50) indicam que materiais com menores módulos de elasticidade apresentam melhor distribuição de tensão na interface com o osso e facilitam a reabsorção.

Tabela 1: Composição química nominal e propriedades mecânicas do titânio puro comparadas com as TiA14V

MÉTODOS DE PREPARAÇÃO DA SUPERFÍCIE

      Os implantes, normalmente, são revestidos com outro biomaterial para se aumentar a área superficial do implante, facilitar a microligação com o osso e melhorar as propriedades biomecânicas do implante. Quanto maior a área superficial e de contato entre o implante e o osso, melhor a retenção do sistema e melhor o suporte para a reabilitação protética. Entre os materiais utilizados em revestimentos destaca-se o óxido de titânio, o fosfato tricálcio e o hidroxiapatia (HA), cujas propriedades são mostradas na Tabela 2.

Tabela 2: Módulo de elasticidade e estequiometria dos revestimentos usados em biomateriais

     Carl Misch observou que nos implantes com revestimento de HA ocorre a formação óssea e maturação em menor período do que em implantes não revestidos. Os revestidos com HA têm 66,3% da superfície externa em contato com o osso (Mish 746).

      Atualmente, existem diversas técnicas de preparação da superfície e deposição do revestimento dos implantes, destacando-se a oxidação anódica, oxidação com plasma, deposição com vapor e spray térmico, tratamento com laser, limpeza com plasma e mecânica e, ataque com solução química.

      Na oxidação anódica é possível controlar a espessura da camada de óxido variando-se a voltagem de íons do banho.

      A deposição com vapor pode ser feita pela técnica PVD (Physical Vapor Deposition) ou CVD (Chemical Vapor Deposition). Na técnica PVD há aquecimento da ordem de 600 ºC, na deposição CVD ocorre reação entre o vapor depositado e o substrato e o aquecimento pode atingir entre 800 e 1.200 ºC.

      O revestimento com Spray Térmico é um termo genérico de um grupo de processo de tratamento de superfície em que metais, cerâmicos e polímeros, na forma de pó, barra ou lâmina são aquecidos a elevada temperatura, lançados contra uma superfície e depositados em camadas. As propriedades do revestimento dependem da técnica de deposição empregada e do material depositado. Dados do periódico Advanced MateriaIs & Process de agosto de 1995, indicam que nos Estados Unidos da América existe cerca de 225 empresas fornecedoras de equipamentos e prestadora de serviço na área de deposição de revestimentos com spray. Entre as técnicas de deposição de materiais com spray térmico destaca-se :

• HVOF: High Velocity Oxy Fuel

• PSP : Plasma Spray Process

• TSPJ : Thermal Spraying Plasma Jet
  

• HVIF : Hipervelocity Impact Fusion
  

• VPS : Vacuum Plasma Spray

• FS : Flame Sprayed
  

• AS: Arc Spraying
  

• DGUN : Detonation Gun Spraye

      Spray Témico com Combustão de alta velocidade: os gases propano e hidrogênio são misturados com oxigênio e injetados em uma câmara de combustão. O material a ser depositado, na forma de pó, é introduzido axialmente na câmara e dirigido contra o substrato. A deposição é feita em camadas sucessivas. Neste processo há união mecânica do pó, devido ao choque a alta velocidade e, a ligação química é causada pelo aquecimento do pó acima da sua temperatura de fusão. A espessura final do revestimento é controlada pelo tempo de deposição.

    Plasma spray com chama: utiliza-se gases combustíveis (propano, acetileno, etc.) para aquecer e fundir o material a ser depositado. O processo permite a combinação de gases para reduzir os custos e controlar a oxidação. O material a ser depositado, na forma de barra ou pó, é fundido e lançado contra a superfície do implante em um meio inerte, usualmente argônio, formando uma camada de 50 a 10°µm. A temperatura de aquecimento depende do gás :

• propano-oxigênio : 2526 ºC
  
• propileno-oxigênio : 2843 ºC
  
• gás natural-oxigênio : 2386 ºC
• hidrogênio-oxigênio : 2660 ºC
• acetileno-oxigênio : 2308 ºC

    Spray com arco elétrico: o aquecimento e fusão ocorre com a aproximação e compressão de dois fios carregados eletricamente, com a centelha elétrica há a atomização e com a pressão do gás o material é lançado contra o substrato a ser resvestido. O aquecimento do substrato é inferior ao do processo com chama.

    Plasma Spray : um arco elétrico é iniciado entre dois eletrodos usando cargas de alta frequência. O arco ioniza o gás e cria um plasma de alta pressão. A temperatura do gás pode atingir até 3.000 ºC. Este processo tem sido utilizado na deposição de partículas de óxido de titânio na superfície do implantes de titânio. As partículas de óxido são impulsionadas pela injeção de argônio e chocam-se com a superfície do implante com velocidade da ordem de 3.000 m/s. Durante o choque são criadas ondas de choque que elevam a temperatura da superfície das partículas acima da sua temperatura de fusão, permitindo a união química e mecânica do óxido na forma de camadas com espessura entre 50 e 100 ;µm. Este processo eleva a rugosidade superficial e a área de contato implante-osso é aumentada de até 7 vezes a inicial.

    Entre todos os processos de revestimento de implantes com spray utilizados, o da combustão de alta velocidade e o plasma spray à vácuo são os mais utilizados. No primeiro caso, na ausência de controle da atmosfera do sistema, pode haver contaminação do revestimento.

    Na limpeza mecânica, emprega-se o jateamento abrasivo com granalhas para remover as usinagem e a camada heterogênea de óxido de titânio, bem como para criar microcavidades que facilitam o travamento inicial. Neste processo utiliza-se partículas homogêneas de alumina ou sílica.

    Com banho químico além das impurezas orgânicas é possível remover uma fina camada com tensão residual, melhorar o acabamento superficial e criar microcavidades que facilitam a biointegração.

CARACTERIZAÇÃODA SUPERFÍCIE

     Devido às diferentes técnicas de fabricação dos implantes pode-se obter superfícies externas com diferentes propriedades e morfologia e para a sua caracterização, entre outras técnicas empregadas, destacam-se a microscopia ótica eletrônica e a difração de Raios-X. Estas técnicas de análise são referenciadas como:

• XRD-X- ray Diffraction
  
• XPS-X -ray Photoemission Spectroscopy
  
• AES -Auger Electron Spectroscopy
  
• SIMS -Secondary Ion Mass Spectroscopy
  
• SEM -Scanning Electron Microscopy
  

• TEM -Transmission Electron Microscopy      

• ESCA -Electron Spectroscopy for Chermical Analysis     

• IRS -Infrared Spectroscopy
  
• EDS -Energy Dispersive X-ray Spectroscopy
  
• WDW -Wavelength Dispersive X-ray

      Na caracterização da superfície dos implantes procura-se determinar a rugosidade, morfologia e a composição química. A rugosidade (amplitude e espaçamento) influencia nos mecanismos de ligação entre o implante e o osso. Na caracterização morfológica procura-se determinar o acabamento superficial, existência de trincas e defeitos de usinagem.

      Quanto à composição química é importante a determinação não apenas dos elementos de liga mas, também dos traços de impurezas e a existência de contaminantes e segregação não metálica. Face ao desconhecimento da influência do baixo percentual de contaminantes das superfícies dos implantes na biocompatibilidade, é prudente controlar os procedimentos de limpeza. Pequenas concentrações de impurezas podem alterar as propriedades superficiais do óxido, particularmente, os elementos que possuem ação catalítica. Além disto, a variação local da composição química pode induzir a corrosão galvânica.

      O emprego da técnica XPS- ESCA na análise da superfície de um implante permite verificar a presença de contaminantes C, N, S e C1, os quais podem ser incorporados durante os procedimentos de fabricação. A remoção destes contaminantes pode ser realizada mediante limpeza com íons em vácuo.

CONCLUSOES

     Somente mediante a caracterização da superfície externa dos implantes pode-se entender a influência da morfologia e da composição química na osseointegração.

     A biocompatibilidade implantes de titânio não revestidos está relacionada à limpeza superficial, boa resistência à corrosão e à alta dielétrica do seu óxido TiO2.

    Para melhorar a osseointegração dos implantes tem-se realizado a deposição de camadas de óxido de titânio, óxido de alumínio e hidroxiapatita com técnicas de spray térmico.

BIBLIOGRAFIA

1. Misch, C. E., Contemporary Implant Dentistry, Mosby Year Hook Inc., 1993.
   

2. Alberktsson et alI., Osseointegrated titanium implants, A. C. S. 52 p. 155 -170. 1981.
   

3. Branemark, P. I., Zarb, G.. A., and Alberktsson, T. (ditors). Tissue integrated prostheses : osseointegration in clinicaI dentistry, Quitessence, Chicago pag 26,101 -108. 1985.
   

4. Gould et alI., The attachement mechanism of epithelial cells to titanium in vitro, J. P. R. 16, pag 611 -616.1981.

5. Les Geros, R. Z., Calcium phosphate materiaIs in restorative dentistry : a review, J. Dent 2: 164- 180.1988.

6. Kasemo and Lausmaa., Biomateriais and implant surface : on the role of cIeanliness, contamination and preparation procedures, J. H. M. R. 22 (2) pag 145- 158. 1988.

7. ASM Handbook voI 5 : Surface Engineering, American Society for MetaIs, MetaIs Park, CleveIand, Ohio. 1994.

*Especialista em Periodontia Policlínica Militar do Ministério do Exército, Prof. Instituto Brasileiro de Implantodontia
**Mestra e Doutora em Periodontia; Profa da Universidade Federal Fluminense
***Prof. da Faculdade de Metalurgia da UFF Mestre e Doutor em Materiais
**** Engenheiro do Insituto Militar de Engenharia