Biomateriały metalowe wykorzystywane w protetyce i chirurgii szczękowej

19 września 2017, Adam Dederko

Aktualnie powszechnie stosowaną grupą biomateriałów wykorzystywanych w protetyce i chirurgii szczękowej są materiały metalowe. W protetyce stomatologicznej lekarze używają metali szlachetnych, nieszlachetnych, jak też ich stopów. Metale szlachetne, na przykład złoto czy platyna aplikowane przez cały szereg lat, niemniej jednak przez wzgląd na wielki koszt, ich użytek pozostał w znacznym stopniu zmniejszony. W ich miejsce w praktyce stomatologicznej zaczęto wykorzystywać stopy bazujące na kobalcie, niklu czy tytanie. Podstawowe parametry, które muszą być analizowane w kontekście wykorzystania materiałów w medycynie do kontaktu z żywą tkanką to właściwości fizyko – chemiczne, czyli gęstość, przewodnictwo cieplne, rozszerzalność cieplna, podatność magnetyczna, reaktywność chemiczna, prędkość utleniania, podatność na korozję elektromechaniczną; właściwości mechaniczne, czyli moduł Younga, odporność materiału na rozciąganie ( skręcanie, zginanie), granica plastyczności, twardości; właściwości technologiczne, czyli temperatura topnienia, lejność, podatność do obróbki plastycznej, mechanicznej, cieplnej, spawalność; właściwości biochemiczne, czyli reakcje wzajemne tkanka żywa – biomateriał. Gęstość metali czystych, tak jak ich stopów jest większa niż gęstość materiałów niemetalicznych jak również naturalnej tkanki kostnej. Tak więc, szkielet metalowy protezy decyduje o jej masie. Natomiast cechą stopów metali nieszlachetnych jest stosunkowo niewielki współczynnik przewodzenia ciepła, którego format nie przewyższa 10 – 30% przewodnictwa cieplnego czystego niklu czy kobaltu i jest o rząd wielkości mniejszy aniżeli metali szlachetnych. Niskie przewodnictwo cieplne wywołane jest oddziaływaniem dodatków stopowych, które prowadzą do umocnienia roztworu, zarazem obniżając przewodnictwo cieplne. Jeśli chodzi o stomatologią to parametr dodatni, ponieważ metalowe elementy protez nie nagrzewają się szybko podczas kontaktu, na przykład z gorącym posiłkiem. Dokonując porównania przewodnictwa cieplnego materiałów metalicznych z innymi okazuje się, że jest ono przynajmniej dwa rzędy wielkości wyższe od tkanek naturalnych oraz stomatologicznych materiałów ceramicznych oraz polimerowych.

Niewątpliwie korzystniejsze właściwości adaptacyjne do innych biomateriałów ujawniają materiały metaliczne pod względem rozszerzalności cieplnej. Parametr ten jest niebywale ważny podczas rekonstrukcji metalowo-ceramicznych. Biomateriały winny odznaczać się właściwościami diamagnetycznymi bądź co najwyżej paramagnetycznymi. Natomiast produkty metaliczne wykorzystywane w stomatologii nie obligują do weryfikacji podatności magnetycznej, jednakże w związku ze składem chemicznym prawdopodobne jest pojawianie się słabych właściwości ferromagnetycznych w stopach kobaltu oraz niklu. Takie cechy zauważyć można w stopach kobaltu aplikowanych, na przykład w ortopedii. Reaktywność chemiczna oraz elektrochemiczna materiałów metalicznych oddziałuje z jednej strony negatywnie na materiał przez wykształcanie się produktów korozji, jak też na organizm powodując niebezpieczeństwo metalozy, zaś z drugiej strony skłonność do utleniania wykorzystywana jest jako pozytywna do ochrony przez pasywację bądź też do tworzenia warstwy pośredniej korygującym zespolenie metalu z materiałem licującym. Trudności z korozją biomateriałów metalowych podczas kontaktów ze środowiskiem żywego organizmu, pozostają szeroko badane jak i opisywane w literaturze od dłuższego czasu. Tymczasem istota mechaniczna stopów metali użytkowanych w stomatologii odróżnia się zasadniczo od właściwości tkanki zębowej, a także od materiałów niemetalowych i to w konsekwencji tego otrzymuje się odporność mechaniczną rekonstrukcji.

O udanej aplikacji zaopatrzenia protetycznego, w szczególności trwającego przez długi czas, w znacznym stopniu stanowi biozgodność użytych materiałów. Biozgodność jest wielkością reakcji organizmu na funkcjonowanie ciała obcego. Akceptowane jest wykorzystanie materiałów bioobojętnych oraz bioaktywnych, zależnie od wpływu jak też miejsca w organizmie. Natomiast metaliczne materiały stomatologiczne kwalifikowane do bioobojętnych, choć powszechnie omawiane są kwestie ich toksyczności, a także alergii na niektóre związki tworzące się podczas przebiegu korozji metali w warunkach organizmu ludzkiego. I tak, ze względu na niemałe oczekiwania w ramach składu oraz właściwości, stopy metali zaaprobowane do sprzedaży w charakterze biomateriałów dla stomatologii mają obowiązek być opatrzone następującymi danymi, na przykład przeznaczenie stopu; skład chemiczny, z podaniem składników o zawartości wyższej niż 2 %; gęstość w g cm -3; granica plastyczności Re02 w MPa; moduł sprężystości E w Gpa; wydłużenie względne w %; twardość HV; temperatura likwidus i solidus w stopniach Celsjusza; instrukcja stosowania; informacja o zawartości niklu. Zbiór tych wiadomości pomaga lekarzowi w wyborze materiału do wykorzystania w praktyce, a także powiadamia o potencjalnych zagrożeniach, na przykład o obecności niklu.

Protezy zębów Wrocław

Utrudnienia w trakcie stosowania biomateriałów metalicznych

Aktualnie bezbłędność w odtwarzaniu narządu stomatologicznego w gabinetach dentystycznych jest odpowiednia do aktualnych możliwości technicznych jak też poznawczych. Całkowite podobieństwo struktury substratu oraz funkcji jest jednak jeszcze odległe od doskonałego rozwiązania. Nie ma przeszkód aby uprzystępnić strukturę chemiczną bądź fazową, niemniej jednak nie ma możliwości reaktywować materii nieożywionej, którą jest implant czy też proteza i odtworzyć ich funkcje życiowe ze wszystkimi konsekwencjami. Natomiast uzupełniającą okolicznością, która powinna zostać wzięta pod uwagę przy próbach odtworzenia stomatologicznego powinno być odczucie uwidaczniające się w określonych i trwałych doznaniach estetycznych oraz funkcjonalnych. Odtworzony zespół tkankowy ulega starzeniu się jak również zużyciu, co w rezultacie przyczynia się do wtórnej dysfunkcji a także upośledzeń. Implikacje obarczają w podobny sposób materię ożywioną, a także świadomość pacjenta. Procedura rekonstrukcji jest w związku z tym zaledwie próbą odbudowy rzeczywistych struktur oraz procesów. Nie bacząc jednak na komplikacje i niepowodzenia, potrzeby ogółu wywierają presję na przebieg rekonstrukcji narządu stomatologicznego. I tak, zostały przygotowane, a także klinicznie sprawdzone metody implantacji i protetyki stomatologicznej, poza tym wyselekcjonowane odpowiednie tworzywa metaliczne i kompozytowe, które w miarę dobrze odtwarzają stracone zespoły tkankowe. Implanty stomatologiczne w trakcie eksploatowania ich ulegają destrukcji. Przede wszystkim ma to związek ze wzrostem korozji. Badanie uszkodzeń najczęściej wyodrębnia korozję wżerową, szczelinową, naprężeniową oraz zmęczeniową. Tymczasem rodzaj i postęp korozji ma związek ze składem chemicznym stopu, z właściwościami geometrycznymi implantu, techniką operacyjną oraz rekonstrukcyjną, która często rozstrzyga o stanie naprężeń i deformacji w implancie.

W większości przypadków jako materiał do wyrobu stomatologicznych biomateriałów krótkotrwałych wykorzystuje się stale CrNiMo. Są to związki niezbyt drogie i co ważniejsze niezbyt odporne na korozję. Praktyka kliniczna udowodniła, że przynajmniej 90% z tych stali po usunięciu z ciała ujawnia ubytki korozyjne. Stale te mają tendencje do korozji szczelinowej oraz punktowej w kwaśnych środowiskach uaktywniających, mających w swoim składzie chlorki, w szczególności w roztworach fizjologicznych. Stale te objawiają oprócz tego mniejsze predyspozycje do repasywacji aniżeli stopy, które zawierają w swoim składzie kobalt i tytan. Poza tym mają one tendencje do korozji naprężeniowej jak też zmęczeniowej. Jednak wytrzymałość tej grupy stali na erodowanie korozyjne jest podporządkowana ich składowi chemicznemu, w szczególności stężeniu Cr i Mo, a także zależy od typu obciążenia, a zwłaszcza struktury i grubości warstwy pasywnej. To właśnie warstwa pasywna utworzona podczas ostatniej fazy produkcji implantów przesądza nierzadko o niejednakowych charakterystykach potencjo statycznych. Natomiast stopy wytworzone na podstawie kobaltu w nawiązaniu do stali CrNiMo odznaczają się bardziej natężoną niewrażliwością na korozję wżerową oraz szczelinową, jak też dysponują większą zdolnością do repasywacji. Predyspozycja stopów kobaltowych do korozji szczelinowej jest 10 – cio krotnie mniejsza aniżeli stali CrNiMo. Stopy te w dodatku wykazują się odpowiednią wytrzymałością na korozję punktową oraz szczelinową w mieszaninach mających w swoim składzie chlorki fizjologiczne. Stopy odlewnicze tymczasem ujawniają małą odporność na korozję punktową i szczelinową w kompozycjach chlorków niż stopy przetwarzane plastycznie. Stopy przerabiane plastycznie zaś uwidaczniają zupełną oporność na korozję szczelinową.

Stopy oparte na tytanie wyróżnia duża wytrzymałość na korozję w środowisku tkanek i płynów ustrojowych. Wyjątkowa sprawność w generowaniu wytrzymałej powłoki pasywnej, wysokie potencjały aktywacji oraz przebicie zapewniają im nie najgorszą oporność na korozję wżerową jak i szczelinową, ale również naprężeniową i zmęczeniową. Materiały metaliczne wykorzystywane do produkcji artykułów stomatologicznych poddawane są cyklicznie ocenie klinicznej a także analizie użytkowej. W trakcie przygotowywania składu chemicznego oraz fazowego stopów za fundament uznawana jest ich biotolerancja. Natomiast obserwacje nad biotolerancją przeprowadza się w laboratorium, gdzie stymulowane jest środowisko tkanek oraz płynów ustrojowych, a następnie w tkanki zwierząt doświadczalnych, zaś w końcowej fazie przeprowadzane są obserwacje kliniczne. Na dokonujące się reakcje organizmów na implanty duży wpływ mają uwarunkowania biochemiczne, biomechaniczne oraz bioelektroniczne, które niełatwo jest oddzielić od siebie. Na podstawie najnowszych poglądów biologicznych reakcje na implant metaliczny rozważane są w odpowiedzi na procesy metaboliczne, bakteriologiczne, immunologiczne jak też onkogenne. Zgodnie z nimi przeprowadzane są poprawki składu chemicznego i fazowego zarówno jakościowego, jak i ilościowego. Jednakże kłopotliwą okolicznością, która pojawia się podczas aplikacji wszczepów metalicznych jest możliwość wystąpienia komplikacji, zarówno wczesnych jak i późnych infekcji pooperacyjnych. Okoliczność tę powinno się łączyć nie tylko z aseptyką i antyseptyką, lecz również z niekorzystnym wydzielaniem się w reakcjach wodoru i pochłanianiem tlenu z tkanek okolicy wszczepu, a znajdujących swoje przyczyny w procesach bioelektronicznych. Miejscowe pomniejszenie pH oraz stężenia tlenu narusza okalające tkanki oraz osłabia odporność na bakterie.

Plany związane z wykorzystaniem biomateriałów metalicznych

Istniejące doświadczenia z implantowaniem tworzyw metalicznych do organizmu ludzkiego świadczą o tym, że nabyty pułap biotolerancji, uzyskany dzięki precyzowaniu składu chemicznego, jak też aktualizowanie struktury oraz generowanie warstw pasywnych na ich powierzchni w oparciu o pierwiastki stopowe nie zapewnia satysfakcjonujących wyników, a także bezpieczeństwa. Tylko zespół parametrów mechanicznych biomateriałów metalicznych w dużym stopniu gwarantuje realia będące następstwem biomechaniki zespalania odłamów oraz odbudowy narządu stomatologicznego. Obecnie biomechaniczne trudności z osteosyntezą analizowane są przez pryzmat bioelektrycznych cech tkanki kostnej oprócz tego wykorzystania efektów ektromektów elektrokinetycznych, którym nadaje się istotne znaczenie w trakcie zrostu kostnego jak też podczas odtwarzania poprawnej struktury kostnej i stref kontaktowych. Różne powinny być oprócz tego parametry fizyczne oraz chemiczne powierzchni implantów współdziałających ze środowiskiem piezoelektryków, jak również półprzewodników organicznych. Aby było to możliwe, w wielu czołowych ośrodkach interdyscyplinarnych wykonywane są badania nad podnoszeniem poziomu implantów, które skupiają się na zagadnieniach bioceramiki obojętnej na bazie Al2O3 bądź kompozycji CaO-Al2O3, Al2O3-ZrO2, którymi pokrywa się płaszczyznę wyrobów; ceramiki o kontrolowanej resorpcji w tkankach – bioszkła mające w swoim składzie SiO2-Na2-O-CaO-P2O5-MgO-CaF2 albo kompozycji ceramiki obojętnej z bioszkłami, nanoszonymi na powierzchnię wyrobów; warstw z nanokrystalicznego węgla formujących się na implantach; powłok resorbujących się w tkankach w oparciu o hydroksyapatyt o formule krystalicznej bądź amorficznej.

Powłoki te charakteryzują się doskonałą biotolerancją, natomiast powłoki ceramiczne oraz szkliste oprócz tego jeszcze wytrzymałością na zużycie cierne. Prace nad bimetalicznymi tworzywami gromadzą się nad stopami obejmującymi pierwiastki o największej tolerancji. Powinno się tu wyróżnić stopy Ti-6A1-(4-9Nb), Ti-6A1-(3-6)Nb-(1-6)Ta uzyskanych w wyniku modyfikacji stopu Ti-6A1-4V2. Nieodzowne jest również rozwiązywanie biomechaniki stref kontaktowych na linii granicznej implantat – tkanka – płyn fizjologiczny. W obszarach tych bowiem polaryzują się mechanizmy chemiczne oraz bioelektryczne. Ich zakończenie zaś winno nieść za sobą skompilowanie odpowiedniego modelu biofizycznego implantat – tkanka, które wyróżniałoby się znikomymi zagrożeniami w trakcie ich eksploatacji. Tymczasem poziom elektrostazy na tle rozwinięcia powierzchni implantu może kształtować odczynowość oraz elektrofizjologię zrostu. Wobec tego, morfologia powierzchni implantu, powinna być sprzężona z czynnościami sprawdzającymi przygotowanego modelu. Odporność złącza implantat tkanka ma niebywały wpływ na jakość, niezawodność, poza tym na żywotność połączenia. Trudności te, nie do końca jeszcze rozwiązane, wyznaczają kierunki prowadzonych badań interdyscyplinarnych w implantologii. Od ich wyniku uzależniona jest końcowa ocena użyteczności tworzyw metalicznych do implantowania oraz bezbłędność przywróconych funkcji odbudowywanego narządu, czyli wygoda fizyczna i psychiczna eksploatatora.

Protezy zębów Wrocław

Sposoby wytwarzania warstw ochronnych

Aktualnie jest dostępna cała gama technik nanoszenia powłok ochronnych. Teraz używa się metod konwencjonalnych, na przykład elektrochemicznych, czy też stosując metalurgię proszków poza tym wywołujące coraz większe zainteresowanie , metody niekonwencjonalne. No metod niekonwencjonalnych zaliczyć można takie, które eksploatują fazę gazową składników, składających się na daną powłokę oraz takie, gdzie wszelkie procesy określające tworzenie się powłoki, dochodzą do skutku w fazie płynnej. W pierwszej kategorii uwzględnić można metody PVD ( Physical Vapour Deposition ), a więc fizyczne metody osadzania fazy gazowej; metody CVD ( Chemical Vapour Deposition ), to znaczy osadzanie warstwy z fazy gazowej z uwzględnieniem reakcji chemicznych jak też metody natrysku plazmowego ( Plasma Spraying), albo PIII ( Plasma Immersion Ion Implatation ) oraz PSII (Plasma Source Ion Implatation). Natomiast drugą grupę tworzą metody, w których powłoki uzyskuje się z zawiesiny metodą zol-żel. Tymczasem rozpowszechniona pod koniec XX wieku metoda elektrolitycznego pokrycia metalowych fragmentów protez metalami szlachetnymi ( złocenie twarde) nie zdobyła uznania. Niewielka odporność mechaniczna powłok galwanicznych, nie najlepsza przyczepność do podłoża, jak również niedobór ich szczelności prowadziły do korozji elektrochemicznej, a nawet do pogorszenia się tolerancji biologicznej protez. Zaś w razie wykorzystania technologii CVD umieszczone na powierzchni produkty, tworzą się w następstwie chemicznych reakcji prawidłowo dobranych oraz ogrzanych do odpowiedniej temperatury, gazowych substancji w komorze próżniowej. Tymczasem w trakcie natrysku plazmowego, energia termiczna jest używana do wygenerowania tak zwanego „aerozolu”, zawierającego w swoim składzie drobinki materiału powłoki. Natryskiwane cząstki z ogromną szybkością zatapiają się w pokrywającą warstwę, która istnieje w stanie płynnym, półpłynnym bądź plastycznym. Czepliwość jest w tym przypadku efektem zderzeń osadzanych cząsteczek powłoki z podłożem. Tymczasem metoda PVD opiera się na procesie osadzania atomów danych pierwiastków ze źródła, które rozbudzone wydzielają charakterystyczny gaz atomowy. Jest on przenoszony przez środowisko próżni, gazów pod niewielkim ciśnieniem bądź plazmy do miejsca końcowego, gdzie dochodzi skroplenia atomów, czyli ich osadzenia. W metodzie PDV zaś, jako siłę transportu gazu substratów stosuje się technikę polerowania ( z wykorzystaniem łuku elektrycznego) albo technikę natryskową. Niemniej jednak, w obecnym czasie najszerzej wykorzystywane są metody osadzania warstw z fazy gazowej. Jeśli natomiast chodzi o stopy stosowane w protetyce stomatologicznej, to przeznaczenie znajduje w szczególności metoda PVD, ponieważ w przypadku metody CVD, to jej procedury technologiczne potrzebują temperatur bez mała 900 stopni Celsjusza i wyższych, a wpływ tej temperatury na stopy dentystyczne jest nazbyt duża i zaburza ich parametry mechaniczne. Metody PVD znalazły ponadto zastosowanie do pokrywania płaszczyzny narzędzi skrawających, narzędzi do obróbki plastycznej na zimno, ewentualnie do precyzyjnych podzespołów maszyn, intensyfikując w ten sposób ich wytrzymałość oraz niepodatność na korozję. Coraz bardziej popularne jest również wykorzystanie ich do powlekaniania powierzchni narzędzi, jak też urządzeń medycznych, a ponadto implantów śródkostnych tudzież konstrukcji protetycznych.

Z kolei metody PIII zaliczyć można do nowych, które pozwalają na osiągnięcie w niedługim czasie szczelnych pozbawionych porów powłok, o bardzo dobrych parametrach przylegania do pokrywanych powierzchni. Zaś metoda zol-żel robi użytek z mechanizmów występujących w fazie płynnej. Stosując fazę „zol” możliwe jest za pomocą odpowiednich procesów fizyko-chemicznych, wygenerowanie rozmaitych form materiałów ceramicznych bądź szkła, na przykład cienkiej warstwy pośredniej czy też ochronnej, włókna ceramicznego, monolityczną ceramikę albo szkło, bardzo drobnoziarniste proszki o sferycznych ziarnach, mikroporowate membrany. Tworzenie cienkich warstw ochronnych ewentualnie pośrednich, możliwe jest dzięki nanoszeniu zolu na konkretną płaszczyznę, przy użyciu metody zanurzeniowej, rotacyjnej bądź natryskowej. Natomiast do jednej z najbardziej postępowych technik wytwarzania warstw ochronnych zaliczyć można sposób aerozol-żel, gdzie implementuje się aerozol otrzymany przez sproszkowanie zolu przy użyciu ultradźwięków. Jednakże metoda ta posiada też wady, do których należą w pierwszym rzędzie skurcz powłok podczas procesu ich formowania ( suszenie, wypalanie), porowatość, przedłużający się czas wytwarzania, niechciane odpady ( grupy hydroksylowe),a także spore wydatki na substraty.