Modificação de superfícies: mergulhando fundo na osseointegração

A indústria aprimora a superfície dos implantes em busca de uma osseointegração mais rápida e fixações mais robustas em situações clínicas desfavoráveis.

Como sabemos, o sucesso de um trabalho de reabilitação oral está ligado a inúmeros fatores. No entanto, quando falamos em ancoragem de próteses sobre implantes, estamos tratando necessariamente de osseointegração. E, como se sabe, esse fenômeno bioquímico é determinado pelo nível de contato direto entre o implante e o tecido ósseo do paciente onde a peça de titânio está instalada. Nesse contexto, a superfície do implante desempenha um papel crítico na promoção da osseointegração e isso explica por que a indústria tem investido tanta energia no desenvolvimento de tecnologias para esse fim. É por isso que, ao escolher um sistema de implante, o profissional deverá se informar sobre os tratamentos embutidos em cada modelo e o que os pesquisadores já disseram a esse respeito.

Na maior parte dos casos, as propriedades do titânio comercialmente puro já são suficientes para garantir algum tipo de adesão ao osso, como foi possível constatar nos experimentos do Prof. P-I Brånemark que resultaram na descoberta da osseointegração. Nos anos 1980, inclusive, os modelos possuíam sua superfície aparentemente lisa, passando apenas pela usinagem simples em sua produção. Hoje sabemos que mesmo esses modelos já possuíam microrranhuras superficiais de 0,53 μm a 0,96 μm que contribuem significativamente no processo de adesão celular e produção de matriz proteica.

As empresas passaram a procurar formas de oferecer uma fixação mais robusta em situações clínicas desfavoráveis, como pacientes com problemas sistêmicos e menor densidade ou disponibilidade óssea. Outra preocupação era buscar formas de acelerar a osseointegração. Assim, os pesquisadores começaram a experimentar diferentes técnicas para modificar a topografia da superfície do implante, de maneira que as células de tecido ósseo, que vão se formar após a instalação do implante, possam colonizar os orifícios escavados no titânio e, posteriormente, se solidifiquem. Além da busca pela rugosidade ideal na superfície do implante – em escala macro, micro ou nanométrica –, outras propriedades da superfície podem favorecer a velocidade de osseointegração, tais como: molhabilidade, carga de superfície e composição química.

Embora existam indicadores objetivos para avaliar a osseointegração alcançada em determinadas situações, como os índices BIC (bone-implant-contact), Bafo (bone area fraction occupied) e, eventualmente, ISQ (implant stability quotient), não cabe aqui uma análise isolada da eficiência das superfícies adotadas em cada modelo, mesmo porque a eficiência de um implante é o resultado de um conjunto de variáveis combinadas e não apenas de sua superfície. Assim, para contribuir na discussão sobre as superfícies e seu papel na osseointegração, apresentamos um panorama das técnicas mais usadas pela indústria atualmente.

As mais procuradas

Em relação à topografia da superfície, existem inúmeros processos adotados pela indústria que serão incorporados em seus diferentes modelos. A texturização da superfície do implante pode ser feita, por exemplo, pelo jateamento de partículas, como silício, óxido de alumínio e óxido de titânio, buscando o desgaste da camada superficial do corpo do implante, formando uma rugosidade que pode variar entre 1,20 μm e 2,20 μm, dependendo do tamanho das partículas, do tempo e da pressão do disparador. Não deve haver adesão de partículas ao implante, essas servem apenas para criar irregularidades.

O ataque ácido, por sua vez, também é um conhecido método de texturização dos implantes, proporcionando uma rugosidade média que vai variar conforme a concentração de ácido, o tempo e a temperatura do processamento. O ácido sulfúrico e o ácido hidroclorídrico são os mais utilizados, sendo possível também a realização do duplo ataque, sequenciando a aplicação das duas substâncias. Além disso, existem marcas comerciais que combinam as técnicas de jateamento de partículas e ataque ácido no mesmo implante para obter uma topografia com rugosidades mistas em diferentes escalas.

Uma estratégia diferente para obter alterações topográficas é o processo de adição, como nos casos de aplicação de uma camada de spray de plasma com partículas de titânio sobre o corpo do implante. Também existem modelos que utilizam o spray de plasma com partículas de hidroxiapatita, com a vantagem de poder desfrutar de suas propriedades bioquímicas de estímulo na formação óssea.

Abrindo fronteiras

A modificação por feixe de laser também é uma opção para estabelecer a rugosidade da superfície por meio de seu desgaste. É um tratamento considerado limpo por não interagir com nenhum material externo durante o processamento industrial, com a possibilidade de criar ranhuras orientadas e regulares em pontos definidos da superfície. O tamanho das rugosidades também pode ser controlado.

Além de todas as técnicas citadas anteriormente de modificação da superfície no momento de sua fabricação, outro procedimento que vem sendo adotado para potencializar e acelerar a osseointegração em casos adversos é a mudança no armazenamento do implante. Ao final do processo de esterilização, ao invés de manter o implante na embalagem tradicional – hermeticamente fechada para protegê-lo de impurezas –, alguns fabricantes mantêm o implante imerso em uma solução líquida de cloreto de sódio com o objetivo de facilitar a adsorção de proteínas.

Além de todas essas técnicas que promovem alterações macrométricas e micrométricas na superfície, também existem outras iniciativas que podem promover a formação de poros de escala nanométrica. A superfície nanotexturizada pode ser obtida através do processo eletroquímico de anodização, que consiste no aumento controlado da camada de óxido de titânio ao redor do implante. Com o aumento dessa camada de óxido de titânio, a expectativa é que esse tipo de topografia favoreça a retenção de líquidos. Uma vez que o processo eletroquímico é realizado corretamente, acredita-se que a camada extra de óxido de titânio formada ao redor do implante permaneça com uma forte aderência e resistência mecânica, o que indica risco reduzido de liberação de partículas durante a inserção do implante.

Ainda tratando de mudanças em escala nanométrica, os fabricantes já oferecem comercialmente implantes desenvolvidos a partir das chamadas superfícies biomiméticas. Elas agregam moléculas de substâncias preparadas para desempenhar funções específicas ao entrar em contato com o tecido humano. Podemos citar como exemplo a adição de cálcio, magnésio e flúor, para que atuem como catalisadores ou coadjuvantes de algum processo químico desejado.

Nos estudos mais contemporâneos, o uso de biomateriais para fornecer liberação prolongada de agentes bioativos (por exemplo, drogas de pequenas moléculas e proteínas terapêuticas) da superfície do implante é uma modalidade promissora para alcançar resultados melhores. Como exemplo, podemos citar a modificação da superfície assistida por polidopamina (PDA), que ganhou atenção nos últimos anos por suas propriedades antimicrobianas e bioadesivas, podendo ser empregada como um modificador de superfície para melhorar as propriedades interfaciais dos implantes.

Sugestões de leitura

1. Al-Nawas B, Groetz KA, Goetz H, Duschner H, Wagner W. Comparative histomorphometry and resonance frequency analysis of implants with moderately rough surfaces in a loaded animal model. Clin Oral Implants Res 2008;19(1):1-8.
2. Berardi D, De Benedittis S, Scoccia A, Perfetti G, Conti P. New lasertreated implant surfaces: a histologic and histomorphometric pilot study in rabbits. Clin Invest Med 2011;34(4):E202.
3. Buser D, Schenk RK, Steinemann S, Fiorellini JP, Fox CH, Stich H. Influence of surface characteristics on bone integration of titanium implants. A histomorphometric study in miniature pigs. J Biomed Mater Res 1991;25(7):889-902.
4. Carr AB, Gerard DA, Larsen PE. Histomorphometric analysis of implant anchorage for 3 types of dental implants following 6 months of healing in baboon jaws. Int J Oral Maxillofac Implants 2000;15(6):785-91.
5. Coelho PG, Takayama T, Yoo D, Jimbo R, Karunagaran S, Tovar N et al. Nanometer-scale features on micrometer-scale surface texturing: a bone histological, gene expression, and nanomechanical study. Bone 2014;65:25-32 (DOI:10.1016/j.bone.2014.05.004).
6. Colombo JS, Satoshi S, Okazaki J, Crean SJ, Sloan AJ, Waddington RJ. In vivo monitoring of the bone healing process around different titanium alloy implant surfaces placed into fresh extraction sockets. J Dent 2012;40(4):338-46.
7. Cordioli G, Majzoub Z, Piattelli A, Scarano A. Removal torque and histomorphometric investigation of 4 different titanium surfaces: an experimental study in the rabbit tibia. Int J Oral Maxillofac Implants 2000;15(5):668-74.
8. De Maeztu MA, Braceras I, Alava JI, Gay-Escoda C. Improvement of osseointegration of titanium dental implant surfaces modified with CO ions: a comparative histomorphometric study in beagle dogs. Int J Oral Maxillofac Surg 2008;37(5):441-7.
9. Gaggl A, Schultes G, Müller WD, Kärcher H. Scanning electron microscopical analysis of laser-treated titanium implant surfaces – a comparative study. Biomaterials 2000;21(10):1067-73.
10. Galli S, Jimbo R, Andersson M, Bryington M, Albrektsson T. Surface characterization and clinical review of two commercially available implants. Implant Dent 2013;22(5):507-18.
11. Gil J, Manero JM, Ruperez E, Velasco-Ortega E, Jiménez-Guerra A, Ortiz-García I et al. Mineralization of titanium surfaces: biomimetic implants. Materials (Basel) 2021;14(11):2879.
12. Gotfredsen K, Karlsson U. A prospective 5-year study of fixed partial prostheses supported by implants with machined and TiO2-blasted surface. J Prosthodont 2001;10(1):2-7.
13. Gulati K, Zhang Y, Di P, Liu Y, Ivanovski S. Research to clinics: clinical translation considerations for anodized nano-engineered titanium implants. ACS Biomater Sci Eng 2021 (DOI:10.1021/ acsbiomaterials.1c00529).
14. Hall J, Lausmaa J. Properties of a new porous oxide surface on titanium implants. Applied Osseointegration Res 2000;1:5-8.
15. Hao CP, Cao NJ, Zhu YH, Wang W. The osseointegration and stability of dental implants with different surface treatments in animal models: a network meta-analysis. Sci Rep 2021;11(1):13849.
16. Hasani-Sadrabadi MM, Pouraghaei S, Zahedi E, Sarrion P, Ishijima M, Dashtimoghadam E et al. Antibacterial and osteoinductive implant surface using layer-by-layer assembly. J Dent Res 2021:220345211029185 (DOI:10.1177/00220345211029185).
17. He FM, Yang GL, Zhao SF, Cheng ZP. Mechanical and histomorphometric evaluations of rough titanium implants treated with hydrofluoric acid/nitric acid solution in rabbit tibia. Int J Oral Maxillofac Implants 2011;26(1):115-22.
18. Hollander DA, von Walter M, Wirtz T, Sellei R, Schmidt-Rohlfing B, Paar O et al. Structural, mechanical and in vitro characterization of individually structured Ti–6Al–4V produced by direct laser forming. Biomaterials 2006;27(7):955-63.
19. Hsu S-H, Liu B-S, Lin W-H, Chiang H-C, Huang S-C, Cheng SS. Characterization and biocompatibility of a titanium dental implant with a laser irradiated and dual-acid etched surface. Biomed Mater Eng 2007;17(1):53-68.
20. Huang X, Ge Y, Yang B, Han Q, Zhou W, Liang J et al. Novel dental implant modifications with two-staged double benefits for preventing infection and promoting osseointegration in vivo and in vitro. Bioact Mater 2021;6(12):4568-79.
21. Ivanoff CJ, Hallgren C, Widmark G, Sennerby L, Wennerberg A. Histologic evaluation of the bone integration of TiO(2) blasted and turned titanium microimplants in humans. Clin Oral Implants Res 2001;12(2):128-34.
22. Jensen OT, Shulman LB, Block MS, Iacono VJ. Report of the Sinus Consensus Conference of 1996. Int J Oral Maxillofac Implants 1998;13(suppl.):11-45.
23. Klein MO, Bijelic A, Ziebart T, Koch F, Kämmerer PW, Wieland M et al. Submicron scale-structured hydrophilic titanium surfaces promote early osteogenic gene response for cell adhesion and cell differentiation. Clin Implant Dent Relat Res 2013;15(2):166-75.
24. Klokkevold PR, Nishimura RD, Adachi M, Caputo A. Osseointegration enhanced by chemical etching of the titanium surface. Clin Oral Implants Res 1997;8(6):442-7.
25. Liu Y, Layrolle P, de Bruijn J, van Blitterswijk C, de Groot K. Biomimetic coprecipitation of calcium phosphate and bovine serum albumin on titanium alloy. J Biomed Mater Res 2001;57(3):327-35.
26. London RM, Roberts FA, Baker DA, Rohrer MD, O’Neal RB. Histological comparison of a thermal dual-etched implant surface to machined, TPS, and HA surfaces: bone contact in vivo in rabbits. Int J Oral Maxillofac Implants 2002;17(3):369-76.
27. Meirelles L. The effect of chemical and nanotopographical on the early stages of osseointegration. Int J Oral Maxillofac Implants 2008;23(4):641-7.
28. Naves MM, Menezes HH, Magalhães D, Ferreira JA, Ribeiro SF, de Mello JD et al. Effect of macrogeometry on the surface topography of dental implants. Int J Oral Maxillofac Implants 2015;30(4):789-99.
29. Pilliar RM. Overview of surface variability of metallic endosseous dental implants: textured and porous surface-structured designs. Implant Dent 1998;7(4):305-14.
30. Rupp F, Gittens RA, Scheideler L, Marmur A, Boyan BD, Schwartz Z et al. A review on the wettability of dental implant surfaces I: theoretical and experimental aspects. Acta Biomater 2014;10(7):2894-906.
31. Salou L, Hoornaert A, Louarn G, Layrolle P. Enhanced osseointegration of titanium implants with nanostructured surfaces: an experimental study in rabbits. Acta Biomater 2015;11:494-502 (DOI: 10.1016/j. actbio.2014.10.017).
32. Sammons RL, Lumbikanonda N, Gross M, Cantzler P. Comparison of osteoblast spreading on microstructured dental implant surfaces and cell behavior in an explant model of osseointegration. A scanning electron microscopic study. Clin Oral Implants Res 2005;16(6):657-66.
33. Strnad Z, Strnad J, Povýsil C, Urban K. Effect of plasma-sprayed hydroxyapatite coating on the osteoconductivity of commercially pure titanium implants. Int J Oral Maxillofac Implants 2000;15(4):483-90.
34. Sykaras N, Iacopino AM, Marker VA, Triplett RG, Woody RD. Implant materials, design and surface topographies: their effect on osseointegration. A literature review. Int J Oral Maxillofac Implants 2000;15(5):675-90.
35. Thakral G, Thakral R, Sharma N, Seth J, Vashisht P. Nanosurface – the future of implants. J Clin Diagn Res 2014;8(5):ZE07-10.
36. Traini T, Mangano C, Sammons RL, Mangano F Macchi A, Piattelli A. Direct laser metal sintering as a new approach to fabrication of an isoelastic functionally graded material for manufacture of porous titanium dental implants. Dent Mater 2008;24(11):1525-33.