В процессе функционирования внутрикостные и чрескостные дентальные имплантаты подвергаются сложному интенсивному воздействию со стороны биологических тканей. Чтобы имплантат при этом выполнял заданные функции, его материал должен обладать определенными свойствами: биологическими, физико-химическими, механическими.
Биологические свойства имплантационного материала оцениваются по следующим параметрам: биосовместимость, токсичность, коррозионную стойкость, канцерогенность.
Для изготовления имплантатов в настоящее время применяются биоинертные, биотолерантные и биоактивные материалы.
К биоинертным материалам относятся титан, тантал, цирконий, алюмооксидная керамика и сапфир. Их поверхность представляет собой по химическому составу керамику, основу которой составляют оксиды. Последние обеспечивают физико-химическую связь с костным матриксом, обладают выраженными остеокондуктивными свойствами, но не включается в метаболические процессы окружающих тканей.
Биотолерантные материалы обеспечивают адсорбцию белков на свою поверхность, но не обладают остеокондуктивными свойствами. К ним относятся нержавеющая сталь, кобальто-хромовые сплавы и полиэтилен. Применение этих материалов резко ограничено из-за цитотоксичности некоторых химических элементов входящих в их состав и возможности канцерогенного воздействия на биологический субстрат.
Биоактивные материалы включаются в метаболизм костного матрикса и могут полностью или частично замещается костной тканью в процессе её регенерации. К ним относятся гидроксиапатитная керамика, трикальций- фосфаты и стеклокерамика.
Целью нашего исследования стало изучение свойств некоторых сплавов титана и циркония применяемых для изготовления дентальных имплантатов. В основу исследования взято общепринятое положение о недопустимости содержания токсичных элементов в имплантационных материалах.
В современной стоматологической практике одним из наиболее распространенных материалов, применяемых для изготовления стоматологических имплантатов, является титан и его сплавы на основе ВТ1-00 и ВТ1-0, так называемый технически чистый титан.
Для улучшения прочностных характеристик в титановые сплавы, используемые в имплантологии, включаются такие элементы как ванадий и алюминий. Но эти добавки могут оказывать отрицательное воздействие на окружающие ткани. Ионы ванадия отрицательно влияют на липидный обмен, могут оказывать цитотоксическое воздействие на ткани и вызывать разрушение некоторых ферментов. Ионы алюминия ингибируют синтез АТФ, поэтому повышенное его содержание может существенно снизить метаболическую активность костной ткани и замедлить минерализацию, а также угнетает эритропоэз и поражает ЦНС.
В сплаве Ti-6Al-4V (ВТ-6) зарубежный аналог Grade - 5 (Международный стандарт ISO 5832/3-78 и американский АSТМ 136-84), содержится алюминия до 6,8% и 4,5% - ванадия. В сплаве Ti-6Al-7Nb (Protasul–100) ISO 9001 химический состав, микроструктура и механические свойства занесены в швейцарский стандарт SN056512 в 1987 году, в этом сплаве токсичный ванадий заменен ниобием, но содержание алюминия остаётся прежним. Некоторые фирмы изготовители используют сплав титана Ti-5Al (ВТ-5), зарубежный аналог Grade – 4. Содержание алюминия остается достаточно высоким, а уменьшение количества легирующих элементов, ведет к снижению прочностных характеристик сплава.
Использование сплавов на основе титана вызвало бурное развитие стоматологической имплантологии. Однако это не означало, что поиск материалов для имплантологии завершился. Он продолжен, но уже с позиций понимания остеоинтеграционных процессов, электрохимичечких и термодинамических свойств материалов, стремления исключить из сплавов вредные примеси.
В последние годы, в качестве материала для изготовления дентальных имплантатов стал применяться цирконий. При сравнительной оценке сплавов титана и циркония обращает на себя внимание количество содержания ванадия, алюминия и железа. Как видно из таблицы 1, содержание этих элементов в титановых сплавах определяется десятыми долями процента, а в сплавах циркония КТЦ-100 ванадий и ниобий отсутствует, а примесь алюминия ничтожно мала и определяется тысячными долями процента. То есть содержание всех рассмотренных элементов в циркониевом сплаве на 2 порядка ниже. Исключение составляет не токсичный ниобий, введенный в сплав Э-125, для улучшения прочностных характеристик. Проведенные токсикологические испытания установили инертное поведение этого сплава в тканях организма.
Химический состав различных сплавов, используемых в имплантологии.
Элемент | Титановый сплав Grade 4 | Титановый сплав ВТ -6 ISO 5832/3-78 | Титановый сплав (Protasul -100) ISO 9001 | Циркониевый сплав КТЦ-125 (Э-125) | Циркониевый сплав КТЦ-100 |
---|---|---|---|---|---|
Азот |
0,05 |
0,05 |
0,02 |
0,003 |
0,006 |
Азот |
0,1 |
0,1 |
0,03 |
0,0056 |
0,02 |
Водород |
0,015 |
0,015 |
0,0055 |
- |
- |
Железо |
0,5 |
0,6 |
0,25 |
0,0035 |
0,03 |
Кислород |
0,5 |
0,2 |
0,2 |
0,05 |
0,14 |
Алюминий |
5 |
5,3-6,8 |
6,5 |
0,003 |
0,005 |
Ванадий |
- |
3,5-4,50 |
0,05 |
- |
- |
Титан |
остальное |
остальное |
остальное |
0,003 |
0,007 |
Ниобий |
- |
- |
6,5-7,5 |
2,6 |
- |
Цирконий |
- |
0,3 |
- |
остальное |
остальное |
Другие примеси |
- |
0,3 |
0,1 |
0,031 |
0,01 |
Сравнивая физико-химические свойства титана и циркония, они оба отвечают всем требованиям для изготовления дентальных имплантатов по прочности, ковкости, способности образования защитной оксидной плёнки (табл. 2).
Физические свойства титана и циркрния
Свойства | Титан ВТ 1-00 | Цирконий КТЦ 100 |
---|---|---|
Плотность |
4,510г/см3 |
6,490г/см3 |
t° плавления |
1668 °C |
1850 °C |
прочность |
σв =500МПа |
σв =400МПа |
пластичность |
δ =40% |
δ =30% |
теплоемкость, кДж/кг·°С |
0,527 |
0,276 |
Электроотрицательность |
- 1,63 |
- 1,4 |
Но цирконий и его сплавы, содержащие в десятки раз меньше легирующих элементов, отличаются высокой обрабатываемостью, резаньем, хорошо свариваются, подвергаются всем видам горячей и холодной обработки давлением, а также имеют исключительную коррозионную стойкость во многих агрессивных средах. Коррозионная стойкость в щелочах у циркония выше, чем у титана. Следует отметить склонность циркониевых материалов к «самозалечиванию» поверхностных дефектов и высокую стойкость к образованию трещин. От титановых эти сплавы выгодно отличает отсутствие поглощения водорода и склонности к водородному охрупчиванию при обработке.
Сравнивая электродные потенциалы отрицательное значение у титана (-1,63мВ), а у циркония (-1,4мВ). Считается, что резко выраженный отрицательный потенциал поверхности имплантационного материала негативно влияет на окружающие ткани. Чем выше отрицательное значение стандартного электродного потенциала металла, тем больше его растворимость и реакционная способность .
Термодинамическая функция состояния, которая отражает баланс энтропии и энергии системы, называется свободной энергией Гиббса (G). Свободная энергия Гиббса является мерой устойчивости химического соединения и определяет одно из наиболее важных химических свойств поверхности материалов – способность к адгезии биомолекул. Способность к самопроизвольной адгезии биомолекул на своей поверхности, напрямую зависит от величины энергии Гиббса, которая выше у циркония (табл. 3)
Термодинамическое состояние оксида металлов
Оксид металла | Δ G |
---|---|
Al2O3 |
- 847 |
TiO2 |
-714 |
ZrO2 |
-859 |
Сплавы циркония не содержат токсичных химических элементов, обладают способностью образовывать защитную оксидную пленку с остеокондуктивными свойствами, биоинертностью, прочностью, текучестью, высокой стойкостью к воздействию биологических сред, оксидная плёнка обладает высокой активностью к самопроизвольной адгезии биомолекул на своей поверхности.
Таким образом, циркониевые сплавы являются альтернативой в производстве стоматологических имплантатов, а по отдельным позициям имеют приоритет перед ранее используемыми материалами в данной области.
Осложнения отмечены в двух случаях, что составило 0,86%. Оба случая связаны с нарушением техники операции инсталляции имплантатов. Все пациенты находятся на диспансерном учёте, постоянно проводится анализ отдалённых результатов.
Резюме.
Сплавы циркония не содержат токсичных химических элементов, обладают биоинертностью, прочностью, текучестью, высокой стойкостью к воздействию биологических сред, способностью образовывать защитную оксидную пленку с остеокондуктивными свойствами, которая обладает высокой активностью к самопроизвольной адгезии биомолекул на своей поверхности.
Сплавы циркония являются альтернативой в производстве стоматологических имплантатов, а по отдельным позициям имеют приоритет перед ранее используемыми материалами в данной области.