STUDY OF THE DENTAL ZIRCONIUM IMPLANT SURFACE IN A NANO-SCALE USING AN ATOMIC-FORCE MICROSCOPE

Abstract


The influence of various surface treatments of zirconium implants on the adhesion strength in the connection “individual milled transdental implant - cement - hard tooth tissues” was investigated. As analogs of such implants, we used pins made of zirconium dioxide, individually made for prepared previously extracted teeth, in combination with the most effective Fuji-1 and Multilink-N cements. To assess the quality of the formed "cleanliness" of the surface, the experiments were carried out in two stages. At the first stage, the samples were processed by a sandblasting machine under a pressure of 2 atmospheres by aluminum oxide powder with a grain size of 50, 100 and 250 μm. The treatment was carried out once in one direction, longitudinally to the axis of the implant. At the second stage, the same samples were processed again in the same mode, but in two directions. The processed samples were studied in a probe nanolaboratory (Troitsk, Russia) using an atomic force microscope (AFM). Roughness parameters were measured in nanometers on each sample from three images of a scanning probe microscope (SPM). Analysis of the SPM images revealed that the roughness of the samples is higher when processed with larger grains. The results of the study showed that a single sandblasting by zirconium dioxide is quite enough to improve the adhesive properties of the implants both to the fixing cements and to the patient's bone tissue.

Full Text

ВВЕДЕНИЕ В стоматологии на процесс остеоинтеграции - непосредственный контакт костной ткани с поверхностью имплантата - влияют многие факторы, такие как материал, состав и структура поверхности, первичная стабильность, нагрузки и др. Известно, что для хорошей остеоинтеграции при имплантации, а также для улучшения адгезии сопрягаемых частей реставрации специально создают шероховатую поверхность имплантата [1] с помощью пескоструйной обработки - широко используемой техники обработки поверхности зубных коронок и имплантатов. Так, в работах [9, 10, 16] изучалось влияние различных условий пескоструйной обработки на механические свойства диоксида циркония, прочность на сдвиг между диоксидом циркония и облицовочными керамикой/фарфором, цементом/композитной смолой [15], адгезионные свойства поверхности [14]. В [6, 13] исследовались микро-структурированные поверхности имплантатов из диоксида циркония на предмет остеоинтеграции в головках бедренной кости кролика. В [11] изучалась пескоструйная обработка под углом 75° и 90°. Однако при изучении данного вопроса в специальной литературе нами не была найдена информация о технике пескоструйной обработки, а именно размере частиц песка, параметрах давления воздействия, их числа, направлении потока воздушной струи. Целью проводимых лабораторно-экспериментальных исследований настоящей работы было решение следующих задач: - разработать технику избирательного формирования поверхности усовершенствованных индивидуальных фрезерованных трансдентальных имплантатов (ТДИ) для повышения эффективности их фиксации в зубах с резецированными (ампутированными) корнями; - определить в эксперименте при статических нагрузках на разрыв оптимальную «чистоту» искусственно созданной поверхности индивидуальных ТДИ в соединении «индивидуальный фрезерованный трансдентальный имплантат-цемент-твердые ткани зуба». Материалы, объекты исследований и методы измерения В экспериментах исследовались образцы конструкций фрезерованных трансдентальных имплантатов из диоксида циркония (обладающих хорошей биосовместимостью и снижающих нагрузку на кости [1, 3]), вставленных в канальное отверстие удаленных зубов с резецированной верхушкой корня и фиксированных наилучшими цементами Fuji-1 и Multilink-N, обеспечивающими наибольшую адгезионную прочность соединения. В процессе эксперимента регистрировались растягивающие усилия, относительное перемещение захватов и время. Испытания проводились на экспериментальной установке Instron 5900 (Великобритания). Для изучения и определения влияния искусственной шероховатости поверхности имплантата на адгезионные свойства цементного соединения «ТДИ-цемент-зуб» мы использовали атомно-силовой микроскоп (АСМ). Принцип работы атомно-силового микроскопа, методика и техника измерений подробно изложены в [2, 4, 5, 12]. На первом этапе образцы были обработаны пескоструйной машиной Basic classic (Renfert, Германия) под давлением 2 атмосферы порошком оксида алюминия с размером зерен 50, 100 и 250 мкм; при этом обработка проводилась однократно в одном направлении, продольно оси имплантата. На втором этапе те же образцы были обработаны пескоструйной машиной повторно в прежнем режиме в двух направлениях. Обработанные образцы изучались в зондовой нанолаборатории (Троицк, Россия) с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ) «Интегра Прима» (Россия). Параметры шероховатости измерялись на каждом образце по трем изображениям сканирующего зондового микроскопа (СЗМ). Поле сканирования составляло квадрат 30×30 мкм. Параметры шероховатости указывались в нанометрах. Изобрели СЗМ сотрудники исследовательского центра IBM Герд Бинниг и Генрих Рорер [7]. В 1986 г. они были награждены Нобелевской премией по физике за данное изобретение. В 1986 г. Бинниг, Квейт и Гербер изобрели новую модификацию СЗМ - АСМ, где главную роль играла сила взаимодействия двух тел [8]. Полученные результаты легли в основу определения несущей способности склейки стоматологических цементов между аналогом фрезерованного трансдентального имплантата и твердыми тканями зуба. Результаты исследований Для оценки качества формируемой поверхности аналогов индивидуальных трансдентальных имплантатов использовалась атомно-силовая микроскопия (АСМ). Образцы были обработаны порошком оксида алюминия в два этапа, описанных выше. Были получены графические результаты (рис. 1 и 2). а б в г д е Рис 1. Трехмерное АСМ-изображение индивидуального трансдентального имплантата при неоднородной пескоструйной обработке: а - частицами размером 50 мкм, 1-й этап; б - частицами размером 100 мкм, 1-й этап; в - частицами размером 250 мкм, 1-й этап; г - частицами размером 50 мкм, 2-й этап; д - частицами размером 100 мкм, 2-й этап; е - частицами размером 250 мкм, 2-й этап а б в г д е Рис. 2. Профиль рельефа поверхности индивидуального трансдентального имплантата при пескоструйной обработке: а - частицами размером 50 мкм, 1-й этап; б - частицами размером 100 мкм, 1-й этап; в - частицами размером 250 мкм, 1-й этап; г - частицами размером 50 мкм, 2-й этап; д - частицами размером 100 мкм, 2-й этап; е - частицами размером 250 мкм, 2-й этап Рис. 3. Влияние искусственной шероховатости трансдентальных имплантатов на адгезионные свойства цементного соединения «трансдентальный имплантат - зуб» При контактном взаимодействии тел ключевую роль играет микрорельеф поверхности, который влияет на износостойкость при истирании, прочность, плотность (герметичность соединений), внешний вид. Основной характеристикой микрогеометрии поверхности является ее шероховатость - совокупность неровностей с относительно малыми шагами на базовой площади. Анализ СЗМ-изображений показал, что шероховатость образцов выше при обработке зернами бóльшего размера, который увеличивает расстояние между неровностями рельефа и их глубину. Также увеличивается количество плоских участков на поверхности, что говорит о сколах материала при обработке. На рис. 2 значениями ΔX и ΔY обозначены расстояния (в мкм) между соседними пиками по горизонтали и вертикали, и углы между ними. На рис. 3 показаны зависимости величин перемещений от нагрузок для образцов с двумя цементами - увеличение размеров гранул оксида алюминия с 50 до 250 мкм значительно повышает нагрузку. Заключение Адгезионную прочность цементного соединения улучшают увеличение размера зерна при пескоструйной обработке с 50 до 250 мкм и использование пары «диоксид циркония 250 мкм/Multilink-N». Наличие бóльшей шероховатости имплантата позволяет образцу выдерживать значительно бόльшую нагрузку по сравнению с имплантатом, обладающим меньшей шероховатостью. Для достижения поставленной цели вполне достаточно однократной пескоструйной обработки диоксида циркония, так как неоднократное применение порошка оксида алюминия в разных направлениях конструкции имплантата ведет к снижению не только адгезивных характеристик, но и прочностных - ввиду увеличения хрупкости. Армирование зубов с резецированными корнями трансдентальными имплантатами значительно повышает их биомеханические характеристики, обеспечивая снижение подвижности в костной ткани, о чем свидетельствует приближение показателей периотестометрии оперируемого зуба к аналогичным значениям одноименных зубов противоположной стороны.

About the authors

M. V Dzhalalova

A. G Stepanov

References

  1. Джалалова М.В., Арутюнов С.Д., Степанов А.Г. Исследование свойств стоматологических цементов в эксперименте на удаленных зубах, армированных индивидуальными трансдентальными имплантатами // Российский журнал биомеханики. - 2019. - Т. 23, № 2. - С. 231-241. doi: 10.15593/RZhBiomeh/2019.2.05
  2. Конев В.П., Московский С.Н., Шестель И.Л., Шишкина Ю.О., Коршунов А.С. Исследование минерального компонента и органического матрикса костной ткани с использованием метода атомно-силовой микроскопии // Практическая медицина. - 2018. - № 1. - C. 168-171.
  3. Няшин Ю.И., Рогожников Г.И., Рогожников А.Г., Никитин В.Н., Асташина Н.Б. Биомеханический анализ зубных имплантатов из сплава титана и диоксида циркония // Российский журнал биомеханики.- 2012. - Т. 16, № 1 (55). - С. 102-109.
  4. Толстихина А.Л. Атомно-силовая микроскопия кристаллов и пленок со сложной морфологией поверхности: автореф. дис.. д-ра физ.-мат. наук. - М., 2013. - 36 с.
  5. Усанов Д.А., Яфаров Р.К. Исследование поверхности материалов методом сканирующей атомно-силовой микроскопии: учеб. пособие для студ. фак. нано- и биомедицинских технологий. - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2006. - 23 с.
  6. Aboushelib M.N., Noha A. Salem, Ahmed L. Abo Taleb, Naglaa M. Abd El Moniem. Influence of surface nano-roughness on osseointegration of zirconia implants in rabbit femur heads using selective infiltration etching technique // J. Oral Implantol. - 2013. - Vol. 39, no. 5. - P. 583-590. doi: 10.1563/AAID-JOI-D-11-00075
  7. Binning G., Rohrer H. Scanning tunneling microscopy // Helv. Phys. Acta. - 1982. - Vol. 55, no. 6. - P. 726.
  8. Binning G., Quate C.F., Gerber Ch. Atomic force microscopy // Phys. Rev. Lett. - 1986. - Vol. 56, no. 9. - P. 930-933.
  9. Fischer J, Grohmann P, Stawarczyk B. Effect of zirconia surface treatments on the shear strength of zirconia/veneering ceramic composites // Dental Materials Journal. - 2008. - Vol. 27, no. 3. - P. 448-454. doi: 10.4012/dmj.27.448
  10. He M., Zhang Z., Zheng D., Ding N., Liu Y. Effect of sandblasting on surface roughness of zirconia-based ceramics and shear bond strength of veneering porcelain // Dental Materials Journal. - 2014. - Vol. 33, no. 6. - P. 778-785.
  11. Ho B.J., Tsoi J.K.-H., Liu D., Lung C.Y.-K., Wong H.-M., Matinlinna J.P. Effects of sandblasting distance and angles on resin cement bonding to zirconia and titanium // International Journal of Adhesion and Adhesives. - 2015. - Vol. 62. - P. 25-31. doi: 10.1016/j.ijadhadh.2015.06.009
  12. Kubby J.A., Boland J.J. Scanning tunneling microscopy of semiconductor surfaces // Surface Science Reports. - 1996. - Vol. 26. - P. 61-204. doi: 10.1016/S0167-5729(97)80001-5
  13. Lee J., Sieweke J.H., Rodriguez N.A., Schüpbach P., Lindström H., Susin C., Wikesjö U.M.E. Evaluation of nano-technology-modified zirconia oral implants: a study in rabbits // J. Clin. Periodontol. - 2009. - Vol. 36, no. 7. - P. 610-617. doi: 10.1111/j.1600-051X.2009.01423.x
  14. Rudawska A., Danczak I., Müller M., Valasek P. The effect of sandblasting on surface properties for adhesion // International Journal of Adhesion and Adhesives. - 2016. - Vol. 70. - P. 176-190. doi: 10.1016/j.ijadhadh.2016.06.010
  15. Su N., Yue L., Liao Y., Liu W., Zhang H., Li X., Wang H., Shen J. The effect of various sandblasting conditions on surface changes of dental zirconia and shear bond strength between zirconia core and indirect composite resin // The Journal of Advanced Prosthodontics. - 2015. - Vol. 7, no. 3. - P. 214-223.
  16. Zhang Y., Lawn B.R., Rekow E.D., Thompson V.P. Effect of sandblasting on the long-term performance of dental ceramics // J. Biomed. Mater. Res. Part B. Appl. Biomater. - 2004. - Vol. 71. - P. 381-386. doi: 10.1002/jbm.b.30097

Statistics

Views

Abstract - 43

PDF (Russian) - 16

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2022 Российский журнал биомеханики

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies