Współczesne kierunki badań w zakresie modyfikacji warstwy wierzchniej biomateriałów tytanowych przeznaczonych na śródkostne wszczepy stomatologiczne

• Autorzy: Pokrowiecki R. , Szaraniec B. , Chłopek J. , Zaleska M.

Warianty tytułu

EN

Recent trends in surface modification of the titanium biomaterials used for endoosseus dental implants

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

Celem pracy była charakterystyka współczesnych poglądów na zagadnienie warstwy wierzchniej i jej roli w procesie osteointegracji wszczepów stomatologicznych. Przedstawiono parametry powierzchni, które bezpośrednio wpływają na inicjację procesu integracji implantu oraz jego późniejsze funkcjonowanie w organizmie. Szczególną uwagę poświęcono zagadnieniu struktury powierzchni implantów dentystycznych oraz metodom modyfikacji umożliwiającym funkcjonalizację powierzchni z wykorzystaniem biomolekuł. Współczesne kierunki inżynierii powierzchni skupiają się na zwiększeniu biozgodności materiałów metalicznych i intensyfikacji procesów osteointegracji w oparciu o zasady biomimetyki. Liczne badania in vitro, in vivo oraz wstępne badania kliniczne wskazują, że uzyskanie nanotopografii zapewnia szybszą osteointegrację implantów dentystycznych w porównaniu ze standardowymi wszczepami o powierzchni mikrostrukturalnej. Zastosowanie biomolekuł takich jak: kolagen, sekwencje peptydowe lub czynniki wzrostu przyspieszają procesy wgajania się implantów, co zostało również potwierdzone w badaniach in vitro oraz in vivo. W pracy poruszony również został problem biofilmu bakteryjnego, który jest szczególnie zauważalny w implantologii stomatologicznej. Zjawisko kolonizacji powierzchni abiotycznych przez mikroorganizmy jest szczególnym problemem implantologii stomatologicznej. Ocenia się, że powstający na powierzchni implantu biofilm bakteryjny jest jedną z najczęstszych przyczyn utraty wszczepu. Dlatego też obserwuje się dążenia do opracowania nowych metod walki z zakażeniami okołowszczepowymi, wśród których szczególną uwagę poświęca się odpowiedniej modyfikacji warstwy wierzchniej. Obecnie uważa się więc, że oprócz osiągnięcia dobrej osteointegracji, biomateriały powinny wykazywać właściwości umożliwiające zahamowanie adhezji bakterii, a tym samym formowania biofilmu, który może być przyczyną utraty implantu.

EN

The aim of this work is to present modern directions in the field of surface layer and its role in the process of dental implants osseointegration. The subject of analysis were parameters of the surface that directly initiate process of integraton of the implant with the tissue and its further functioning in the body. The thorough attention was paid to the micro- and nanostructure of dental implant surface and the methods of its modification using biomolecules in order to make the implant functional. Another subject of the study was bacterial biofilm formation, which is particularly noticeable and dangerous in dental implantology. Having read the literature about modifications of titanium biomaterials surface, it can be concluded that modern trends in surface engineering focus on maximizing the biocompatibility of implants and their osseointegration on the basis of biomimetics. Numerous in vitro, in vivo tests and clinical research suggest that using nano-topographic materials results in faster osseointegration of dental implants in comparison with standard microstructure implants. Furthermore, introducing such biomolecules like collagen, peptide sequences or growth factors accelerate the implant healing process, which has been proven by in vitro and in vivo tests. The long-term implant functionality might also depend on using additional agents which prevent bacterial adhesion and subsequent formation of biofilm, leading to the implant loss.

Słowa kluczowe

PL

tytan; modyfikacja powierzchni; implanty stomatologiczne; mikrostruktura; nanostruktura

EN

titanium; surface modification; dental implants; microstructure; nanostructure

• Wydawca: Polish Society for Biomaterials in Cracow
• Czasopismo: Engineering of Biomaterials
• Rocznik: 2014
• Tom: Vol. 17, no. 124
• Strony: 2--10
• Opis fizyczny: Bibliogr. 54 poz.

Twórcy

autor

Pokrowiecki R.

• Zakład Chirurgii Stomatologicznej Instytutu Stomatologii Uniwersytetu Jagiellońskiego Collegium Medicum, ul. Montelupich 4, 31-155 Kraków

autor

Szaraniec B.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Katedra Biomateriałów, Al. Mickiewicz a 30, 30-059 Kraków

autor

Chłopek J.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Katedra Biomateriałów, Al. Mickiewicz a 30, 30-059 Kraków

autor

Zaleska M.

• Zakład Chirurgii Stomatologicznej Instytutu Stomatologii Uniwersytetu Jagiellońskiego Collegium Medicum, ul. Montelupich 4, 31-155 Kraków

Bibliografia

• [1] Wierzchoń T., Czarnowska E., Krupa D.: Inżynieria powierzchni w wytwarzaniu biomateriałów tytanowych. Warszawa: Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej 2004.
• [2] Nałęcz M.: Biocybernetyka i inżynieria biomedyczna 2000 T. 4. Biomateriały. Warszawa: PAN, Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT 2003.
• [3] Williams D.F.: Definition of biomaterials. Progress in biomedical engineering. 4 ed. Amsterdam: Elsevier 1997.
• [4] Oshida Y., Tuna E.B., Aktoren, A., Gencay, K.: Dental Implant Systems. International Journal of Molecular Sciences 11 (2010) 1580-1678.
• [5] Szaraniec B., Chłopek J., Dynia G.: Porowate biomateriały tytanowe modyfikowane ceramiką bioaktywną. Inżynieria Materiałowa 30 (2009) 449-451.
• [6] Lioubavina-Hack N., Lang N.P., Karring T.: Significance of primary stability forosseointegration of dental implants. Clin. Oral Impl. Res. 17 (2006) 244-250.
• [7] Albrektsson, T., Branemark, P.I., Hansson, H.A., Lindstrom, J.: Osseointegrated itanium implants. Requirements for ensuring a long-lasting, direct bone-toimplant anchorage in man. Acta orthopaedica Scandinavica 52 (1981) 155-170.
• [8] Park B.S., Heo S.J., Kim C.S., Oh J.E., Kim J.M., Lee G., Park W.H., Chung C.P., Min B.M.: Effects of adhesion molecules on the behavior of osteoblast-like cells and normal human fibroblasts on different titanium surfaces. Journal of Biomedical Materials Research Part A 74 (2005) 640-651.
• [9] Kuzyk P.R., Schemitsch E.H.: The basic science of peri-implant bone healing. Indian J Orthopaedics 45 (2011) 108-115.
• [10] Ruoslahti E.: RGD and other recognition sequences for integrins. Annual Review of Cell and Developmental Biology 12 (1996) 697-715.
• [11] Hynes, R.O.: Integrins: bidirectional, allosteric signaling machines. Cell 110 (2002) 673-687.
• [12] Forgacs G.: On the possible role of cytoskeletal filamentous networks in intracellular signaling: an approach based on percolation. J Cell Sci 108 (1995) 2131-2143.
• [13] Jokstad A., Braegger U., Brunski J.B., Carr A.B., Naert I., Wennerberg A.: Quality of dental implants. Int. Dent. J. 53 (2003) 409-443.
• [14] Abrahamsson I., Zitzmann N.U., Berglundh T., Wennerberg A., Lindhe J.: Bone and soft tissue integration to titanium implants with different surface topography: an experimental study in the dog. Int. J. Oral Maxillofac. Implants 16 (2001) 323-332.
• [15] Wennerberg A., Albrektsson T.: Suggested guidelines for the topographic evaluation of implant surfaces. International Journal of Oral and Maxillofacial Implants 15 (2000) 331-344.
• [16] Shinnosuke O., Hiroyuki I., Atsushi N., Jun K., Hiroaki I.: Adhesion of osteoblast-like cells on nanostructured hydroxyapatite. Acta Biomaterialia 6 (2010) 591-597.
• [17] Manus J.P., Biggs R.G.R., Gadegaard N., Wilkinson C.D.W., Oreffo R.O.C., Dalby M. J.: The use of nanoscale topography to modulate the dynamics of adhesion formation in primary osteoblasts and ERK/MAPK signalling in STRO-1ţ enriched skeletal stem cells. Biomaterials 30 (2009) 5094-5103.
• [18] Jurczyk M., Jakubowicz J.: Bionanomateriały. Poznań. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej 2008.
• [19] Puckett S., Pareta R., Webster T.J.: Nano rough micron patterned titanium for directing osteoblast morphology and adhesion. Int J Nanomedicine 3 (2008) 229-41.
• [20] Richert L., Vetrone F., Yi J.H., Zalzal S.F., Wuest J.D., Rosei F. et al.: Surface nanopatterning to control cell growth. Adv Mater 20 (2008)1488-1492.
• [21] Webster T.J., Ergun C., Doremus R.H., Siegel R.W., Bizios R.: Enhanced functions of osteoblasts on nanophase ceramics. Biomaterials 21 (2000) 1803-1810.
• [22] de Oliveira P.T., Nanci A.: Nanotexturing of titanium-based surfaces upregulates expression of bone sialoprotein and osteopontin by cultured osteogenic cells. Biomaterials 25 (2004) 403-13.
• [23] Yap F.L., Zhang Y.: Protein and cell micropatterning and its integration with micro/nanoparticles assembly. Biosens Bioelectron 22 (2007) 775-788.
• [24] Gittens R.A., Olivares-Navarrete R., Cheng A., Anderson D.M., McLachlan T., Stephan I., Geis-Gerstorfer J., Sandhage K.H., Fedorov A.G., Rupp F., Boyan B.D., Tannenbaum R., Schwartz Z.: The roles of titanium surface micro/nanotopography and wettability on the differential response of humanosteoblast lineage cells. Acta Biomater 9 (2013) 6268-6277.
• [25] Song D.P., Chen M.J., Liang Y.C., Bai Q.S., Chen J.X., Zheng X.F.: Adsorption of tripeptide RGD on rutile TiO(2) nanotopography surface in aqueous solution. Acta Biomater 6 (2010) 684-694.
• [26] Majewski P.: Wpływ rodzaju powierzchni tytanowych implantów dentystycznych na ich stabilizację w strukturach kostnych szczęki i żuchwy - rozprawa habilitacyjna. Kraków 2012.
• [27] Dolder J., Bancroft G.N., Sikavitsas V.I., Spauwen P.H., Mikos A.G., Jansen J.A.: Effect of fibronectin and collagen I-coated titanium fiber mesh on proliferation and differentiation of osteogenic cells. Tissue Eng. 9 (2003) 505-515.
• [28] Schulz M.C., Korn P., Stadlinger B., Range U., Möller S., Becher J., Schnabelrauch M., Mai R., Scharnweber D., Eckelt U., Hintze V.: Coating with artificial matrices from collagen and sulfated hyaluronan influences the osseointegration of dental implants. J Mater Sci Mater Med. (2013) Oct 11. [Epub ahead of print].
• [29] Harris L.G., Tosatti S., Wieland M., Textor M., Richards R.G.: Staphylococcus aureus adhesion to titanium oxide surfaces coated with non-functionalized and peptide-functionalized poly(L-lysine)-grafted-poly(ethylene glycol) copolymers. Biomaterials 25 (2004) 4135-4148.
• [30] Maddikeri R.R., Tosatti S., Schuler M., Chessari S., Textor M., Richards R.G, et al.: Reduced medical infection related bacterial strains adhesion on bioactive RGD modified titanium surfaces: a first step toward cell selective surfaces. J Biomed Mater Res 84A (2008) 425-435.
• [31] Dee K.C., Andersen T.T., Bizios R.: Design and function of novel osteoblast-adhesive peptides for chemical modification of biomateriale J Biomed Mater Res 40 (1998) 371-377.
• [32] Chatzinikolaidou M., Lichtinger T.K., Müller R.T., Jennissen H.P.: Peri-implant reactivity and osteoinductive potential of immobilized rhBMP-2 on titanium carriers. Acta Biomaterialia 6 (2010) 4405-4421.
• [33] Baneyx F., Schwartz D.T.: Selection and analysis of solid-binding peptides. Curr Opin Biotechnol 18 (2007) 312-317.
• [34] Sano K., Shiba K.: A hexapeptide motif that electrostatically binds to the surface of titanium. J Am Chem Soc 125 (2003) 14234-14235.
• [35] Kashiwagi K., Tsuji T., Shiba K.: Directional BMP-2 for functionalization of titanium surfaces. Biomaterials (2009) 1166-1175.
• [36] Modrzejewska Z.: Formy chitozanowe do zastosowań w inżynierii biomedycznej. Inż. Ap. Chem. 50 (2011) 74-75.
• [37] Renoud P., Toury B., Benayoun S., Attik G., Grosgogeat B.: Functionalization of Titanium with Chitosan via Silanation: Evaluation of Biological and Mechanical Performances. PLoS ONE 7 (2012): e39367. doi:10.1371/journal.pone.0039367
• [38] Marciniak J., Kaczmarek M., Ziębowicz A.: Biomateriały w Stomatologii. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2008.
• [39] Berglundh T., Persson L., Klinge B.: A systematic review of the incidence of biological and technical complications in implant dentistry reported in prospective longitudinal studies of at least 5 years. J Clin Periodontol 29 (2002) 197-212.
• [40] Rehman A., Hu J., Ott S.J., Grössner-Schreiber B.: Microbial community composition on modified dental implant surfaces: an in vivo study. Int J Oral Maxillofac Implants 27 (2012) 811-819.
• [41] Colon G., Ward B.C., Webster T.J.: Increased osteoblast and decreased Staphylococcus epidermidis functions on nanophase ZnO and TiO2. J Biomed Mater Res A 78 (2006) 595-604.
• [42] Puckett S.D., Taylor E., Raimondo T., Webster T.J.: The relationship between the nanostructure of titanium surfaces and bacterial attachment. Biomaterials 31 (2010) 706-713.
• [43] Whitehead K.A., Colligon J., Verran J.: Retention of microbial cells in substratum surface features of micrometer and submicrometer dimensions. Colloids Surf B Biointerfaces 41 (2005) 129-138.
• [44] Campoccia D., Montanaro L., Agheli H., Sutherland D.S., Pirini V., Donati M.E., et al.: Study of Staphylococcus aureus adhesion on a novel nanostructured surface by chemiluminometry. Int J Artif Organs 29 (2006) 622-629.
• [45] Diaz C., Schilardi P.L., Salvarezza R.C., Lorenzo F., de Mele M.: Nano/ microscale order affects the early stages of biofilm formation on metal surfaces. Langmuir 23 (2007) 11206-11210.
• [46] Harris L.G., Mead L., Müller-Oberländer E., Richards R.G.: Bacteria and cell cytocompatibility studies on coated medical grade titanium surfaces. J Biomed Mater Res A 78 (2006) 50-58.
• [47] Maddikeri R.R., Tosatti S., Schuler M., Chessari S., Textor M., Richards R.G., Harris L.G.: Reduced medical infection related bacterial strains adhesion on bioactive RGD modified titanium surfaces: a first step toward cell selective surfaces. J Biomed Mater Res A 84 (2008) 425-435.
• [48] Price J.S., Tencer A.F., Arm D.M., Bohach G.A.: Controlled release of antibiotics from coated orthopedic implants. J Biomed Mater Res 30 (1996) 281-286.
• [49] Lucke M., Schmidmaier G., Sadoni S., Wildemann B., Schiller R., Haas N.P., Raschke M.: Gentamicin coating of metallic implants reduces implant-related osteomyelitis in rats. Bone 32 (2003) 521-531.
• [50] Davies R., Holt N., Nayagam S.: The care of pin sites with external fixation. J Bone Joint Surg Br 87 (2005) 716-719.
• [51] Oleszkiewicz A., Korzekwa K., Bugia-Płoskońska G.: Nanoczasteczki w biologii i medycynie. Laboratorium medyczne 5 (2008) 30-33.
• [52] Cho K.H, Park J.E, Osaka T, Park SG.: The study of antimicrobial activity and preservative effects of nanosilver ingredient. Electrochemica Acta 51 (2005) 956-960.
• [53] Chen X., Schluesener H.J.: Nanosilver: A nanoproduct in medical application. Toxicology Letters 176 (2008) 1-12.
• [54] Wijnhoven S.W.P, Geertsma R.E et al.: Nano-silver a review of available data and knowledge gaps in human and environmental risk assessment. Nanotoxicology 3 (2009) 109-138.

Uwagi

PL

Praca finansowana w ramach badań statutowych 11.11.160.256 Wydziału Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie.