Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Обзор литературы. Современное состояние проблемы эффективности и материаловедения в дентальной имплантологии 12
1.1. Эффективность дентальной имплантации при замещении дефектов зубных рядов . 12
1.2. Конструкционные материалы в дентальной имплантологии 32
Глава 2. Материалы и методы исследования 46
2.1. Характеристика клинического материала и критерии анализа осложнений дентальной имплантации 46
2.2. Методы изучения физико-механических и коррозионных свойств сверхупругих сплавов Ti-Nba, Ti-Nb-Zr медицинского назначения 49
2.3. Математическое моделирование напряженно деформированного состояния костной ткани и протезной конструкции на дентальных имплантатах из сверхупругих сплавов титана 54
2.4. Изучение биосовместимости сверхупругих сплавов титана в клеточной культуре мезенхимальных стволовых клеток 57
2.5. Экспериментальное изучение остеоинтеграции сверхупругих сплавов титана 61
2.6. Методы статистического анализа 67
Глава 3. Результаты собственных исследований 68
3.1. Дифференцированный анализ причин осложнений дентальной имплантации в отдаленные сроки после завершения протезирования 68
3.2. Механическое и биохимическое поведение сверхупругих сплавов Ti-Nba и Ti-Nb-Zr 77
3.3. Сравнительные биомеханические показатели имплантатов из сверхупругих титановых сплавов 94
3.4. Сравнительное исследование биосовместимости сверхупругих сплавов титана в клеточной культуре мезенхимальных стволовых клеток 109
3.5. Динамика остеоинтеграции сверхупругих сплавов титана в эксперименте 116
Глава 4. Обсуждение результатов исследования 130
Выводы 142
Практические рекомендации 144
Список литературы 145
- Эффективность дентальной имплантации при замещении дефектов зубных рядов
- Экспериментальное изучение остеоинтеграции сверхупругих сплавов титана
- Механическое и биохимическое поведение сверхупругих сплавов Ti-Nba и Ti-Nb-Zr
- Динамика остеоинтеграции сверхупругих сплавов титана в эксперименте
Эффективность дентальной имплантации при замещении дефектов зубных рядов
В современной стоматологии эффективность дентальной имплантации как условия для улучшения фиксации съемных протезов или для создания возможности несъемного протезирования не подвергается сомнению [6,9,20, 62,63,66,69,71,72,75,77,82,89,94,95,127,128,136,146,160,166,167,177,190,192, 204,205,206,207,210,214,215,218,254,256,257,258,268,270,271,273].
Однако, исследований на достаточном статистическом материале и в отдаленные сроки после установки имплантатов не так много для полной убежденности врачей стоматологов в эффективности имплантации. Каждое исследование такого порядка вызывает большой интерес. Как правило, исследования содержат результаты имплантации в зависимости от конкретных изучаемых обстоятельств имплантации.
Так, Никитин А.А. с соавторами проанализировали эффективность имплантации через 5 лет в зависимости от немедленной или отсроченной нагрузки, сопоставив результаты протезирования в двух группах общим количеством 137 человек, 274 внутрикостных имплантатов [127,128].
Неразборные дентальные имплантаты (то есть немедленная нагрузка имплантатов после установки) показали меньшую выживаемость по сравнению с разборными имплантатами (то есть с отсроченной нагрузкой), поскольку соответствующие показатели составляли 92,94% и 95,86%. Выявлена сильная зависимость эффективности от срока эксплуатации протезов на имплантатах; большинство удаленных имплантатов были под съемными протезами и не объединялись балкой. Определенный успех немедленной нагрузки имплантатов авторы связывают с периодом временного протезирования и шинирующим фактором в период остеоинтеграции. Естественно, все удаленные имплантаты устанавливались в малый объем костной ткани. Часть имплантатов прослежена 10 лет с оценкой выживаемости 93% для одноэтапных имплантатов. Субъективно удовлетворенность протезированием была выше при его несъемном характере и при одноэтапной установке имплантатов. Авторы сделали вывод об обоснованности одноэтапного протокола дентальной имплантации и неразборных дентaльных имплaнтaтов в реaбилитaции пaциентов с атрофией челюстей.
В зависимости от конструкции протезов имплантатов в Санкт-Петербурге Колесов О.Ю. изучил отдаленную эффективность имплантации в большой группе обследованных [89]. Им установлено преимущественное использование искусственных коронок и мостовидных протезов среди конструкций протезов на имплантатах (98,8%) на каркасах из кобальтохрома, золотоплатины и титана; цементная и винтовая фиксация протезов применялась с одинаковой частотой (соответственно 51,8% и 48,2%). В исследовании представлена частота выявления осложнений, а именно, резорбция костной ткани у имплантата (32,7%), застревание пищи (26,7%), плохая гигиена (24,3%), отколы облицовки (15,0%), недостаточная фиксация (11,9%). Среди типичных показателей состояния периимплантатных тканей частота осложнений составляла: подвижность имплантатов 14,7%, мукозит 13,3%, пролежни слизистой 12,6%. Также встречались несоответствие цвета протеза зубам (37,3%), недостаточная многоцветность облицовки, блеска и полупрозрачности (32,6, 13,5% и 28,5%). Неадекватное моделирование протезов встречалось часто: у 37,1% атипичное моделирование искусственных коронок, у 30,5% неполноценность межзубных контактов, у 15,4% неадекватное промывное пространство, у 12,9% зазоры между протезом и имплантатами.
Ряд публикаций содержат данные об эффективности коротких имплантатов, сопоставимой с имплантатами более крупных размеров. Вельдяксова Л. В. использовала короткие имплантаты 5 – 7 мм с пористой поверхностью, наблюдала их 1,5 года и добилась эффективности 98,6% [27,131,256,257,258]. Такой результат позволил автору сделать вывод, что короткие имплантаты снижают на 88,0% относительный риск осложнений имплантации в сравнении с винтовыми имплантатами адекватных размеров. Рекомендуются имплантаты 5-7 мм при высоте альвеолярного отростка верхней челюсти 4 – 10 мм, а нижней челюсти – 6 – 10 мм, правда, при установке одного имплантата за 1 отсутствующий зуб. Также сообщил об отсутствии разницы коротких (с пористой поверхностью 5 – 9 мм) и более длинных имплантатов Никольский В.Ю., опубликовав показатель эффективности соответственно 99,4% и 95,6% (на этапе остеоинтеграции) [131]. На начало протезирования либо не отмечалось резорбции кости у коротких имплантатов (37,0% имплантатов) или резорбция была минимальна (0,2 мм), определяли достаточную стабильность имплантатов (3, 4 балла «Periotest»); после окончания протезирования Никольский В. Ю. сообщил о меньшей эффективности стандартных винтовых имплантатов (98,6% в сравнении с короткими имплантатами 87,2%). Длительный период (5 лет) наблюдал короткие имплантаты 5 – 6 мм и стандартные имплантаты 8 – 11 мм кости, отдав предпочтения коротким имплантатам по показателям эффективности [132,133,134]. Идентичная эффективность тех и других имплантатов (97,9 % и 97,2%) позволила считать создание условий для более длинных имплантатов путем остеопластики факторам риска осложнений, также как немедленная имплантация и цементная фиксация протеза к абатменту.
В исследовании Костина И.О. с соавторами при сравнении коротких (56мм) и стандартных (8-11мм) имплантатов не выявлено разницы в частоте удаления имплантатов при наблюдении 5 лет после завершения протезирования (107 человек, 304 имплантатов) [95].
Остеоинтеграция имплантатов, независимо от размера, приближалась к 100%, удалялись только 4 имплантатов размером 6-8 мм в сроки 20 дней и 6 лет, однако у 9 имплантатов наблюдалось ослабление конусного соединения абатмента в имплантате. Показатели устойчивости коротких имплантатов соответствовали имплантатам длиной 8–11 мм, также как показатели микроциркуляции слизистой оболочки периимплантатной зоны. При оценке выживаемости имплантатов методом Каплана–Майера рассчитана пятилетняя вероятность выживания коротких и стандартных имплантатов соответственно 97,2% и 97,9%. Согласно проведенному авторами мультифакториальному анализу, фактор дополнительных реконструктивных костнопластических операций увеличивает риск осложнений имплантации на 23,2% для коротких и 21,3% для стандартных имплантатов, также как немедленная нагрузка, имплантация сразу после удаления зуба, системные заболевания, цементная фиксация коронки во рту.
Ряд исследований обосновывают немедленную нагрузку установленных дентальных имплантатов, как желательную для пациента ситуацию укорочения сроков протезирования на имплантатах. Ашуев Ж.А. обосновал немедленную нагрузку результатами эхоостеометрии в динамике от немедленной нагрузки на протяжении 6 месяцев – происходило увеличение и восстановление плотности кости [12]. Также показано улучшение координации и нормализация деятельности жевательных и височных мышц по данным электромиографии, кроме того, восстанавливается регионарный кровоток в зоне имплантации. Самусенков В. О. в ходе изучения материалов для временных протезов высоко оценил непосредственную нагрузку имплантатов, не выявив разницы в устойчивости имплантатов при одноэтапной и двухэтапной имплантации (по его данным, в большей степени первичная стабильность зависит от длины и локализации имплантатов)[165].
Даже отсутствие одного зуба, по исследованиям Кузнецова А.В., является показанием к замещению имплантатом, так как осложнением незначительной адентии является развитие локализованного пародонтита в области отсутствующего моляра с последующей деформацией зубных рядов и нарушением артикуляционно-окклюзионных взаимоотношений [99,100]. Зарегистрировано отклонение в состоянии височно-нижнечелюстного сустава, а также снижение эффективности жевания и качества жизни. Напротив, при установке имплантата в место отсутствующего моляра Кузнецов А.В. выявил полноценное восстановление функций зубочелюстной системы, а также качества жизни. К сожалению, не удалось восстановить морфологическую основу пародонта в месте установленного имплантата.
Большой объем клинического материала (507 имплантатов) проанализировал через 5 лет после имплантации на нижней челюсти Журули Г.Н., который по окончании этого срока зафиксировал эффективность 97,6%, но и резорбцию костной ткани (2,0-3,0 мм) у 84,3% имплантатов, рецессию десны у 24,9% имплантатов и воспалительные явления – у 12,0% [61,62]. Опыт автора обосновал причины снижения результатов имплантации; автор перечислил их: тонкая кость у имплантата; неадекватные объемы кости после пластики; тип челюсти D3 и D4 по C. Misch; возраст после 60 лет; локализация в фронтальном отделе; объединенные мостовидные протезы с опорой на зубы и имплантаты; короткие имплантаты (менее 10,0 мм); окклюзионные супраконтакты, одностороннее жевание; направление нагрузки имплантатов под углом.
В исследовании Иванова С.Ю., Мураева А.А. с соавторами имплантаты через 3 года нагрузки соответствовали высоким стандартам эстетики и функции протезов, но все-таки отмечалась резорбция в пришеечной области имплантатов 0,3-0,7 мм [69,70,].
В экспериментально-клиническом исследовании по возможностям применения консольного элемента в несъемных протезах на имплантатах Гветадзе Р.Ш. и Федоровский А.Н. проследили в течении 4 лет итоги протезирования 55 пациентов (128 имплантатов) и не выявили никаких осложнений. [35,36,180]. Средняя глубина резорбции вокруг опорных имплантатов через год не превышала 0,81 мм (максимально 1,3 мм). Через 4 года соответствующие показатели были 1,35 мм и 1,9 мм. Результаты протезирования существенно зависели от сроков пользования протезом и длины консольной части (протяженностью не более 7,8мм).
Экспериментальное изучение остеоинтеграции сверхупругих сплавов титана
Способность к остеоинтеграции сверхупругих сплавов титан-ниобий-тантала и титан-ниобий-циркония оценивалась в сопоставлении с сплавом титана на экспериментальных животных [30,88,119,168,186,222,225,238,286]. Работа выполнена в рамках программы повышения конкурентоспособности Казанского федерального университета и субсидии, выделенной Казанскому федеральному университету для выполнения государственною задания в сфере научной деятельности. Анализы выполнены в лаборатории лазерной конфокальной микроскопии Междисциплинарного центра аналитической микроскопии. Работа частично выполнена на оборудовании Междисциплинарного центра коллективного пользования Казанского федерального университета при финансовой поддержке государства в лице
Минобрнауки России (ID RFMEN59414X0003) и Научно-образовательного центра фармацевтики Казанского (Приволжского) федерального университета.
Экспериментальным животным кроликам породы «Серый Великан» в количестве 18 животных с средней массой 2500 грамм под внутримышечным 2% рометаровым наркозом производили разрез длиной 4см в поднижнечелюстной области угла нижней челюсти; скелетировали наружную поверхность челюсти и формировали отверстие диаметром 4мм и глубиной 2мм с последующим введением в костное ложе с усилием образцов сплавов (Рис. 13). После обработки раны 3% перекиси водорода ее послойно ушивали. Животных выводили из опыта в сроки 30 и 90 дней внутримышечным введением 6мл калипсола, производили забор костных блоков, которые помещали в раствор 10% нейтрального формалина; проводили рентгенологический контроль на аппарате Pan Exam+ (Kavo) (Рис. 14).
Методика проведения сканирующего электронно-микроскопического анализа
Метод основан на зондировании поверхности изучаемого образца электронным зондом. Поверхность массивного образца облучается тонко сфокусированным (диаметром до 5-10 нм) пучком электронов, так называемым электронным зондом. Пучок электронов совершает возвратно-поступательное движение по линии или развертывается в растр – совокупность близко расположенных параллельных линий, вдоль которых пучок электронов обегает выбранный для исследования участок поверхности. Растровый измерительный электронный микроскоп c камерой низкого вакуума обеспечивает мeтрoлoгические пaрaметры измерeний линейных рaзмерoв субмикрoннoго диапазона и массовой дoли элементoв в сoставе исследуемых объектов.
Предварительный просмотр образцов осуществлялся посредством оптического микроскопа при увеличении 50х, 100х и 200х. Затем зафиксированные на держатель образцы помещались в камеру вакуумной установки Q 150T ES (Quorum Technologies) для нанесения проводящего слоя методом катодного распыления сплава Au/Pd в соотношении 80/20; толщина нанесенного слоя 15нм.
Измерения проводились на автоэмиссионном высокоразрешающем сканирующем электронном микроскопе Merlin (Carl Zeiss) (Рис. 15). Микроскоп оснащен спектрометром энергетической дисперсии AZtec X-Max (Oxford Instruments) с разрешением спектрометра 127эВ; точность измерения составляет 0.01-1%. Съемка морфологии поверхности проводилась при ускоряющем напряжении первичных электронов 5кВ и зондовом токе 300пА для минимального воздействия на объект исследования.
Элементный рентгеновский микроанализ проводился при ускоряющем напряжении 20 кэВ и рабочем отрезке 10 мм с использованием набoра эталoнов для количественнoго микрoанализа, что позволяет избежать минимальных погрешностей для микрозондового анализа на электронном микроанализаторе EVO GM (Carl Zeiss); глубина зондирования составляет порядка 1 мкм; предел обнаружения 1500-2000 ррм (Рис. 16).
Механическое и биохимическое поведение сверхупругих сплавов Ti-Nba и Ti-Nb-Zr
За счет обратимой деформации кристаллической решетки реализуется сверхупругое поведение некоторых сплавов титана. Определение максимальной величины деформации возможно тремя теоретическими методами: расчет по теории деформаций, по феноменологической теории мартенситных превращений, оценка по схеме Багаряцкого [58, 286]. Использование указанных методов при оценке максимальной обратимой деформации в условиях нагрузки-разгрузки в сплавах Ti-Nba и Ti-Nb-Zr показывает, что максимальное возвращаемое удлинение составляет около 3,0% и 4,0%, соответственно (известно, что чистый титан не проявляет эффект сверхупругости, его максимальная деформация не превышает 0,2%); типичные значения для никелида титана – 6,0-8,0%. Сверхупругое поведение изучаемых сплавов в виде характерных диаграмм деформации-разгружения (зависимости напряжения от деформации) в ходе циклических испытаний образцов сплавов Ti-Nb-Zr и Ti-Nba приведены на рисунке 26.
Первый цикл нагружения-разгружения сплава Ti-Nba проявляет несовершенную сверхупругость, поскольку наблюдается незамкнутая «сверхупругая петля» с остаточной (и в дальнейшем необратимой) деформацией f =0,22%. Во время последующих циклов деформации-разгружения сверхупругое поведение быстро совершенствуется: в десятом цикле остаточная деформация весьма мала и не превышает 0,1%. При циклических испытаниях Ti-Nb-Zr видно более быстрое совершенствование сверхупругого поведения сплава, поскольку уже в 3-5 циклах остаточная деформация минимизируется. Сплавы Ti-Nb-Zr и Ti-Nba (особенно последний) имеют весьма низкий модуль упругости, который дополнительно уменьшается в ходе сверхупругого циклирования (Табл. 6). Также уменьшаются фазовый предел текучести tr и механический гистерезис . Каждый сплав имеет свои преимущества: Ti-Nb a и м е е т б о л е е н и з к и й м о д у л ь Юнга, а Ti-Nb-Zr – меньший механический гистерезис (меньшее рассеяние энергии). Выраженное сверхупругое поведение сплавов Ti-Nba и Ti-Nb-Zr при низком «кажущемся» модуле Юнга (25–40 ГПа) свидетельствуют об их высокой биомеханической совместимости.
Оксидный слой является границей раздела между металлом и средой организма, в частности, с костной тканью в процессе остеоинтеграции. В связи с этим проведено исследование химического состава оксидной пленки изучаемых сплавов (Ti-Nba и Ti-Nb-Zr) методом электронной оже-спектроскопии, толщины оксидной пленки и распределение легирующих элементов в приповерхностных слоях в сравнении с Ti и Ti-Ni на примере модельной среды раствор Хэнка. По данным электронной микроскопии поверхность сплавов не меняет своей морфологии при нахождении в растворе Хэнка (Рис. 27); на примере Ti-Nba видно, что термообработка несколько увеличивает ее шероховатость.
При определении концентрации элементов на поверхности образцов исследуемых сплавов, не экспонированных в растворе Хэнка, отсутствуют примеси (Табл. 7, без учета загрязняющего углерода); при экспонировании в растворе Хэнка обнаруживаются компоненты этого раствора; их суммарное количество на сплавах Ti-Nba и Ti-Nb-Zr – наибольшее, а концентрация Ca и Р выше, чем для образцов Ti и Ti-Ni (что косвенно указывает на предрасположенность поверхности этих сплавов к формированию апатитоподобных слоев, важных для процесса остеоинтеграции внутрикостных имплантатов). Доля основных компонентов сплавов на поверхности уменьшается за счет осаждения компонентов раствора, в то же время, присутствуют все элементы, входящие в состав сплавов (в том числе токсичный никель на поверхности образцов никелида титана).
Толщина оксидной пленки на полированный образцах изучаемых сплавов оценивалась методом ионого распыления атомами аргона с профилями распределения элементов по глубине образцов сплавов; значение глубины, соответствующее перегибу на кривых изменения концентрации кислорода, принималось за условную границу оксидной пленки; это значение определяли из условия равенства нулю второй производной зависимости концентрации кислорода от глубины травления (Рис. 28).
Ti-Nba; время, мин Рисунок 28 – Профиль распределения концентрации элементов по глубине на примере образцов Ti-Nba до (a) и после (б) экспозиции в растворе Хэнка Оксидная пленка изучаемых сверхупругих сплавов по толщине варьирует от 11 до 16 нм (Табл. 8). После экспозиции в растворе Хэнка толщина пленки увеличивается на 2 нм у сплавов Ti-Nba и Ti-Nb-Zr, на 3 нм – у Ti и Ti-Ni (оксидная пленка на сплаве Ti-Nba тоньше, чем на Ti и Ti-Ni при прочих одинаковых условиях). Как видно, у всех сплавов толщина пленки несколько увеличивается под воздействием раствора Хэнка, что указывает на повышение защитных свойств поверхностного слоя.
После термической обработки толщина пленки, как показано на примере сплава Ti-Nb-Zr, составляет около одного мкм, которая состоит в основном из диоксида титана, обладает высокой прочностью сцепления с металлической подложкой и является гидрофильной, что должно благоприятно сказаться на остеоинтеграции имплантатов (Рис. 29) [212].
Динамика остеоинтеграции сверхупругих сплавов титана в эксперименте
Взаимодействие с костной тканью сверхупругих сплавов титан-ниобий-тантал и титан-ниобий-цирконий демонстрирует в эксперименте их остеоинтегративные свойства.
Через 30 дней после интеграции образцов титан-ниобий-циркония между ними и костной тканью в некоторых местах по линии контакта при увеличении в сканирующем электронном микроскопе в 50, 100, 500 раз выявляется щель размером до 20мкм. На большем протяжении контакта с имплантатом выявлены обширные участки ткани, покрывающей края образцов титан-ниобий-циркония (Рис. 54-56).
Элементный микрозондовый анализ состава ткани за границами сплава идентифицирован как костная ткань, поскольку содержание Ca и P среди восьми анализируемых элементов составляют большинство (соответственно 44,27 и 12,89 Вес.%); содержание С и O – 30,33 и 12,22 Вес.% (Рис. 57, Табл. 19). В зонах «нарастания» ткани на образцы титан-ниобий-циркония основной элемент – углерод (72,45 Вес.%) а также кислород (13,45 Вес.%), что расценивается как соединительная ткань (Рис. 58, Табл. 20).
Через 90 дней поверхность образцов титан-ниобий-циркония полностью покрывается минерализованной костной тканью, о чем свидетельствует микроэлементный анализ, показывающий следующий состав: Ca 27.27, P 13.77, C 29.68, O 25.84 Вес.% (Рис. 59,60, Табл. 21).
Электронно-микроскопическая картина и микрозондовый элементный анализ в эксперименте при использовании титан-ниобий-тантала показывают результаты, близкие к эксперименту при использовании титан-ниобий циркония.
При анализе зоны контакта образцов сплава с костной тканью через 30 дней характерная щель между металлом и костной тканью более выражена (до 25мкм) и прослеживается на большем протяжении по сравнению с титан-ниобий-цирконием (Рис. 61). В то же время четко прослеживаются обширные участки ткани, покрывающей края образцов титан-ниобий-тантала (Рис. 62, 63).
Костная ткань ложа металлических имплантатов, состоящая по данным элементного микрозондового анализа из Ca, P, С, O (соответственно 32.48, 15.77, 20.20 и 28.47 Вес.%), меняется на соединительную ткань в контакте с титан-ниобий-танталом (содержание С, O – 76.45, 19.17 Вес.%) (Рис. 64,65; Табл. 22-23).
Спустя 90 дней после интеграции титан-ниобий-тантала его поверхность покрывается минерализованной костной тканью, о чем свидетельствует микроэлементный анализ, показывающий следующий состав: Ca 22.80, P 10.99, C 40.04, O 18.34 Вес.%, однако просматриваются единичные и ограниченные зоны отсутствия костной ткани (Рис. 66,67; Табл. 24).
Присутствие титана в костной ткани на сроке контроля 30 дней также сопровождается наличием щели между образцом металла и костной тканью, но меньшего размера – до 10мкм (Рис. 68). При большем увеличении выявляются многочисленные зоны нарастания на металл тканей со стороны костного ложа (Рис. 69,70). Эта ткань по элементному составу в основном С 61.12 Вес.% и O 21.67 Вес.% (Рис. 71, Табл. 25), тогда как ткань на некотором расстоянии от границы с металлом состоит в основном из Ca, P, С и О соответственно 48.21, 15.01, 25.48 и 8.87 Вес.% (Рис. 72, Табл. 26).
На сроке контроля 90 дней образцы титана полностью покрыты минерализованной костной тканью составом: Ca 26.49, P 13.76, C 27.83, O 29.60 Вес.% (Рис. 73,74; Табл. 27).
– остеоинтеграция сопровождается минерализацией соединительной ткани на границе с сплавами, формирующейся в начальный период после введения образцов сплавов в костную ткань;
– электронно-микроскопический анализ и элементный микрозондовый анализ позволяет ранжировать сплавы по степени остеоинтеграции: титан, тиан-ниобий-цирконий, титан-ниобий-тантал.