Vật liệu chế tạo implant

Mục lục

1. Titan

Titan là kim loại phổ biến thứ chín và được William Gregory phát hiện vào năm 1791. Nó tồn tại là kim loại màu bạc ở dạng tinh khiết, với các đặc điểm lý hóa độc đáo, chẳng hạn như mật độ thấp (4506 g/cm³) và độ bền cao (590 MPa). Titan có thể phản ứng nhanh với oxy và tạo ra khả năng chống ăn mòn trên bề mặt kim loại do hình thành lớp oxit trên bề mặt. (Vật liệu implant)

Kim loại này được phát triển cho các mục đích đa dạng nhất, chẳng hạn như các ứng dụng trong ngành thể thao, chất tạo màu, đồ trang sức, thiết bị hàng hải, hàng không vũ trụ và y tế. Liên quan đến nha khoa, titan và hợp kim của nó được biết là không độc hại và thậm chí còn tương thích sinh học hơn crom-coban và thép không gỉ. Ngoài ra, chúng tương thích với chụp cắt lớp vi tính (CT) và chụp cộng hưởng từ (MRI). Các vật liệu sinh học titan này là cơ sở để sản xuất các phục hình và implant nha khoa.

Do các tính chất khác nhau được quan sát thấy trong các dạng titan, người ta đã xác minh rằng titan oxit (TiO2) là loại được báo cáo nhiều nhất trong các nghiên cứu liên quan đến implant. TiO2 được hình thành do kim loại titan có khả năng phản ứng cao với không khí tạo thành nhóm hydroxyl và hydroxide, giúp nó có khả năng chống ăn mòn cao. Lớp oxit này giúp titan có tính tương thích sinh học. TiO2 có thể được tìm thấy ở ba dạng tinh thể khác nhau trong điều kiện môi trường xung quanh: anatase, brookite và rutil. Các pha chuyển đổi có thể thực hiện được bằng cách xử lý nhiệt vào cuối quá trình tổng hợp. Trong khi brookite (được sắp xếp theo hình học trực thoi) là khó thu được nhất, thì rutil và anatase (cả hai đều có hình học bát diện) lại dễ hình thành. Sự khác biệt tìm thấy giữa các pha rutil và anatase là do sự biến dạng giữa các bát diện được hình thành bởi TiO6. Để thu được các cấu trúc này, có thể sử dụng một số phương pháp, từ thủy nhiệt đến điện hóa. Do đó, những thay đổi trong các thông số lý hóa trong quá trình tổng hợp sẽ dẫn đến sự hình thành ưu tiên của một trong các pha dự định. Do đó, pha sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến sự thành công của việc sử dụng nó cho các ứng dụng trong nha khoa. Anatase thường liên quan đến các ứng dụng đòi hỏi sự tích hợp xương và do đó, được sử dụng nhiều nhất trong implant nha khoa.

Mặc dù có những vật liệu khác trong quá trình sản xuất implant theo thành phần hóa học của chúng, chẳng hạn như sứ hoặc polyme, hiện nay, titan là vật liệu được sử dụng phổ biến nhất. Có sáu loại titan khác nhau làm vật liệu sinh học implant. Trong số đó, bốn loại là titan tinh khiết thương mại (CPTi) (Loại I, Loại II, Loại III và Loại IV), tức là titan tinh khiết 98-99,6% và hai loại là hợp kim titan (Ti-6Al-4V (hay còn được gọi là độ V) và Ti-6Al-4V-Hợp kim Extra Low Interstitial (Còn được gọi là Độ 23). Các loại này khác nhau về khả năng chống ăn mòn, độ bền và độ dẻo.

Vật liệu lý tưởng để chế tạo implant nha khoa phải tương thích sinh học và có đủ độ bền, độ dẻo dai, khả năng chống ăn mòn và gãy. Những đặc tính này thường liên quan đến lượng oxy còn lại trong kim loại. CpTi độ IV có hàm lượng oxy cao nhất (0,4%) và do đó có độ bền cơ học tuyệt vời, đó là lý do tại sao đây là loại titan được sử dụng rộng rãi nhất cho implant nha khoa.

2. Hợp kim titan

CP Ti (Titan tinh khiết thương mại) trải qua quá trình biến đổi dị hướng (đa hình) từ cấu trúc tinh thể lục giác đóng chặt (pha α) ở 882°C thành cấu trúc tinh thể body-centered dẻo hơn (pha ẞ). Bằng cách kết hợp các chất ổn định pha α và ẞ, có thể sản xuất bốn loại hợp kim titan: α, cận α, α-β và β. Các chất ổn định pha alpha, chẳng hạn như nhôm, cacbon, nitơ, và gali, giúp làm tăng nhiệt độ để chuyển đổi pha α thành pha ẞ khi đun nóng. Các chất ổn định pha beta, chẳng hạn như molypden, coban, niken, niobi, đồng, paladi, tantal và vanadi, hạ nhiệt độ để chuyển ẞ sang pha α khi làm mát. Hợp kim α sẽ không tạo thành pha ẞ khi làm mát. Hợp kim cận alpha sẽ tạo thành một lượng giới hạn pha ẞ khi làm mát. Hợp kim alpha-beta là bán bền, khiến chúng có thể xử lý nhiệt và sẽ chứa cả hai pha ở nhiệt độ phòng. Xử lý nhiệt quyết định mối quan hệ của các pha α và ẞ và tính chất cơ học. Hợp kim ẞ chứa đủ chất ổn định beta để giữ lại ở pha ẞ khi làm mát; chúng có thể được xử lý bằng dung dịch và ủ để tăng cường độ bền.

Hợp kim titan được sử dụng rộng rãi nhất trong nha khoa và kỹ thuật chính là Ti-6Al-4V, đây là hợp kim α-ẞ. Mặc dù hợp kim này có độ bền lớn hơn CP Ti nhưng nó không hấp dẫn cho các ứng dụng nha khoa và y sinh vì một số mối lo ngại về nguy cơ sức khỏe do giải phóng chậm nhôm và vanadi. Vanadi ở liều cao có độc tính cao, và nhôm đã được báo cáo là có khả năng gây ra các rối loạn thần kinh.

Niobium không liên quan đến bất kỳ chất độc hại hoặc tác dụng phụ nào được biết đến trong cơ thể và thuộc cùng nhóm với vanadi trong bảng tuần hoàn. Thay thế vanadi trong Ti-6Al-4V bằng cùng một tỷ lệ phần trăm nguyên tử của niobium tạo ra Ti-6Al-7Nb. Cả hai hợp kim được coi là có thể chấp nhận được cho các ứng dụng y sinh. Tính chất cơ học của hai hợp kim là tương tự nhau (Bảng 9-7) và khả năng chống ăn mòn của chúng tương tự như CP Ti. Tính đàn hồi của chúng các mô đun tương tự như các mô đun của hợp kim loại 4 và cường độ chịu kéo phạm vi từ loại vật liệu kim loại loại 2 đến loại 5, như đã mô tả trong ISO 22674 (Bảng 9-2).

3. Titan và implant nha khoa

Các sản phẩm titan được sử dụng phổ biến nhất là loại 1 đến 4 của CPTi. Hợp kim titan, cụ thể là Ti-6Al-4V và Ti-6Al-7Nb, được sử dụng ở cấp độ extra-low interstitial (ELI). ELI chứa mức độ oxy hòa tan thấp trong các vị trí xen kẽ trong kim loại. Lượng oxy và sắt thấp hơn cải thiện độ dẻo của hợp kim titan ELI, có thể được kết hợp với các nguyên tố khác nhau để sửa đổi tính chất của nó. Như đã thảo luận, các nguyên tố hóa học có thể được thêm vào hợp kim titan để ổn định pha α hoặc pha ẞ. Nhôm hoạt động như một chất ổn định alpha cho mục đích tăng độ mạnh (strength) và giảm mật độ. Vanadi và niobium là chất ổn định pha beta, khoảng 6% hoặc ít hơn, được sử dụng để giảm thiểu sự hình thành của TiAl và để giảm khả năng bị ăn mòn của hợp kim. Ngoại trừ CPTi, mô đun đàn hồi của Ti-6Al-4V gần với độ đàn hồi của xương hơn là của bất kỳ vật liệu cấy ghép sinh học kim loại nào khác. Hợp kim titan mới hơn đã được phát triển, bao gồm Ti-13Nb-13Zr và Ti-15Mo-2.8Nb. Các hợp kim này sử dụng các chất ổn định pha khác thay thế cho nhôm và vanadi và có sức mạnh và khả năng chống ăn mòn lớn hơn.

Như đã liệt kê trước đó, CPTi có nhiều loại khác nhau, từ loại CP I đến loại IV. Thành phần của các kim loại này theo phần trăm trọng lượng được đưa ra trong Bảng 12-4. Độ bền của CPTi thấp hơn hợp kim Ti-6Al-4V, mặc dù giá trị mô đun đàn hồi là tương đương (Bảng 12-1). Bảng cho thấy hợp kim Ti duy trì sự cân bằng tinh tế giữa độ bền đủ để chống gãy dưới lực nhai và duy trì mô đun đàn hồi thấp hơn để phân phối ứng suất đồng đều hơn trên giao diện xương-implant.

Gần đây nhất, các hợp kim như Ti-Nb, Ti-Hf và Ti-Ta đã được kiểm tra để sử dụng làm implant nha khoa. Ti-15Zr được giới thiệu lâm sàng dưới tên thương mại Roxolid (Straumann, Basel, Thụy Sĩ) để sử dụng làm implant hẹp khi implant có kích thước thông thường không được chỉ định. Khẳng định là các hợp kim này tương thích sinh học hơn hợp kim Ti-6Al-4V hiện tại với việc loại bỏ Al và V, vốn được biết là gây ra phản ứng độc tế bào và tổn thương nhiễm sắc thể. Roxolid chứng minh các đặc tính cơ học được cải thiện, với độ bền kéo là 953 MPa so với 680 MPa đối với Ti-6Al-4V và 310 MPa đối với CPTi. Có rất ít nghiên cứu về vật liệu này; tuy nhiên, các nghiên cứu đến nay đã chỉ ra rằng không có hành vi gây độc tế bào nào liên quan đến hợp kim này, có sự tiếp xúc xương-implant (BIC) lớn hơn sau 6 tuần tích hợp xương và nó có đặc tính đàn hồi tương tự như Ti-6Al-4V với độ bền cao hơn. Như với tất cả các vật liệu cấy ghép khác, cần có dữ liệu lâm sàng dài hạn để xác định đầy đủ các rủi ro và lợi ích.

4. Chọn hệ thống implant

Do có rất nhiều vật liệu implant và hệ thống khác nhau nên việc biết các chỉ định sử dụng chúng là rất quan trọng. Có lẽ điều quan trọng nhất cần cân nhắc là độ bền của vật liệu và loại xương mà implant sẽ được đặt vào. Các yếu tố khác cần xem xét là thiết kế implant, lựa chọn abutment, tính sẵn có của abutment, độ hoàn thiện bề mặt và các cân nhắc về mặt cơ học sinh học.

Đặc điểm của vật liệu

Độ bền của implant thường được cân nhắc, tùy thuộc vào khu vực cấy. Nếu implant nằm ở vùng truyền lực cao hơn (ví dụ ở vùng răng sau), bác sĩ lâm sàng có thể cân nhắc sử dụng vật liệu có độ bền cao hơn như CPTi cấp IV hoặc một trong các hợp kim titan. Một số tranh cãi tồn tại về việc sử dụng kim loại hoặc hợp kim titan nào vì một số nhà nghiên cứu tin rằng nhôm và vanadi có thể gây độc nếu rò rỉ đủ số lượng. Những cân nhắc khác để lựa chọn bao gồm tiền sử gãy implant ở khu vực dự định đặt implant, việc sử dụng các implant hẹp hơn và tiền sử thói quen răng miệng xấu hoặc cận chức năng. Implant phía trước, được thiết kế để sử dụng trong không gian hẹp, có đường kính nhỏ hơn, trong phạm vi từ 3,25 mm trở xuống. Ngược lại, implant đơn lẻ được đặt ở răng sau có đường kính lớn hơn, lên tới 7 hoặc 8 mm. Lựa chọn vật liệu implant cũng phải được đánh giá về mặt abutment và vật liệu sinh học trong miệng và vật liệu nha khoa. Các nghiên cứu điện hóa về sự ăn mòn kim loại cung cấp danh sách các sự kết hợp chấp nhận được và không thể chấp nhận được trong các điều kiện nơi các implant tiếp xúc với nhau và có thể xảy ra ăn mòn điện hóa. Nhìn chung, hợp kim titan và coban tương đối ổn định và cả hai đều có thể kết hợp về mặt điện hóa với hợp kim quý. Sự kết hợp kim loại cơ bản và amalgam là một mối lưu tâm.

Nguồn: