Development of bioactive surfaces for bone ingrowth on dental implants

Abstract

Dental implants are usually fabricated in titanium (Ti) based materials due to its biocompatibility and good corrosion resistance. However, the low ability to form a strong chemical bond with living tissue, known as bioactivity, is one of the drawbacks of Ti dental implants. Consequently, the use of dental implants is sometimes accompanied by failure due to periimplantitis disease and, subsequently, poor aesthetics when soft-hard tissue margin recedes. On this context, further research is needed for developing new bioactive surfaces able to enhance the osseous growth. Tantalum (Ta) and Ta oxide coatings have been proven to be bioactive materials due to their high wettability and high surface free energy. Therefore, they were recently proposed to enhance the osseointegration and the performance of medical devices, such as dental implants. On the other hand, surface nanostructuring can also play a fundamental role in bone ingrowth since it enhances surface-protein interactions, bioactivity and osteoblast adhesion. The development of highly bioactive surfaces, with enhanced osseointegration and corrosion resistance, can then be achieved through either the deposition of Ta-based coatings by magnetron sputtering or nanopatterning bulk Ta by anodization. In a first part of this work Ta1-xOx coatings were deposited by DC magnetron sputtering in an Ar+O2 atmosphere onto SS 316L to study the importance of the oxygen in the bioactivity performance. In a second part, the synergetic effect of anodic TaOx with surface nanostructuring was analyzed by electrochemical anodization of Ta plates. Regarding the coatings developed by magnetron sputtering, structural results show that a small increase of oxygen content leads to a change of Ta from the stable bcc phase (α- Ta) to a mixture of nanocrystalline phases. For large amounts of oxygen, oxide phases could be achieved. The combination of the structural and mechanical experimental results with ab-initio DFT calculations shows that the increasing addition of oxygen to the Ta phase leads to a decrease of the density and improvement of the elastic properties of the crystal structures. Additionally, a more corrosion protective behavior of the coatings is observed as the oxygen amount increases in the films. Nevertheless, independently of the film composition, higher pitting inhibition in the coated stainless steel is achieved, allowing, globally, to match the performance of the market reference, the CP Ti Gr2 material. The development of nanostructured oxide surfaces on bulk Ta, through an anodization process, reveals the formation of a dimple-shaped surface morphology, with an oxide thickness around 5 nm, by using an electrolyte composed by H2SO4 and HF and treatment conditions of 15-50 V potential range and runtimes between 5 and 120 s. Bioactivity evaluation of Ta1-xOx samples developed by magnetron sputtering show better ability to change and adsorb ions of SBF of these surfaces, comparatively to the commercial control CP Ti Gr2, and an increased affinity for apatite adhesion with higher apatite content formation, which proves that the bioactivity kinetics of Ta1-xOx surfaces is faster than that of Ti surface favoring a faster osseointegration.

Atualmente os implantes dentários são produzidos em materiais à base de titânio (Ti) devido à sua biocompatibilidade e boa resistência à corrosão. No entanto, a reduzida capacidade para formar uma ligação química forte com o tecido vivo, conhecida como bioatividade, é uma das maiores limitações dos implantes de Ti. Consequentemente, o uso de implantes dentários algumas vezes induz o aparecimento da doença periimplantar, que provoca uma regressão no crescimento ósseo, culminando na falha do implante. Neste contexto, é necessário desenvolver novas superfícies que sejam bioativas de modo a exponenciar o crescimento ósseo. Revestimentos de tântalo (Ta) e óxido de Ta têm provado ser materiais bioativos devido à sua elevada molhabilidade e energia livre de superfície. Consequentemente, têm sido propostos para melhorar a osteointegração e o desempenho de dispositivos médicos, tal como implantes dentários. Por outro lado, a nanoestruturação de superfícies também pode desempenhar um papel fundamental no crescimento ósseo visto que exponencia: a interação entre a superfície a as proteínas; a bioatividade; e a adesão de células osteoblásticas. O desenvolvimento de superfícies bioativas, que promovam a osteointegração e tenham boa resistência à corrosão, pode ser alcançado quer pela deposição de revestimentos à base de Ta através de pulverização catódica, quer pela nanoestruturação de Ta através de anodização. Numa primeira fase deste trabalho foram depositados revestimentos de Ta1-xOx através de pulverização catódica, numa atmosfera de Ar + O2, depositados sobre SS 316L de forma a estudar a importância do oxigénio na bioatividade. Numa segunda fase, o efeito sinergético de TaOx anódico com a superfície nanoestruturada foi analisado através da anodização de uma chapa de Ta. Tendo em conta os revestimentos desenvolvidos por pulverização catódica, a análise estrutural mostra que um pequeno aumento no teor de oxigénio induz a mudança de fases de Ta desde a fase ccc (α-Ta) até uma mistura de fases nanocristalinas. As fases de óxido de Ta são alcançadas com teores elevados de oxigénio. A combinação dos resultados experimentais de estrutura e propriedades mecânicas com simulações abinitio demonstraram que o aumento do teor de oxigénio na fase de Ta induz a diminuição da densidade e o aumento das propriedades elásticas das estruturas cristalinas. Adicionalmente, com o aumento do teor de oxigénio nos filmes, verificou-se um aumento da proteção à corrosão. Não obstante, foi possível inibir a corrosão por picadas do aço inoxidável independentemente da composição do revestimento, permitindo, de um modo geral, superiorizar o desempenho da referência do mercado, o Ti CP Gr2. O desenvolvimento de uma superfície oxidada e nanoestruturada numa chapa de Ta, através do processo de anodização, revela a formação de uma topográfica com concavidades, cuja espessura do óxido é aproximadamente 5 nm. Estes resultados são alcançados usando um eletrólito de anodização composto por H2SO4 e HF, com potenciais entre 15-50 V, durante 5 a 120 s. Os testes de bioatividade das amostras Ta1-xOx depositadas por pulverização catódica revelaram a sua maior habilidade para trocar e adsorver iões do SBF, comparativamente ao controlo comercial, Ti CP Gr2, e uma melhor afinidade para adsorver fosfatos de cálcio com uma formação de apatite superior. Estes resultados provam que as superfícies de Ta1-xOx têm uma cinética de bioatividade mais rápida do que o Ti, o que por sua vez, favorece a osteointegração.