Автореферат и диссертация по медицине (14.00.21) на тему: Применение сплавов титана в клинике ортопедической стоматологии и имплантологии (экспериментально-клиническое исследование)
Оглавление диссертации Мушеев, Илья Урьеевич :: 2008 :: Москва
Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1. Сплавы металлов, используемые при изготовлении зубных протезов.
1.2. Применение имплантатов при ортопедической реабилитации больных с дефектами зубного ряда.
1.3. Титан и его сплавы: свойства и применение.
1.4. Клинические токсико-химические и аллергические реакции при использовании стоматологических сплавов.
1.5. Теория коррозионных процессов.
Глава 2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1. Методы исследования состава, структуры и физико-механических характеристик стоматологических сплавов.
2.2.1. Исследование механических свойств методом наноиндентирования.
2.1.2. Трибологические исследования износостойкости сплавов.
2.1.3. Методы сравнения литого и фрезерованного титана.
2.1.4. Методика изучения состава, структуры и физико-механических свойств сплава после переплава.
2.2. Методы изучения электрохимических параметров стоматологических сплавов.
2.2.1. Измерение базовых электродных потенциалов стоматологических сплавов.
2.2.2. Термическая обработка стоматологических сплавов при электрохимических исследованиях.
2.2.3. Измерение ЭДС и плотности тока контактных пар стоматологических сплавов.
2.2.4. Изучение влияния обновления поверхности стоматологического сплава.
2.2.5. Изучение влияния особенностей коррозионной среды и нагрузки на электропотенциалы сплава.
2.2.6. Оценка скорости коррозии в стационарных условиях по результатам измерения токов контактных пар.
2.3. Методы изучения реакции мезенхимальных стволовых клеток человека на стоматологические сплавы.
2.4. Характеристика клинического материала и методы клинических исследований.
2.5. Статистическая обработка результатов исследования.
Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ СОБСТВЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
3.1. Сравнительное исследование структурных, механических и трибологических свойств стоматологических сплавов.
3.1.1. Сравнительная оценка механических свойств стоматологических сплавов.
3.1.2. Сравнительное исследование износостойкости стоматологических сплавов.
3.1.3. Сравнительное исследование структуры и свойств фрезерованного и литого титана.
3.1.4. Влияние термоциклирования и переплава на структуру сплава.
3.2. Сравнительные электрохимические характеристики стоматологических сплавов в разных условиях функционирования протезов.
3.2.1. Кинетика установления стационарных электропотенциалов стоматологических сплавов.
3.2.2. Электрохимические характеристики сплавов после термической обработки при нанесении керамических покрытий.
3.2.3. Влияние рН, температуры и аэрации коррозионной среды на электрохимическое поведение стоматологических сплавов.
3.2.4. Влияние действия циклической динамической нагрузки на коррозионное поведение титанового сплава.
3.3. Электрохимическое взаимодействие стоматологических сплавов с дентальными имплантатами.
3.3.1. Электрохимические характеристики контактных пар «титановый имплантат-каркас протеза».
3.3.1.1. Измерение ЭДС и токов контактных пар.
3.3.1.2. Измерение импульсов потенциалов и контактных токов при обновлении поверхности элементов контактных пар и изучение кинетики репассивации обновленной поверхности при использовании титановых имплантатов.
3.3.2. Электрохимические характеристики контактных пар никелидтитановый имплантат-каркас протеза».
3.3.2.1. Измерение ЭДС и токов контактных пар.
3.3.2.2. Измерение импульсных токов при обновлении поверхности элементов контактных пар и изучение кинетики репассивации обновленной поверхности при использовании никелидтитановых имплантатов.
3.4. Экспериментальная оценка пролиферации мезенхимальных стволовых клеток человека на металлических сплавах.
3.4.1. Оценка цитотоксичности образцов с помощью МТТ- теста.
3.4.2. Исследование влияния изучаемых образцов на эффективность пролиферации МСК.
3.5. Клиническая оценка ортопедических конструкций на металлических каркасах.
Глава 4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ
Введение диссертации по теме "Стоматология", Мушеев, Илья Урьеевич, автореферат
Актуальность исследования. В современной ортопедической стоматологии широко применяются сплавы металлов в качестве цельнолитых каркасов несъемных и съемных протезов. В России в качестве металлических конструкционных материалов распространены кобальтхромовые и никельхромовые сплавы; применение золотосодержащих сплавов незначительно. Биоинертные титановые сплавы используются значительно реже, поскольку для литья титана требуется специальное оборудование; клинического и технологического опыта работы с титановыми сплавами недостаточно.
Между тем общеизвестны превосходные свойства биосовместимости титана, легкость и прочность конструкций из титана; возможна облицовка титановых каркасов керамикой [9, 52, 69, 162, 207]. Востребованность титаносодержащих сплавов для зубных протезов увеличивается параллельно нарастанию темпов применения дентальных имплантатов, изготавливаемых в подавляющем большинстве из титана [47, 51, 74, 106, 112, 127, 141].
В последнее время кроме литья появилась возможность фрезерования титана на CAD/CAM - оборудовании после сканирования модели и виртуального моделирования протеза. В литературе недостаточно сведений о клинической эффективности технологии CAD/CAM в сравнении с методом литья титана [18, 214].
Эксплуатация зубных протезов из сплавов металлов сопряжена с возможными электрохимическими коррозионными процессами, поскольку слюна обладает свойствами электролита [16, 25, 27, 41, 50, 98, 109, 118]. Относительно титана эти процессы мало изучены. Контактное электрохимическое взаимодействие дентальных титановых имплантатов с другими стоматологическими сплавами анализировалось в немногочисленных исследованиях с применением стандартных методик [85, 138]. В последнее время появились новые возможности и методические подходы при оценке антикоррозионной устойчивости сплавов металлов, например, при трибологических исследованиях износостойкости; измерении электрохимических показателей при обновлении поверхности, при изменении характеристик искусственной слюны, при термоциклировании и, особенно, динамической нагрузке металлических конструкций [121, 133]. Появилась возможность изучения реакции клеточных культур человека на разные стоматологические сплавы [95, 235].
Вызывает большой интерес сплав титана с эффектом формовосстановления - никелид титана, из которого можно изготавливать несъемные и съемные протезы и имплантаты [35, 107, 108]. Его свойства применительно к целям ортопедической стоматологии и имплантологии не до конца изучены, особенно в сравнительном аспекте. С позиций электрохимии не проводилось обоснование выбора оптимальных сплавов для зубных протезов с опорой на имплантаты из никелида титана с эффектом формовосстановления.
Цель исследования: клинико-лабораторное обоснование применения сплавов титана и технологий их обработки в клинике ортопедической стоматологии и имплантологии.
1. Сравнить физико-механические и трибологические свойства (износостойкость) стоматологических сплавов и сплавов титана.
2. Сравнить состав, структуру и свойства титанового сплава для фрезерования протезов по технологии CAD/CAM и литьевого титана, а также свойства сплавов после переплава.
3. Выявить влияние стоматологических сплавов на пролиферативные характеристики культуры мезенхимальных стволовых клеток человека.
4. Изучить в лабораторных условиях показатели коррозионной устойчивости цельнолитых и металлокерамических протезов при использовании распространенных стоматологических сплавов и сплавов титана.
5. Установить электрохимические особенности использования имплантатов из титана и никелида титана, в том числе при нарушении (обновлении) поверхности протезов и имплантатов в процессе их эксплуатации.
6. Установить различия электрохимического поведения стоматологических сплавов при экспериментальном изменении характеристик электро-коррозионной среды (рН, степень аэрации).
7. Изучить влияние динамической нагрузки протезов и имплантатов из титана на их электрохимические показатели.
8. Провести субъективную и объективную оценку протезных конструкций из разных стоматологических сплавов, в том числе на имплантатах и изготовленных по технологии CAD/CAM, в отдаленные сроки после окончания ортопедического лечения.
Научная новизна исследования. Впервые методом наноиндентирования изучены в аналогичных экспериментальных условиях основные механические свойства: твердость, модуль упругости, процент восстанавливаемой деформации - распространенных стоматологических сплавов, сплавов титана и никелида титана. При этом впервые проведены трибологические исследования стоматологических сплавов, в том числе, титансодержащих; проведено сравнение их износостойкости и характер разрушения сплавов по данным микрофотографии.
Впервые проведено сравнение состава, структуры, физико-механических характеристик стандартных титановых заготовок для литья и фрезерования (по технологии CAD/CAM) с помощью металлографического, рентгеноструктурного анализа и измерительного наноиндентирования. Впервые с помощью локального энерго-дисперсионного анализа и полуколичественного определения химического состава, металлографии и рентген-структурного фазового анализа выявлено влияние повторного переплава стоматологического сплава на его свойства.
Впервые изучены в динамике электропотенциалы сплавов титана и никелида титана в сравнении с неблагородными и благородными стоматологическими сплавами в искусственной слюне, в том числе, после их термоциклирования при керамической облицовке протезов. Впервые установлено изменение электропотенциалов сплавов при изменении параметров (рН, аэрация) искусственной слюны и при динамической нагрузке металлических конструкций.
Впервые в сравнении исследованы электрохимические показатели контактных пар «каркас протеза - опорный имплантат» при использовании никелид титановых и титановых имплантатов и основных конструкционных сплавов для зубных протезов. Впервые при этом проведены расчеты коррозионных потерь в случае нарушения поверхности никелид титановых и титановых имплантатов, а также металлических каркасов фиксируемых на них зубных протезов.
Впервые в культуре мезенхимальных стволовых клеток человека изучена токсичность стоматологических сплавов по показателям клеточной пролиферации, адгезии и жизнеспособности.
Впервые проведено клиническое сравнение коррозионных проявлений протезов из неблагородных сплавов, литого и фрезерованного по технологии CAD/CAM титана.
Практическая значимость исследования.
Установлена идентичность состава, структуры и основных физико-механических свойств сертифицированных титановых заготовок для литья и фрезерования протезов по технологии CAD/CAM; выявлены определенные металлургические дефекты стандартных титановых заготовок. На примере неблагородного стоматологического сплава подтверждено негативное влияние повторного переплава на его структуру и физико-механические свойства при сохранении состава.
Даны основные физико-механические характеристики стоматологических сплавов, сплавов титана и никелида титана по результатам идентичных стендовых испытаний. Показаны важные для клиники различия в степени и характере износа исследованных стоматологических сплавов. Подтверждено важное для имплантологии свойство никелида титана - высокое значение упругого восстановления при его нагружении.
С позиций электрохимии показаны преимущества и недостатки различных стоматологических сплавов (включая титансодержащие) в разных условиях эксплуатации: при наличии цельнолитых или металлокерамических протезов, в том числе опирающихся на титановые или никелидтитановые имплантаты, и при нарушении их поверхности. Показана целесообразность металлокерамических протезов с полной облицовкой металлических каркасов для снижения риска развития электрохимических реакций в полости рта и уменьшения эксплуатационных ресурсов протезов.
Продемонстрирована индифферентность всех стоматологических сплавов относительно клеточной культуры мезенхимальной ткани человека, а также определенные различия в реакции мезенхимальных стволовых клеток.
Дана статистика снижения функционально-эстетических свойств зубных протезов на основе металлических каркасов из разных стоматологических сплавов, а также токсико-химических осложнений. Клинически обоснована эффективность применения протезов на литых и фрезерованных титановых каркасах при замещении дефектов зубных рядов и при использовании титановых имплантатов.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. С позиций электрохимии и профилактики токсико-химических воздействий на ткани полости рта наиболее оптимальными для протезирования на титановых и никелидтитановых имплантатах являются несъемные протезы с полной керамической облицовкой на каркасах из любого стоматологического сплава; изготовление цельнолитых необлицованных протезов на титановых имплантатах целесообразно при использовании титан- и золотосодержащих сплавов, а на никелидтитановых имплантатах — никелидтитанового или хромкольбальтового сплавов.
2. Факторами снижения коррозионной устойчивости стоматологических сплавов являются изменение РН и деаэрация слюны, низкая износостойкость и нарушение целостности поверхности протеза при его эксплуатации, а также повторный переплав сплава.
3. Функциональное нагружение металлических протезов и имплантатов вызывает значительные колебания электрохимических показателей стоматологических сплавов, как результат нарушения сплошности поверхностных оксидных пленок.
4. Титансодержащие сплавы по твердости наиболее близки к эмали зуба, но уступают по износостойкости неблагородным и золотосодержащим сплавам. Никелид титана отличается от стоматологических сплавов высоким показателем восстанавливаемой деформации при нагрузке.
5. Состав и свойства титановых сплавов для литья и фрезерования аналогичны; титановые протезы, изготовленные по технологии CAD/CAM, имеют технологические и клинические преимущества.
6. Распространенные стоматологические сплавы, сплавы титана и никелид титана не оказывают токсического воздействия на мезенхимальные стволовые клетки человека.
7. По данным клиники токсико-химические объективные и субъективные проявления при использовании неблагородных стоматологических сплавов встречаются чаще в сравнении с титансодержащими сплавами; наличие титановых имплантатов в качестве опор зубных протезов не приводит к клиническим проявлениям контактной коррозии при соблюдении тщательной гигиены полости рта.
Апробация результатов исследования. Результаты исследования доложены на Всероссийской конференции «Сверхэластичные сплавы с памятью формы в стоматологии», I Всероссийском конгрессе «Дентальная имплантация» (Москва, 2001); на I съезде Европейской конференции по проблемам стоматологической имплантологии (Львов, 2002); на VIII Всероссийской научной конференции и VII съезде СтАР России (Москва,
2002); на 5-м Российском научном форуме «Стоматология - 2003» (Москва,
2003); на Международной конференции «Современные аспекты реабилитации в медицине» (Ереван, 2003); на VI Российском научном форуме «Стоматология 2004», (Москва); на International Conference on Shape memory medical materials and new Technologies in medicine (Tomsk, 2007); на научно-практической Конференции, посвященной 35-летию образования ЦМСЧ № 119 (Москва, 2008); на V Всероссийской научно-практической конференции «Образование, наука и практика в стоматологии» по тематике «Имплантология в стоматологии» (Москва, 2008); на совещании сотрудников кафедры клинической стоматологии и имплантологии Института повышении квалификации ФМБА России (Москва, 2008).
Внедрение результатов исследования. Результаты исследования внедрены в практику работы Клинического центра стоматологии ФМБА России, Центрального НИИ стоматологии и челюстно-лицевой хирургии, национального медико-хирургического центра, клиники «КАРАТ» (Новокузнецк), клиники «ЦСП-Люкс» (Москва); в учебный процесс кафедры клинической стоматологии и имплантологии Института повышения квалификации ФМБА России, кафедры стоматологии общей практики с курсом зубных техников МГМСУ, Лаборатории материалов медицинского назначения МИСиС.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 39 печатных работ, в том числе 10 рекомендованных ВАК.
Объем и структура диссертации. Работа изложена на 265 листах машинописного текста, состоит из введения, обзора литературы, трех глав собственных исследований, выводов, практических рекомендаций, указателя литературы. Диссертация иллюстрирована 78 рисунками и 28 таблицами. Указатель литературы включает 251 источника, из которых 188 отечественных и 63 зарубежных.
Заключение диссертационного исследования на тему "Применение сплавов титана в клинике ортопедической стоматологии и имплантологии (экспериментально-клиническое исследование)"
1. Изучены в сравнении физико-механические характеристики стоматологических сплавов, важные для выбора сплавов в клинике ортопедической стоматологии и имплантологии. Твердость титановых сплавов, включая никелид титана, наиболее близка к эмали зуба и составляет 4,2 - 5,2 GPa, что в 2 раза выше твердости циркония и золота и в 2 раза ниже - кобальт содержащих сплавов. Модуль упругости титановых сплавов колеблется от 119,0 до 144,2 GPa, превышает модуль упругости циркония и золота и значительно ниже модуля упругости кобальт- и никельсодержащих сплавов; наиболее низкий показатель модуля упругости характерен для никелида титана (65,9 GPa). Степень восстанавливаемой деформации наиболее низка у циркония и золота (до 13,6%), у титановых сплавов она достигает 23,4%, у кобальт- и никельсодержащих сплавов - 27,0%; наиболее высокий показатель восстанавливаемой деформации характерен для никелида титана (40,9%).
2. Устойчивость сплавов к абразивному износу не зависит от их твердости. Сплавы могут быть разделены на три группы по износостойкости: менее стойкие - сплавы на основе титана, никелид титана и цирконий (3,25 — 8,47)«10-4ммЗ/Н,м; с удовлетворительной износостойкостью - сплавы на основе никеля или кобальта (1,75 - 7,35)в10-6мм3/н*м и наиболее стойкий -сплав на основе золота (2,45)*10-7ммЗ/Н*м.
3. По данным металлографии, рентгенструктурного фазового анализа и наноиндентирования структура и механические свойства титанового сплава для литья и фрезерования протезных конструкций идентичны. Литье и повторный переплав стоматологических сплавов не влияет на их состав, однако, переплав приводит к негомогенности состава, снижению модуля упругости, появлению неметаллических включений на поверхности сплава; последующее термоциклирование улучшает физико-механические характеристики сплавов.
4. Электродные потенциалы титановых сплавов в искусственной слюне (до +0,064 В) сопоставимы с неблагородными сплавами; электропотенциал никелида титана в 2 раза выше (+0,134 В). Наиболее высокий электродный потенциал характерен для золотосодержащего сплава (+0,303 В), самый низкий для циркония (-0,046 В). Наибольшая скорость формирования защитных оксидных слоев и установления электродного потенциала - у кобальтхромового сплава, наименьшая - у циркония.
5. Электропотенциалы и коррозионная устойчивость стоматологических сплавов после термоциклирования при изготовлении металлокерамических протезов увеличиваются в 2-19 раз, достигая значений +0,300 В за исключением циркония (+0,052 В). Наибольшая скорость формирования термической оксидной пленки характерна для никель-, кобальт- и титансодержащих сплавов; наименьшая - для циркония.
6. Отклонение в кислую или щелочную сторону рН модельной коррозионной среды в сочетании с её деаэрацией и увеличением температуры вызывает изменения электропотенциалов титанового сплава в интервале до 0,200 В, снижающее его коррозионную устойчивость. Неблагородные сплавы (на примере кобальтхромового) в этих условиях проявляют более выраженные отклонения стационарных электрохимических характеристик.
7. По данным электрохимической вольтамперометрии и сканирующей электронной микроскопии циклическая динамическая нагрузка титанового сплава свыше 300 МПа вызывает значительное (до 30%) снижение его электродного потенциала и флюктуации анодного тока, соответствующие периодическому нарушению сплошности оксидной пленки. При этом скорость коррозии в модельном растворе в 2 раза быстрее, чем на воздухе (соответственно скорость распространения коррозионно-усталостной трещины по данным электронно-сканирующей микроскопии экспериментальных изломов 8,75*10-5мм/с и 4,0* 10-5мм/с). Выявлен «эффект натренированности» сплава (снижение амплитуды флюктуаций с увеличением количества циклов нагружения).
8. При контакте титановых имплантатов и металлических каркасов протезов при использовании всех сплавов устанавливаются низкие значения электродвижущей силы (до 27,5 МВ через 30 минут контакта в модельном растворе) и контактных токов (<0,1мкА/см2), а скорость коррозии не превышает (6-8)в10-4мм/год, при которой все сплавы относятся к первой группе стойкости («совершенно стойкие»),
9. При нарушении (обновлении) поверхности металлических каркасов протезов на титановых имплантатах или самих титановых имплантатов средние значения импульсов контактных токов находятся в пределах 60-200 мкА/см2, а полная репассивация обновленной поверхности не превышает 4 секунд. Наименьшие значения импульса контактного тока регистрируются при использовании в протезах титансодержащих сплавов, циркония и золота, а также никелида титана. В соответствии с расчетами скорости коррозии при длительном режиме обновления поверхности и импульсных значениях контактного тока 300 мкА/см2 возможны коррозионные проявления при использовании кобальт- и никельсодержащих сплавов.
10. При контакте никелидтитановых имплантатов и металлических каркасов протезов плотность тока контактной пары превышает 0,1 мкА/см2 при использовании в протезе лигированных титановых сплавов, циркония и, особенно, золота (1,0 мкА/см2). Скорость коррозии при этом не велика (10-3-10-2мм/год), при которой сплавы относятся к второй группе стойкости («весьма стойкие»).
11. Обновление (нарушение) поверхности металлического каркаса протеза или никелидтитанового имплантата приводит к всплеску и увеличению в десятки и сотни раз (в зависимости от состава сплава) плотности тока на обновленной поверхности (от 0,2 до 800,0 мкА/см2) со скоростью репассивации от нескольких секунд до 2 минут. В соответствии с расчетами коррозионных потерь систематическое нарушение поверхности протезов из циркония, легированного титана и золотосодержащего сплава на никелидтитановых имплантатах или самих имплантатов может снизить эксплуатационные ресурсы протезной конструкции.
12. В культуре мезенхимальных стволовых клеток (МСК) человека по данным МТТ-теста цитотоксичность стоматологических сплавов не выявлена: оптическая плотность элюата (не менее 95%), скорость пролиферации и жизнедеятельности МСК (троекратный прирост за неделю) сопоставимы с контролем. На никелиде титана скорость пролиферации незначительно ниже; лучшие показатели у титана и золотосодержащего сплава.
13. В отдаленные сроки, после окончания протезирования косвенные электрокоррозионные проявления (изменение блеска, цвета, окклюзионных контактов протезов) встречаются чаще при наличии окклюзионных контактов цельнолитых протезов из кобальтохромового сплава на титановых имплантатах. Наименее подвержены электрохимическим изменениям полностью облицованные металлокерамические протезы и протезы из фрезерованного титана. При клинической оценке пародонта и периимплантатных тканей, а также при анализе субъективных ощущений не выявлено токсико-химическое воздействие протезов, в том числе на имплантатах, при адекватном гигиеническом уходе за полостью рта.
1. Титановые сплавы рекомендуются для применения в качестве конструкционных материалов металлокерамических зубных протезов и дентальных имплантатов; никелид титана имеет физико-механические преимущества при выборе материала для внутрикостных имплантатов.
2. Для профилактики электрохимических и коррозионных проявлений при использовании металлических протезных конструкций на дентальных имплантатах рекомендуется:
- избегать повреждений поверхности имплантатов или металлических каркасов опирающихся на них протезов,
- отдавать предпочтение металлокерамическим протезам с полной облицовкой их поверхности,
- не допускать повторного переплава стоматологических сплавов для изготовления каркасов зубных протезов,
- избегать подвижности металлических протезных конструкций на имплантатах,
- избегать перегрузки металлических протезных конструкций и имплантатов,
- предупреждать развитие воспалительных явлений в периимплантатных тканях и пародонте, осуществляя диспансерные лечебно-профилактические мероприятия.
3. При использовании титановых имплантатов рекомендуется изготовление металлокерамических протезов как из неблагородных, так и титановых и золотосодержащих сплавов; для цельнолитых протезов без облицовки с опорой на титановые имплантаты допустимо использование сплавов титана (в том числе, никелида титана), циркония и золота.
4. В контакте с имплантатами из никелида титана рекомендуется использование цельнолитых и облицованных протезов из никелида титана и кобальтхромовых сплавов; применение титана и никельхромовых сплавов допустимо при их полной облицовке керамикой.
5. При необходимости использования протезов из титановых сплавов рекомендуется технология виртуального моделирования и компьютеризированного фрезерования металлических каркасов CAD/CAM.
6. Для изучения износостойкости новых стоматологических сплавов рекомендуется, дополнительно к определению показателей прочности, проводить комплексные трибологические исследования.