On Ca2+ incorporation and nanoporosity of titanium surfaces and the effect on implant performance

DSpace Repository

On Ca2+ incorporation and nanoporosity of titanium surfaces and the effect on implant performance

Show full item record

Files for download

Not including papers
Facebook

Simple item record

Publication Doctoral Thesis
Title On Ca2+ incorporation and nanoporosity of titanium surfaces and the effect on implant performance
Author(s) Fröjd, Victoria
Date 2010
English abstract
Introduction: Titanium implants are commonly used as replacements for missing teeth with successful long-term performance. The aim of the research performed in the field is to enable successful osseointegrated implant treatments for compromised as well as healthy bone beds, and to establish a rapid osseointegration to shorten the treatment period for the patients. In some cases bone resorption occurs around oral implants and the surrounding conditions may alter when surfaces aimed at being integrated in the bone are exposed to the extensive oral microbiota. Biofilms are most probably constantly present on exposed intraoral sur-faces but may during certain conditions be associated with pathological conditions in the surrounding tissues. Implant treatments depend on a stability through the osseointegration, as well as a sealing of oral mu-cosa for the defence against extensive biofilm accumulation. Aims: The present thesis has aimed at investigating the impact on os-seointegration of Ca2+ incorporation to anodized titanium surfaces for osseointegration, and whether Ca2+ incorporation would compensate for potential shortcomings of a minimal surface roughness. We have further aimed at investigating the adhesion of oral mucosa to nanoporous TiO2 surfaces clinically as well as histologically, and at evaluating the bacte-rial adhesion and biofilm formation on the test surfaces in vitro. Methods: The osseointegration of smooth (average height deviation <0.5 µm) and moderately rough (average height deviation 1-2 µm) Ca2+ incorporated anodically oxidized surfaces, minimally (average height deviation 0.5-1 µm) and moderately rough anodically oxidized surfaces, and minimally and moderately rough Al2O3 blasted surfaces, was inves-tigated with a rabbit model in two studies: one histological and one combined biomechanical and histological study. Oral mucosa adhesion to sol-gel derived, smooth nanoporous TiO2 coated and turned surfaces with similar microtopography was investigated in an experimental study in humans, where the samples were evaluated clinically and histologi-cally at three different levels of resolution. All histological sections were evaluated both quantitatively and qualitatively. To study bacterial adhe-sion and biofilm formation on the surfaces as well as the possibility to mechanically remove adhered bacteria with a smooth toothbrush with-out dentifrice, multi-species bacterial models (with or without the pres-ence of saliva) combining 16S rRNA fluorescence in situ hybridization and confocal laser scanning microscopy were used. Surface topography and chemistry was characterized using optical interferometry, scanning electron microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, and atomic force microscopy. Results: Smooth Ca2+ incorporated anodically oxidized implants had significantly more bone in contact compared to minimally rough anodic oxidized and blasted implants when placed in rabbit tibia. Moderately rough Ca2+ incorporated anodically oxidized implants had significantly higher removal torque compared to moderately rough anodically oxidi-zed and smooth Ca2+ incorporated anodically oxidized implants, and, at the same time, the removal torque of smooth Ca2+ incorporated anodi-cally oxidized implants did not significantly differ from that of moder-ately rough blasted or anodic oxidized surfaces when placed in rabbit tibia. Nanoporous TiO2 coated abutments had significantly more oral mucosa in contact with the surface as well as significantly less marginal bone resorption when only stable implants were evaluated compared to turned control surfaces. The clinical appearance was, furthermore, as-sumed to be advantageous for the nanoporous surfaces. Increasing the surface roughness led to larger biofilm biovolumes in vitro. At the same time, Ca2+ incorporation tended to decrease biofilm formation when compared to control surfaces. Nanoporosity or Ca2+ in-corporation did not seem to effect biofilm formation when compared to turned surfaces. Moderately rough blasted surfaces generally adhered largest biofilm biovolumes and presented the greatest amount of remain-ing bacteria after mechanical cleaning. Conclusions: Within the limits of the studies in the present thesis, Ca2+ incorporation may enhance osseointegration and compensate for mini-mal surface roughness in rabbit tibia. Nanoporosity may hold advanta-ges for oral mucosa adhesion; however, no clear conclusions can be drawn. Increased surface roughness may increase bacterial adhesion and biofilm biovolume in vitro, and moderately rough blasted surfaces were most difficult to clean from adhered bacteria.
Swedish abstract
Dentala implantat är en väletablerad behandling för att ersätta förlorade tänder med långsiktigt goda resultat. Det finns en uppsjö av implantat med olika ytor på marknaden och bakom dessa ligger stora forskningssatsningar. Aktuell forskning syftar till att leda fram till nya ytor med fördelaktiga egenskaper jämfört med dagens ytor avseende inläkningen i benet och kontakten med den orala slemhinnan, för att även kunna behandla patienter med sämre läkförmåga samt för att förkorta behandlingstiden för samtliga patienter. Forskning syftar dessutom till att kartlägga mekanismerna för osseointegration och till att förstå inläkningen av implantat på en molekylär och cellulär nivå. En moderat rå yta är vanligen förekommande på kommersiella implantat då djurstudier har visat att en råare yta stimulerar benceller i större utsträckning, har mer ben i kontakt samt retineras hårdare av benet vid urvridningsförsök i större utsträckning än en slät yta. Ytorna är även i flertalet fall kemiskt modifierade och framförallt en modifierad kemi har föreslagits ge en yta egenskaper av en bioaktiv natur. Bioaktivitet är ett frekvent använt uttryck vilket kan spegla en kemisk bindning mellan exempelvis en implantatyta och omgivande vävnader (vilket idag ej har kunnat påvisas) eller en effekt på omgivande vävnader (exempelvis attraktion av specifika proteiner eller benceller). Ytegenskaperna syftar, sammanfattningsvis, till att påskynda läkningsprocessen och eventuellt förbättra inläkningen av implantaten. Något att alltid ha i åtanke vid patientrelaterad forskning eller behandling är eventuella konsekvenser med en negativ influens på patienten. I fallet med dentala implantat är en konsekvens bennedbrytning kring implantaten och därmed en större blottlagd implantatyta exponerad för munhålans bakterierika miljö. Biofilmer etableras i stort sett direkt på ytor om möjligt, då det finns flera fördelar för majoriteten av bakterier att leva i en biofilm. Friska tillstånd är starkt kopplade till en mikrobiologisk balans, det vill säga att det inte är en dominans av bakterier med sjukdomsorsakande egenskaper. Då balansen av någon anledning rubbas, förslagsvis på grund av en okontrollerbart stor mängd bakterier, stimulering av bakterier att utveckla sjukdomsframkallande egenskaper eller ett nedsatt försvar hos värden, kan biofilmer orsaka sjukdomstillstånd. Att en implantatyta inte ökar risken för att biofilmer med sjukdomsframkallande karaktär etableras på ytan är viktigt och bör utredas. Det är idag inte säkerställt vilka eller överhuvudtaget om det finns ytegenskaper med positiva eller negativa effekter på biofilmsetableringen. Ökad ytenergi och framförallt ökad ytråhet har dock kopplats till en ökad bakterievidhäftning. Den aktuella avhandlingen har syftat till att utreda hur kalciumjoner i ett förtjockat titanoxidlager påverkar inläkningen i ben genom att installera implantat i kaninben och sedan utvärdera dessa genom histologiska snitt samt genom biomekanisk urvridning. Resultaten blev att kalciummodifieringar ledde till mer benkontakt med ytan samt en starkare retention vid urvridning. Det var heller ingen skillnad i retention mellan släta kalciummodifierade implantat och moderat råa implantat. Inom avhandlingen har även effekten av nanoporositet för inläkning i munslemhinna studerats genom en experimentell studie i människa. En klinisk uppskattning framhöll fördelar för den nanoporösa ytan jämfört med den ickemodifierade kontrollytan och histologiskt hade den nanoporösa ytan mer vävnad i kontakt. För att utvärdera olika ytor avseende bakterievidhäftning och biofilmbildning sattes bakterielösningar till ytorna och sedan fick dessa fästa till ytan under två eller 14 timmar. Även filtersteriliserad saliv och helsaliv från en frisk individ användes i studierna. Resultatet blev att en ökad ytråhet tenderade till att öka bakterievidhäftningen och biofilmbildningen på ytan samt att en större mängd bakterier fanns kvar på moderat råa ytor jämför med släta efter rengöring. Sammanfattningsvis kan möjligen en specifik ytkemi kompensera för en minimal ytråhet, vilket eventuellt minskar risken för etablering av sjukdomsframkallande biofilmer på ytorna om dessa exponeras i munhålan. Nanoporösa ytor har möjligen en positiv influens på anslutningen av mjukvävnad mot implantatytan, vilket är av betydelse för en god estetik samt för skydd mot utbredningen av biofilmer.
Publisher Malmo University, Department of Prosthodontics
ISBN 91-7104-315-2
Pages 126 s
Language eng (iso)
Subject(s) dental implants
osseointegration
biofilms
oral mucosa
Medicine
Research Subject Categories::ODONTOLOGY
Research Subject Categories::MEDICINE
Note University of Gothenburg, Department of Biomaterials/Handicap Research
Included papers
  1. Increased bone contact to a Ca2+ incorporated oxidized c.p. titanium implant: an in vivo study in rabbit. Fröjd V, Franke-Stenport V, Meirelles L, Wennerberg A. 2008. Int J Oral Maxillofac Surg 37(6): 561-6.

  2. Importance of Ca2+ modifications for osseointegration of smooth and moderately rough anodized titanium implants – a removal torque and histological evaluation in rabbit. Fröjd V, Wennerberg A, Franke-Stenport V. 2010. Accepted for publication in Clin Impl Dent Relat Res.

  3. Nanoporous TiO2 thin film on titanium oral implants for enhanced human soft tissue adhesion - a histological evaluation in three different levels of resolution. Wennerberg A, Fröjd V, Olsson M, Nannmark U, Emanuelsson L, Johansson P, Yvonne J, Kangasniemi I, Peltola T, Tirri T, Pänkäläinen T, Thomsen P. 2011. Clin Impl Dent Relat Res 13(3):184-96.

  4. In situ analysis of biofilm formation on titanium surfaces. Fröjd V, Chavéz de Paz L, Andersson M, Wennerberg A, Davies J, Svensäter G. Submitted.

  5. Microbial biofilm formation on smooth nanoporous TiO2 coated and anodized Ca2+ modified and titanium surfaces. Fröjd V, Linderbäck P, Wennerberg A, Svensäter G, Davies J. Submitted.

Handle http://hdl.handle.net/2043/10781 (link to this page)
Buy print http://webshop.holmbergs.com...10781 (print-on-demand service)

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record

Search


Browse

My Account

Statistics