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Cosa hanno in comune le automobili, le tute spaziali e gli impianti? Tre cose da sapere sulla chimica della superficie.

A cura di Chris Kendall

Lo si può dare scontato, ma la chimica della superficie ha un impatto sulla vita di ogni giorno, anche sugli impianti dentali. Sono 3 le cose da sapere sulla chimica della superficie.

Qual è la prima cosa che viene in mente pensando alla superficie dell'impianto dentale?

La ruvidità della superficie dell'impianto?

La topografia?

La forma del corpo e delle filettature? 

Chi si interessa della superficie degli impianti, avrà approfondito per anni il tema della ruvidità della superficie. Dopo tutto, la ruvidità è un fattore chiave per la percentuale di osteointegrazione.1

Ma è arrivato il momento di andare oltre. Allungando lo sguardo al di là della geometria e della topografia si scopre che ciò che conta davvero è la chimica. Per chi ama la scienza e la tecnologia, si tratta di un settore affascinante che ha un impatto sulla vita di ogni giorno; questo vale anche per le caratteristiche chimiche degli impianti dentali che si utilizzano per effettuare trattamenti implantari che, grazie alla loro buona riuscita, migliorano la vita dei pazienti.

Ecco tre cose interessanti da sapere sulla chimica della superficie, in odontoiatria e non solo. 

La chimica della superficie determina le reazioni chimiche, anche negli impianti

In poche parole, la chimica della superficie è la composizione chimica della superficie. Si può immaginare la superficie di un materiale come una "frontiera" di atomi, che incontra gli atomi di un altro materiale. La chimica della superficie determina quali reazioni chimiche avranno luogo a livello dell'interfaccia con altre molecole (solide, liquide o gas).2

Nel caso degli impianti dentali quindi, determina la reazione chimica che ha luogo tra la superficie dell'impianto e le cellule e le proteine.

La superficie adsorbirà, assorbirà o desorbirà l'altra sostanza?

Vi sarà uno strato idrofilo o idrofobo?

Cristallizzerà? Catalizzerà? La superficie dell'impianto dentale e quella dell'abutment formeranno legami chimici con le proteine? La chimica della superficie sarà decisiva.

La chimica della superficie è interessante, ma applicare ciò che si conosce, controllare la chimica della superficie, trarre vantaggio dalle reazioni chimiche per mezzo della tecnologia ed essere in grado di applicare ciò che si conosce al fine di ottenere risultati clinici di alto livello, è entusiasmante.

La chimica della superficie conta, negli oggetti d'uso quotidiano, nei viaggi spaziali, nel trattamento odontoiatrico

Osserviamo la chimica della superficie nel suo contesto. Non si tratta solo di una specialità di nicchia per l'implantologia, come si vedrà, la chimica svolge un ruolo in una molteplicità di tecnologie, settori e produzioni. Ecco qualche esempio:

Teflon™. Nel teflon (politetrafluoroetilene) è presente una catena di legami talmente forti tra gli atomi di carbonio e quelli di fluoro che è difficile per altri atomi legarsi alla superficie.3  Conosciuto soprattutto per le padelle antiaderenti, deve la sua fama al fatto di essere stato utilizzato come materiale di protezione per le tute spaziali nella missione Apollo. Può essere presente come strato protettivo anche in dispositivi medici e strumenti chirurgici.

- Marmitte catalitiche. Nelle automobili, la superficie della marmitta catalitica è rivestita da catalizzatori che, a contatto con i gas di scarico, provocano l'ossidazione del monossido di carbonio e degli idrocarburi riducendo l'ossido di azoto.4  

- Tecnologia basata su semiconduttori. I microchip presenti nei telefoni, nei computer e praticamente in qualunque dispositivo digitale, contengono milioni di transistor realizzati con complicati processi chimici tra cui deposizione chimica da vapore, cristallizzazione e mordenzatura.2

L'elenco delle applicazioni della chimica della superficie si allunga sempre più. Ma perché è importante per gli impianti dentali e gli abutment?

La chimica della superficie conta ai fini dell'integrazione tra tessuto e impianto

In sintesi, la composizione chimica della superficie dell'impianto attiva la reazione con cellule e proteine.

Naturalmente, gruppi funzionali molecolari diversi reagiscono in modi differenti e potrebbero favorire o inibire l'integrazione del tessuto. Per un dispositivo medico nel quale sia necessario evitare l'adesione proteica, si può pensare a una superficie costituita da uno strato idrofobo. Ma per posizionare un impianto dentale, è necessaria una reazione chimica che crei punti di attacco per l'osso e il tessuto molle.1

Un sistema per alterare la composizione chimica della superficie dell'impianto dentale è l'anodizzazione. Per rendere l'idea, il processo di anodizzazione consiste nell'immergere l'impianto in titanio in un liquido elettrolitico e fare attraversare il tutto da una corrente elettrica. In questo modo aumenta lo spessore dello strato di ossido di titanio e si modifica la topografia.1 Se al liquido elettrolitico si aggiungono molecole specifiche, queste possono attaccarsi all'ossido e modificare la chimica della superficie, definendo le reazioni chimiche che hanno luogo quando la superficie viene a contatto con il tessuto.1 È risultato che elementi particolari si associano a migliori prestazioni biologiche delle superfici metalliche.5,6,7     

Una caratteristica importante è la presenza sulla superficie di gruppi idrossili (OH), di cui è stata dimostrata la capacità di promuovere l'osteointegrazione e la formazione ossea.8,9,10 Più gruppi idrossili sulla superficie significano più punti di attacco per il fibrinogeno che induce la formazione dei coaguli di sangue, e la ricerca ha individuato un numero più elevato di gruppi idrossili sulle superfici anodizzate rispetto agli impianti sabbiati e mordenzati.11

Un'altra proprietà chimica della superficie che può avere un impatto sull'integrazione dei tessuti è l'idrofilia.12,13 La capacità delle cellule di attaccarsi alla superficie dipende dall'assorbimento proteico,11 e molti studi hanno dimostrato che l'attacco alle proteine tende a essere migliore con le superfici idrofile rispetto a quelle idrofobe.1

Uno sguardo al futuro

Per decenni, il dibattito sulle superfici degli impianti è stato dominato dalla topografia della superficie. Con il progredire della più ampia disciplina della chimica della superficie però, e con la grande quantità di applicazioni pratiche, i sistemi implantari dovrebbero scegliere la via che consente di influenzare la superficie a livello molecolare. Chiunque desideri favorire e ottenere con nuovi strumenti una rapida integrazione del tessuto, osseo e molle, deve prendere in considerazione la chimica della superficie.

Bibliografia

1 Bauer S, Schmuki A, von der Mark K, Park J, Engineering biocompatible implant surfaces Part I: Materials and surfaces, Progress in Materials Science 58 (2013) 261–326

2 Gabor A.S, Y. L. (2011, January 18). Impact of surface chemistry. PNAS, 108(3), pp. 917-924

3 Tzoraki O, Lasithiotakis M Environmental Risks Associated with Waste Electrical and Electronic Equipment Recycling Plants Reference Module in Earth Systems and Environmental Sciences, 2018 https://doi.org/10.1016/B978-0-12-409548-9.10980-7  

4 Taylor K.C. (1984) Automobile Catalytic Converters. In: Anderson J.R., Boudart M. (eds) Catalysis. Catalysis (Science and Technology), vol 5. Springer, Berlin, Heidelberg doi: https://doi.org/10.1007/978-3-642-93247-2_2

5 Zhang BG, Myers DE, Wallace GG, Brandt M, Choong PF. Bioactive coatings for orthopaedic implants-recent trends in development of implant coatings. Int J Mol Sci 2014; 15: 11878-11921

6 Park J-W, Kim Y-J, Jang J-H, Kwon T-G, Bae Y-C, Suh J-Y. Effects of phosphoric acid treatment of titanium surfaces on surface properties, osteoblast response and removal of torque forces. Acta Biomaterialia 2010; 6: 1661-1670.  

7 Park J-W, Kim Y-J, Jang J-H. Enhanced osteoblast response to hydrophilic strontium and/or phosphate ions-incorporated titanium oxide surfaces. Clinical Oral Implants Research 2010; 21: 398-408

8 Fujibayashi S, Neo M, Kim HM, Kokubo T, Nakamura T. Osteoinduction of porous bioactive titanium metal. Biomaterials 2004; 25: 443-450.

9 Lai HC, Zhuang LF, Zhang ZY, Wieland M, Liu X. Bone apposition around two different sandblasted, large-grit and acid-etched implant surfaces at sites with coronal circumferential defects: an experimental study in dogs. Clin Oral Implants Res 2009; 20: 247-253.

10 Zhao G, Schwartz Z, Wieland M, Rupp F, Geis-Gerstorfer J, Cochran DL, Boyan BD. High surface energy enhances cell response to titanium substrate microstructure. J Biomed Mater Res A 2005; 74: 49-58

11 Kang BS, Sul YT, Oh SJ, Lee HJ, Albrektsson T. XPS, AES and SEM analysis of recent dental implants. Acta Biomater 2009; 5: 2222-2229.

12 Smeets R, Stadlinger B, Schwarz F, Beck-Broichsitter B, Jung O, Precht C, Kloss F, Gröbe A, Heiland M, Ebker T, Impact of Dental Implant Surface Modifications on Osseointegration, BioMed Research International, vol. 2016, Article ID 6285620, 16 pages, 2016. https://doi.org/10.1155/2016/6285620.

13 Rupp F, Liang L, Geis-Gerstorfer J, Scheideler L, Hüttig F Surface characteristics of dental implants: A review.
Dent Mater. 2018 Jan;34(1):40-57 Disponibile su PubMed
 

Nobel Biocare è leader mondiale nella produzione di soluzioni implantoprotesiche innovative. La gamma di prodotti dell’azienda offre soluzioni implantari per edentulia singola, parziale e totale (tra cui i marchi chiave NobelActive® e NobelParallel™ e l'impianto in ceramica NobelPearl™*), una gamma completa di protesi individualizzate di elevata precisione e sistemi CAD/CAM (NobelProcera®), soluzioni per diagnostica, pianificazione del trattamento e chirurgia guidata (NobelClinician® e DTX Studio™ suite) e biomateriali. Nobel Biocare supporta i suoi clienti in tutte le fasi di sviluppo professionale, offrendo corsi di formazione di elevata qualità, supporto per la crescita dell’attività e materiale informativo per i pazienti. La sede centrale dell’azienda si trova a Zurigo, Svizzera. La produzione avviene in quattro unità produttive negli Stati Uniti, Svezia e Giappone.  I prodotti e i servizi sono disponibili in più di 80 paesi attraverso filiali e distributori. *Distribuito da Nobel Biocare. Prodotto da Dentalpoint AG.