Cómo afecta la microestructura superficial del implante a la capacidad de oseointegración: revisión bibliográfica

UNIVERSIDAD DE SEVILLA FACULTAD DE ODONTOLOGÍA Departamento de Estomatología CÓMO AFECTA LA MICROESTRUCTURA SUPERFICIAL DEL IMPLANTE A LA CAPACIDAD DE OSEOINTEGRACIÓN: REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA Dulce María Bellido Crespo TRABAJO FIN DE GRADO DE ODONTOLOGÍA Curso 2017-2018 ! ! ! ! ! ! ! ! A mi familia, a Manuel y a mis compañeros, gracias por acompañarme en este viaje inesperado. A mi tutor, el Dr Pedro Bullón, gracias por su paciencia. “La humildad es el motor del saber. Casi siempre los sabios son muy humildes, no dejan nunca pasar de largo la ocasión de curarse de la arrogancia o del fantasma de la omnipotencia.” (Charles Pépin) ! ! ÍNDICE DE CONTENIDOS RESUMEN…………………………………………………………………………….......pgn:1 INTRODUCCIÓN……..………………………………………………………….............pgn:2 1-Oseointegración………………………………………………………...…….............pgn:2 2-Titanio……………….………………………………………………..………............pgn:3 3-Diseño………………….……………………………………………….......................pgn:4 OBJETIVOS…………..…….…………………………………………………………….pgn:7 MATERIAL Y MÉTODOS…..……………………………………………………………pgn:8 RESULTADOS Y DISCUSIÓN………….……………………………………..................pgn:9 1-Propiedades bioactivas del titanio………………………………………..……........pgn:9 1.1. Topografía………………………………………………………………………..pgn:9 a) Macrotopografía………………………………………………………….........pgn:11 b) Microtopografía………………………………………………………………..pgn:11 c) Nanotopografía………………………………………………………………....pgn:12 1.2. Humectabilidad………………………………………………………………...pgn:14 1.3. Química……………………………………………………………………........pgn:16 2-La superficie biomimética..………………………………………………………...pgn:16 3-Efecto sinérgico de las propiedades bioactivas……………………………………pgn:16 4-Tratamientos superficiales…………………………………………………............pgn:18 4.1. Mecánicos……………………………………………………………...…..........pgn:18 4.2. Químicos…………………………………………………………………...........pgn:18 4.3. Físicos……………………………………………………………………...........pgn:20 CONCLUSIONES...………………………………………………………………..........pgn:23 BIBLIOGRAFÍA...……………………………………………………………………....pgn:24 1! ! RESUMEN Introducción: el éxito del implante dental depende en gran medida de las características químicas, físicas, mecánicas y topográficas de su superficie; ya que determinan la actividad de las células que se adhieren a la superficie del implante. Por tanto, la composición química, humectabilidad, geometría, topografía, rugosidad, energía superficial, nanoestructuras y el recubrimiento con materiales bioactivos tienen un impacto sustancial en la tasa y calidad del proceso de oseointegración. Metodología: Se realizan 2 búsquedas mediante la base de datos de MedLine con el motor de búsqueda Pubmed. Se obtuvieron 87 y 25 resultados una vez aplicados los límites de inclusión y exclusión; finalmente seleccionamos seleccionamos 29 artículos. Resultados y conclusiones: la humectabilidad, la química, la topografía y la combinación de estas propiedades determinan la calidad y grado de osteointegración. Valores moderados de hidrofilia (30◦-60◦) y rugosidad (Sa=1-2µm) favorecen la oseointegración pero aún desconocemos los mecanismos biológicos subyacentes. La investigación actual sigue los enfoques biomiméticos: imitar la configuración 3D de la superficie ósea. Palabras clave: Oseointegración, Implante dental, Superficie, Diseño ABSTRACT Introduction: The success of a dental implant is highly dependent on its chemical, physical, mechanical, and topographic characteristics of its surface; because they determine the activity of the attached cells that are close to the dental implant surface. Therefore, the chemical composition, wettability, geometry, topography, roughness, surface energy, nanostructures and the coating with bioactive materials have a substantial impact on the rate and quality of the osseointegration process. Methodology: we performed 2 seraches using the MedLine database with the Pubmed search engine. We obtained 87 and 25 results once we applied the inclusion and exclusion limits; and finally we select 29 articles. Results and conclusions: Wettability, chemistry, topography and the combination of these properties determine the quality and degree of osseointegration. Moderate values of hydrophilicity (30◦-60◦) and roughness (Sa = 1-2 µm) favor osseointegration but we still don´t know the underlying biological mechanisms. Current research follows biomimetic approaches: imitate the 3D configuration of the bone surface. Keywords: Osseointegration, Dental implant, Surface, Design 2! ! INTRODUCCIÓN Oseointegración La fusión del hueso al titanio fue descrita en 1940 por Bothe1, más tarde fue Leventhal2 quien demostró que el titanio no causaba reacción tisular y que serviría en el futuro como un metal ideal para las prótesis. Tras un tiempo considerable, en 1969, el científico sueco Brånemark acuñó el término oseointegración 3-4-5-6: “formación de una interfaz directa entre implante y hueso sin interposición de tejido blando a nivel de la microscopía óptica” y el científico suizo André Schroeder lo demostró histológicamente describiéndolo como “anquilosis funcional”; sin intervención del tejido conectivo entre el hueso y la superficie del implante7. Zarb & Albrektsson lo describieron como "un proceso por el cual se logra y mantiene la fijación rígida, clínicamente asintomática, de materiales aloplásticos en el hueso durante la carga funcional”8. Dicha fusión funcional y estructural de la superficie del implante con el hueso circundante jugará un papel crucial en la longevidad y función de la futura prótesis9. Durante la cicatrización ósea ocurren una serie de eventos biológicos: 1-Absorción de proteínas: los osteoblastos requieren interacciones específicas para adherirse, proliferar y diferenciarse, las cuales se definen por el número y tipo de proteínas adsorbidas que a su vez dependen de la naturaleza fisicoquímica y topográfica de la superficie del implante10-11-12-13. De modo que las características superficiales pueden inhibir la adsorción de proteínas que facilitan la migración de células que desencadenan la fibrointegración. 2-Interacción celula-proteína: Los sitios donantes de electrones en la superficie del osteoblasto interactúan con los sitios aceptores de electrones en la superficie del óxido de titanio, lo que resulta en la adhesión y diferenciación de los osteoblastos14-15. La adhesión celular entre el hueso y la superficie del implante es el evento biológico más importante y está mediado por integrinas de membrana y proteínas citoplásmicas que unen la matriz extracelular al citoesqueleto16. Las adhesiones focales (estructuras dinámicas multiproteicas que median la adherencia de la célula al sustrato ó matriz extracelular) regulan la adhesión, migración, proliferación, diferenciación y apoptosis celular16. La interfaz absorbe fluido tisular y proteínas de unión celular, permitiendo ser sustituída por hueso recién formado y una capa de cemento rico en proteínas no colágenas, que será responsable de la unión biológica del hueso a la superficie de titanio, pero para ello, necesita estabilizarse mediante el bloqueo mecánico9. En general, la adhesión celular está mediada por varios mecanismos14-16: -Interacciones específicas entre los receptores de la superficie celular y las moléculas específicas del ligando que son absorbidas, depositadas o secretadas sobre el biomaterial; -Fuerzas no explícitas como Van der Waal y fuerzas electrostáticas; 3! ! -Anclaje mecánico a las estructuras micro y nanotopográficas de la superficie del implante. Las células interactúan con la capa proteica ubicada en la superficie del implante pero las interacciones biológicas son dictadas principalmente por las características fisicoquímicas del implante NO por la capa proteica14. Ramaglia17 demostró que los osteoblastos cambian la expresión de la integrina según la composición química y el grado de rugosidad superficial10. 3-Formación de una matriz ósea provisional. Distinguimos 2 tipos de osteointegración: 1) Osteogénesis de contacto (Osborn18), en la que se produce un contacto progresivo entre el hueso neoformado desde la periferia del lecho hasta la superficie del implante (ocurre en superficies mecanizadas, la matriz provisional no soporta la migración de los osteoblastos); 2) Neoformación ósea u osteogénesis a distancia (Davies19) donde los osteoblastos migran a la superficie del implante a través del andamio de fibrina y forman hueso nuevo desde el implante hasta las paredes del lecho (ocurre en superficies osteoconductivas, soportan la migración de osteoblastos al implante porque la fuerza de adhesión de fibrina es mayor)10. La implantología ha avanzado a pasos agigantados a lo largo de varias décadas, siendo la base de múltiples procedimientos de rehabilitación ortopédica y dental, que han permitido restablecer función y estética y, por tanto, mejorar la calidad de vida de millones de personas3- 20-21. Las mejoras continuas en el rendimiento de los implantes dentales, actualmente con tasas de éxito superiores al 95% a los 10 años, los han hecho una de las opciones más viables para reemplazar los dientes perdidos y ha ampliado el perfil de pacientes candidato22-23-24. Sin embargo, las tasas de éxito distan de ser ideales en pacientes cuyo hueso está comprometido por enfermedades o por la edad. En realidad, el éxito de un implante dental depende en gran medida de las características químicas, físicas, mecánicas y topográficas de su superficie; ya que determinan la actividad de las células que se adhieren a la superficie del implante dental9-23. La principal fuerza motriz para los avances en la ingeniería de implantes se ha centrado en disminuir o eliminar el hiato entre colocación quirúrgica y carga funcional3-21. La mejora de los materiales implantológicos (principalmente de las superficies de titanio) y la evolución de los protocolos clínicos, no solo ha acortado los tiempos de tratamiento sino que también ha aumentado las indicaciones clínicas de la terapia con implantes como en pacientes con baja densidad ósea22. Titanio La mayoría de los implantes son de titanio pues se considera un material excelente debido a su biocompatibilidad y a sus propiedades físicas: estabilidad, resistencia y elasticidad. Al contactar con O2 se forma en su superficie una delgada capa pasiva de óxido de titanio que 4! ! protege el material del medio ambiente y de la corrosión25. Sin embargo, el hecho de que sea inerte dificulta su integración temprana con los tejidos óseos circundantes, influyendo a largo plazo en la supervivencia de los implantes26-27. Diseño La falta de enfoque secuencial y jerárquico en el diseño de implantes desafía a los ingenieros biomédicos a abordar retrospectivamente la interacción de los parámetros de diseño de forma objetiva (instrumentación quirúrgica, geometría a nivel macro/micro/nanométrico)3-27. El proceso biológico, que según Davies, es un componente principal de la osteointegración, determina el resultado exitoso o no de cualquier procedimiento implantológico y la estabilidad de la interfaz hueso-implante22-27-28; depende principalmente de la interrelación de los siguientes factores29-30-31. 1. Biocompatibilidad del material del implante 2. Naturaleza de la superficie a nivel micro/macro/nano (diseño del implante) 3. Estado del lecho del implante en un contexto de salud y morfológico (calidad ósea) 4. Técnica quirúrgica per se 5. Fase de curación en reposo (no perturbada) 6. Condiciones de carga El diseño de la superficie del implante puede contribuir a una osteointegración exitosa (o falla) de los implantes dentales según como influya en la curación temprana; pues afecta a la morfología y diferenciación celular25-32-33. La osteointegración rápida y temprana se asocia con el éxito a largo plazo del implante34-35-36-37. Las proteínas, la sangre, las células inmunes y las células osteoprogenitoras interactúan con el biomaterial, afectando finalmente a la osteointegración del implante (Claes38). Por tanto, la composición química, humectabilidad, geometría, topografía superficial, rugosidad, energía superficial, nanoestructuras y el recubrimiento con materiales bioactivos tienen un impacto sustancial en la tasa y calidad del proceso de oseointegración ya que afectan a la adhesión, proliferación, diferenciación y migración celular, por tanto, influyen en la curación endoósea periimplantaria39-40-41. Las características superficiales o topografía del implante se puede caracterizar: -A nivel macroscópico: abarca desde milímetros a micrometros. Incluye el diseño y geometría del implante (más largos y grandes), macroporos, la forma de la rosca (más profundas) y la distancia de paso de rosca (más pequeñas) son fundamentales para dar estabilidad a los implantes de modo que se maximicen las tensiones favorables y se minimicen las tensiones indeseables a lo largo de la interfaz hueso-implante42. 5! ! -A nivel microscópico: rango desde 1-10µm. El recubrimiento de la superficie del implante (incluye la rugosidad superficial), crea un microambiente que puede modular la migración, diferenciación, adherencia y función de las células, formación y mineralización de la matriz extracelular, pero está involucrado indirectamente en el proceso de osteointegración42-43-44. Las características de la superficie a escala macro y micrométrica son eficientes en la mejora de eventos biológicos pero solo tienen una influencia indirecta en la actividad celular, por lo que sus acciones y rendimientos son limitados. -Hoy en día, la mejora de la actividad de los osteoblastos en la interfaz hueso-implante depende de las características a nivel nano; abarca desde 1-100nm. Tienen la capacidad de inducir la diferenciación de las células madre a lo largo de la vía osteogénica, influyen directamente en el rendimiento biológico del implante45-46-47-48-49. Recientemente, se ha introducido en la fabricación de implantes el término "nanotecnología" que fue acuñado en 1974 por Norio Taniguchi (inspirado por Dr Phillips Feynmaan): consiste en la ciencia e ingeniería involucradas en el diseño, síntesis, caracterización y aplicación de materiales y dispositivos cuya organización funcional más pequeña, en al menos una dimensión, está en escala nanométrica (1-100nm)45-50-51. En los últimos años, el interés se ha desplazado hacia la modificación nanométrica y química de la superficie del implante y su impacto sobre la capacidad osteogénica. Además, se investiga la adición de moléculas bioactivas (material que tiene un efecto o que provoca una respuesta del tejido vivo) sobre el implante8-52. Para promover la bioactividad de los implantes podemos incorporar a la superficie fases orgánicas e inorgánicas dentro o sobre la capa de TiO2 mediante: iones (Mg, Ca, N), moléculas inorgánicas (principalmente fosfato cálcico) u orgánicas (peptidos, proteinas, enzimas, drogas)22-53. El hueso es un tejido jerárquico complejo con diferentes niveles estructurales: hueso cortical y trabecular a macroescala, osteones haversianos y laminillas a microescala, cristales de hidroxiapatita y fibras de colágeno a nanoescala. La mayoría de los implantes disponibles intentan imitar la estructura jerárquica del hueso incorporando algún tipo de modificación superficial a escala micro ó, más recientemente, una combinación de características superficiales a escala micro y nanométrica54-55-56. Albrektsson y Wennerberg57 dividieron la calidad superficial del implante en 3 categorías: i) propiedades mecánicas, ii) propiedades topográficas, y iii) propiedades fisicoquímicas. 12! ! osteocalcina (marcadores de diferenciación de osteoblastos) en superficies con valores Ra=1- 2µm, en comparación con superficies con valores Ra= 0 y 4µm79 (parecen ser subóptimas para los osteoblastos). Además, la rugosidad óptima es específica según el material y el tratamiento superficial 34. La oseointegración combina el crecimiento óseo inicial y la remodelación ósea adaptativa a lo largo del tiempo. Sobre la hipótesis de la Ta Wolff, la remodelación ósea se activa mediante una interacción cooperativa entre células osteogénicas y osteoclásticas54. El proceso de osteogénesis por contacto es similar al proceso natural de remodelación ósea, por tanto, una superficie con microtopografía que imite la configuración 3D de la superficie ósea inmediatamente tras la resorción osteoclástica promueve la formación de hueso periimplantario y, finalmente, su oseointegración y el anclaje mecánico del implante al hueso. La influencia de la rugosidad superficial se extiende más allá del nivel celular hacia el microambiente mediante la regulación de la inflamación y la remodelación ósea. En superficies microtexturizadas: las MSC producen menores niveles de citoquinas proinflamatorias y mayores de citocinas antiinflamatorias, se eleva la osteoprotegerina y aumenta el TGF-β1 que estimula la síntesis de la matriz ósea e inhibe los osteoclastos. El estudio de Olivares-Navarrete y Rodil80 sugiere que en superficies microrrugosas la subunidad β1 reconoce la rugosidad y las subunidades alfa reconocen la química superficial39. La expresión génica está influenciada por la topografía superficial: la microrugosidad evoca la expresión génica de osteopontina, osteonectina, sialoproteína ósea, colágeno III e integrinas. Los genes asociados con los procesos biológicamente relevantes de regeneración, osteogénesis, diferenciación de células mesenquimales, angiogénesis, neurogénesis y la vía de señalización Wnt varían en superficies lisas y rugosas7-81. 1c. Nanotopografía Desde una perspectiva de fabricación, muchas, si no todas, las técnicas disponibles pueden utilizarse para modelar superficies con características a nanoescala3; aunque el método quimico es el más usado. Se pueden clasificar en58: i) Métodos físicos ii) Métodos químicos iii) Deposición de nanopartículas como sol-gel y Deposición cristalina discreta; y iv) Litografía y Técnica de impresión de contacto. Hemos avanzado a una nueva etapa con la introducción del nivel nanométrico, que aumenta significativamente la respuesta biológica, ya que factores de crecimiento, proteínas y células interactúan a este nivel3. La superficie nanoestructurada es bioactiva, es decir, tiene el potencial de causar una reacción en el cuerpo vivo, a diferencia del titanio que es un material bioinerte. La superficie de TiO2 descompone las impurezas orgánicas (mayor 13! ! descontaminación cuanto menor escala) y la nanotopografía aumenta la actividad biológica debido al aumento del área superficial efectiva75. Si la microtopografía actúa en la osteointegración a nivel celular, la nanotopografía influye en las interacciones célula-implante a nivel celular y proteico71 (afecta a la adhesión, extensión, motilidad, proliferación, selectividad de adhesión y diferenciación de osteoblastos). Los cambios en la nanotopografía transmiten sus efectos a nivel físico (alteran la textura, longitud, escala y patrón superficial del implante), químico (confinamiento cuántico: exhiben configuraciones electrónicas sustancialmente diferentes) y biológico (cambia la interacción de la superficie con iones, biomoléculas y células lo que a su vez influye favorablemente en las actividades moleculares y celulares que conducen a la oseointegración)58. Altera la adsorción de proteínas, la formación de adhesión focal y la respuesta celular [Gittens, Olivares-Navarrete, Schwartz]39, lo que resulta en una promoción de la diferenciación, migración y proliferación celular, mayor adhesión de células osteogénicas y finalmente promoción de la osteointegración71. Das82 ha demostrado que sobre superficies nanorugosas mejora la adhesión, proliferación, actividad de la fosfatasa alcalina y mineralización de los osteoblastos. Se desconoce si la osteogénesis es inducida directamente por la topografía nanométrica o indirectamente por el suero, proteínas fluidas adsorbidas y/o por el aumento de la energía superficial/humectabilidad inducido por la nanotopografía. Lo más probable es que todos estos mecanismos operen sinérgicamente produciendo un efecto osteogénico14. Ideas clave de nanotecnología: -Mejora la proliferación celular y la diferenciación de los osteoblastos58. Dirige la diferenciación de las células osteoprogenitoras hacia un fenotipo osteoblástico y aumenta la adhesión y diferenciación de MSC hacia una línea osteogénica14. -Altera las interacciones proteicas y celulares pues cambia la energía superficial/humectación. -Promueve la proliferación, adhesión y motilidad celular (debido a la función de las integrinas), aumenta la expresión génica y acelera la diferenciación osteoblástica58. Influye en la naturaleza de la interacción integrina-proteína MEC y en la actividad celular14. Gutwein y Webster83 concluyen que las nanopartículas suponen un impacto positivo sobre la viabilidad y proliferación de los osteoblastos. -Disminuye la adhesión y proliferación bacteriana58. Mejora y fortalece la barrera mucosa periimplantaria que evita la colonización de parupptógenos22. -Disminuye la adhesión de fibroblastos versus osteoblastos (“selectividad adhesión celular”)58. Ventajas de la nanorugosidad en implantes45: 14! ! 1. Aumenta el área superficial del implante adyacente al hueso. 2. Mejora la conexión de la célula a la superficie del implante. 3. Aumenta el hueso presente en la superficie del implante. 4. Mejora la interacción biomecánica del implante con el hueso. 1.2-Humectabilidad superficial: La humectabilidad describe la capacidad de un líquido para mantener el contacto con una superficie sólida. Está determinada por un equilibrio entre las fuerzas adhesivas (hace que la gota se extienda) y cohesivas (hace que la gota ruede hacia arriba). La composición química y el grado de rugosidad determinan la energía superficial y, por lo tanto, la humectabilidad14. La humectabilidad controla la absorción proteica y la formación de un coágulo de sangre de fibrina84, estimula la velocidad de activación y diferenciación celular, induce una mayor proporción de BMP2 y ejerce una respuesta regenerativa caracterizada por una mayor osteogénesis, angiogénesis y neurogenia, por tanto7, provoca un aumento del BIC y de la fuerza de unión de la interfaz hueso-implante. La energía y humectabilidad superficial son los principales responsables de impulsar la adhesión celular14 la cual se atribuye a la secuencia RGD de proteínas ECM (como fibronectina, vitronectina, colágeno tipo I, osteopontina y sialoproteína ósea). Debido a su hidrofilicidad, el titanio oxidado anódicamente potencia la adhesión celular y los fenotipos de osteoblastos75. Las superficies hidrofílicas mantienen la conformación y función proteica71 y generan una respuesta celular antiinflamatoria, mientras que las hidrofóbicas desencadenan la desnaturalización proteica y aumentan la secreción de factores proinflamatorios84. La hidrofilia mejora la interacción entre los fluidos corporales y la superficie del implante, aumenta la cinética de cicatrización de heridas, promueve la adhesión de fibrina (para la migración de osteoblastos), y mejora la adhesión de proteínas y células promoviendo una mayor proliferación y diferenciación celular y por tanto mayor osteogénesis65. En vista de sus interacciones con fluidos biológicos, células y tejidos, las superficies hidrofílicas son más deseables que las hidrofóbicas75 pero las superhidrofílicas podrían estar en desventaja con respecto a la adsorción de proteínas sanguíneas73. Tanto la excesiva hidrofilia como la hidrofobia dificultan la absorción proteica, la cual media la interacción de la superficie del implante con células y tejido10. La hidrofobicidad es una fuerza motriz para la adhesión bacteriana (depende de las propiedades fisicoquímicas del sustrato, de las cepas bacterianas y de la solución acuosa utilizada): se produce mayor formación de placa a partir de rugosidad Sa > 0,2µm. En teoría, 15! ! es más probable que las cepas bacterianas hidrófobas se adhieran a biomateriales con propiedades superficiales hidrófobas, y las hidrófilas a las superficies hidrófilas85. La humectabilidad superficial afecta varios aspectos del sistema biológico: i) adhesión de proteínas y otras macromoléculas a la superficie; ii) interacción de células con la superficie; iii) adhesión bacteriana y posterior formación de biopelículas; v) tasa de oseointegración. Interacciones con sangre: según Wilson86 la fibronectina adsorbida por superficies hidrofóbicas reduce la función de adhesión celular. De manera similar, la absorción de colágeno tipo I y de vitronectina pueden estar influídos por la humectabilidad. Interacciones con células: la hidrofilicidad influye en la adsorción de mediadores biológicos y en respuestas celulares como la adhesión, diseminación, proliferación y la diferenciación. La conexión entre hidrofilicidad, acondicionamiento superficial por proteínas y adhesión celular fue demostrada por Huang87. La hidrofilicidad tiene un efecto estimulante sobre la integración de tejidos blandos y duros, produciendo una oseointegración más temprana y estable que podría extender la cobertura a pacientes comprometidos y promover la salud a largo plazo, prolongando la vida útil del implante85. Influencia en las células: la formación de un coágulo de sangre de fibrina sirve como puente de andamiaje para la migración celular. En las superficies hidrófilas la respuesta inmune es moderada y la activación de trombocitos es menor, de modo que facilita la invasión y movilización del coágulo sanguíneo por parte de las MSCs. Las superficies hidrófilas promueven mayores tasas de proliferación y mejoran la maduración de los osteoblastos, la producción de factores locales y la mineralización. Los queratinocitos y fibroblastos responden a la química, topografía y humectabilidad superficial85. El enfoque más común para evaluar la humectación y energía superficial es la “técnica de gota sésil”; consiste en colocar un líquido humectante específico sobre la superficie de titanio y medir el ángulo de contacto entre la tangente del líquido y la línea base horizontal de la muestra de titanio88. Esta técnica proporciona una medida inversa de la humectabilidad14, varía desde 0∘ en superficies muy hidrofílicas hasta más de 90∘ en hidrofóbicas71. Se puede aplicar fácilmente a superficies planas (Rupp88), pero puede representar un desafío sobre superficies rugosas o áreas muy pequeñas como las roscas del implante donde puede contribuir a mediciones inexactas39. Esto refuerza la suposición de que la naturaleza hidrofóbica es causada por el aire atrapado dentro de los microporos bajo las gotas depositadas, pues genera una interfase material/aire/líquido heterogénea e hidrofóbica. En consecuencia, solo una pequeña porción de la superficie del implante microestructurada e hidrófoba puede humedecerse durante el contacto inicial con la sangre73 (por ello la proteína 16! ! se acumula preferentemente en la parte superior de la topografía mientras que en la parte inferior se forman bolsas de aire25). 1.3-Química superficial Según Bagno y Di Bello89: la rugosidad, composición y humectabilidad se alteran por la modificación química de superficie. La adsorción de proteínas y la adhesión celular dependen de la química superficial90, por tanto es clave en la osteointegración. Las ventajas de crear una superficie bioactiva mediante tratamiento químico son: Combina propiedades mecánicas del metal con la capacidad de unión al hueso de la cerámica bioactiva y Evita el tratamiento superficial con Ca-P pulverizado con plasma para mejorar la capacidad de fijación al hueso65. 2-La superficie biomimética El objetivo del nuevo paradigma es imitar los componentes orgánicos e inorgánicos del tejido óseo produciendo superficies biofuncionales que permitan29 mejorar la tasas de éxito clínico y la velocidad de osteointegración para los casos de carga inmediata o temprana91, es decir: 1º optimizar la estabilidad del implante, 2º mejorar la integración tisular periimplantaria y 3º reducir la periimplantitis (adhesión bacteriana)71. Los recubrimientos superficiales bioactivos son enfoques innovadores que intentan imitar el entorno bioquímico y la arquitectura nanoestructural del hueso humano71, generando superficies biomiméticas que pueden tener grandes beneficios para protocolos de carga inmediata o temprana. Una superficie que proporcione una aposición ósea más rápida permitirá mayor estabilidad del implante y menor riesgo de fallo10. 3-Efectos sinérgicos de las propiedades bioactivas Humectabilidad-Topografía: El nuevo paradigma considera los efectos interrelacionados de la topografía superficial y la humectación pues podrían causar un efecto sinérgico en la respuesta de los osteoblastos: humectación inducida por la rugosidad, efectos sinérgicos de nanoestructuración e hidrofilicidad..73-92. La combinación de microrugosidad e hidrofilicidad (similar a la del tejido natural, biomimética) puede interactuar sinérgicamente creando un microambiente osteogénico y angiogénico adecuado para reducir los tiempos de cicatrización (resuelve rápidamente la inflamación) y aumentar la osteointegración (acelera la regeneración tisular porque aumenta la diferenciación de MSCs)84. La humectabilidad superficial tiene un efecto inmunomodulador mayor que la rugosidad84. La combinación de nanorugosidad y humectabilidad juega un papel fundamental en las 1º etapas de curación del implante, influye en el perfil de adsorción de proteínas en la superficie y en la adhesión y cascada de curación celular resultante (Gittens, Scheideler85,88). La adsorción de fibrinógeno y fibronectina aumenta en superficies combinadas micro y 17! ! nanorugosas hidrófilas, existe una interacción dinámica entre nanorugosidad e hidrofilicidad en la respuesta temprana del implante, de ahí la importancia del diseño en la respuesta biológica39. Las superficies microrugosas muy hidrofóbicas muestran cierta analogía con las hojas de loto, mientras que las superficies con micro y nanoestructuras jerárquicas muestran el efecto pétalo (muy hidrófobo con fuertes fuerzas adhesivas, de modo que las gotas de agua entran en los surcos de mayor tamaño del pétalo pero no en los más pequeños). Actualmente los fenómenos de humectación observados en las superficies de implantes de titanio no pueden basarse únicamente en el régimen de Cassie-Baxter y/o Wenzel. Es posible que solo la parte superior de la protuberancia interactúe con la sangre y el resto atrape aire. 1. Las superficies hidrofílicas facilitan las interacciones iniciales entre superficie y líquido. 2. La rugosidad superficial influye en la humectación y en el proceso de osteointegración88. Química-Topografía: independientemente de la química; la diferenciación y maduración osteogénica mejora en superficies rugosas39. El efecto sinérgico de la funcionalización química y la nanoestructura logra una promoción máxima de la osteinducción y acelera la osteointegración. La superficie de titanio recubierta con una capa de TiO2 inerte no interactúa química ni biológicamente con las células, por tanto, necesitamos un método eficiente para activar la superficie hacia la unión de células madre93. Es un desafío imitar las características nanométricas, especialmente si debemos considerar la química además de la topografía73. Topografía micrométrica–Topografía nanométrica: las células tienen dimensiones en una escala micrométrica pero contactan con la matriz extracelular que tiene características topográficas y estructurales nanométricas. Por lo tanto, las nanoestructuras que imitan el entorno natural, podrían interactuar con las células a nivel molecular para controlar eficazmente los procesos de regeneración tisular, como la adhesión celular, la proliferación o la diferenciación73-94-95. Las características nano y microtopograficas actúan sinérgicamente promocionando la oseointegración. Kubo 96 afirma que la adición de nanoestructuras a la microrugosidad estimula la proliferación y diferenciación de células osteoblásticas. La microtopografía tiene impacto mecánico sobre la retención y la nanotopografía actúa a nivel celular promoviendo: la absorción de proteínas, la adhesión de células osteoblásticas y el ratio de curación del tejido óseo en contacto con la superficie del implante22. La investigación actual sigue los enfoques biomiméticos, busca crear nuevos materiales biocompatibles con características nanoestructuradas73. Las superficies con rugosidad jerárquica ó multiescala (micro y nanométrica) imitan al hueso (que también tiene una 18! ! rugosidad jerárquica), por tanto, contribuyen a una respuesta biológica positiva (osteocalcina, osteoprotegerina y VEGF) (Gittens, Olivares-Navarrete, Schwartz97). La proliferación celular depende de la microrrugosidad superficial, mientras que la diferenciación osteoblástica y la producción local de factores dependen tanto de la microrrugosidad superficial como del diámetro de las nanofibras (Wang98). 4-Tratamientos superficiales Los tratamientos superficiales del implante se pueden clasificar en99: Métodos aditivos: añaden materiales a la superficie, se clasifican a su vez en revestimiento (si son superficiales) e impregnación (si quedan integrados en el núcleo de titanio); Técnicas de sustracción que eliminan o deforman plásticamente la capa superficial y Técnicas combinadas como la anodización. A su vez podemos clasificar los tratamientos en: mecánicos implican técnicas como maquinado y granallado, químicos que usan soluciones ácidas o alcalinas para alterar la rugosidad, composición y humectabilidad o energía superficial ó físicos que mejoran la estética y rendimiento del material, como pulverización de plasma y chorreado. En esta revisión clasificaremos los tratamientos superficiales del siguiente modo: *Pre-tratamiento: garantiza que la superficie esté libre de contaminación e impurezas99. 4.1-Tratamientos mecánicos: 1-Maquinado ó pulido: originalmente descrito por Branemark, la superficie parece lisa pero muestra surcos y crestas superficiales que aportan resistencia al enclavamiento óseo100. 2-Granallado o Chorreado: es una de las técnicas más usadas22 y la más biocompatible (aporta gran viabilidad celular porque los restos superficiales favorecen la adhesión celular25). Consiste en proyectar partículas presurizadas (materiales cerámicos, arena, hidroxiapatita, alúmina o partículas de TiO2)101 sobre la superficie del implante99 a través de un inyector por flujo de aire a alta presión. Crea una capa porosa modulable según la granulometría, velocidad y presión de las partículas que colisionan42 (deben ser químicamente estables y biocompatibles22). Permite la adhesión, proliferación, diferenciación y síntesis matricial de osteoblastos y condrocitos29. 4.2-Tratamientos químicos: 1-Grabado ácido: limpia la superficie (elimina la contaminación) y crea una rugosidad homogénea99 (elimina parte del óxido superficial29), formando una delgada red de nanopozos (20-100 nm)42 ó micropozos (0,5-2 µm)22 que aumenta el área superficial, mejora el contacto hueso-implante45 y la osteointegración. Se suele usar un ácido fuerte como el flúorhídrico 19! ! (HF), clorhídrico (HCl), nítrico (HNO3), sulfúrico (H2SO4) ó una combinación de ellos99. Varios parámetros como la rugosidad, humectabilidad, topografía y el espesor de la capa de óxido se pueden controlar modificando la Ta, la duración y la composición de la solución de grabado45. Grabado ácido dual (DAE: Dual Acid Etching): usa ácidos secuencialmente ó combinados, lo más común99 es la inmersión durante varios minutos en una mezcla de ácidos sulfurico y clorhídrico calentados a 100ºC22. Promueve la osteoconducción100, mejora la osteointegración temprana29, aumenta el contacto hueso-implante y reduce la reabsorción ósea. Es mejor que un solo grabado por su alta composición, cantidad y concentración99. Grabado ácido y chorreado de arena (SLA; Sandblast, Large-Grit y Acid Etching): chorrea la superficie con partículas de gran tamaño99 (crea macrorugosidad óptima para la fijación mecánica22) y adicionalmente graba con ácido fuerte a alta Ta (elimina residuos superficiales, crea irregularidades suplementarias29 y suaviza los picos agudos, obteniendo una superficie micro/nanotopográfica71 más uniforme, con un importante potencial biológico y celular22, que mejora la adhesión celular). Cho y Jung102 descubrieron que genera amplias cavidades (5-20 µm) y micropozos (0,5-3 µm), por tanto aumenta la rugosidad y el área superficial, mejorando así la integración tisular y la proliferación celular. 2-Tratamiento alcalino: usa hidróxido de sodio o potasio seguido de tratamiento térmico a 800ºC durante 20 minutos y enjuague en agua destilada. Genera una capa superficial de titanato de sodio nanoestructurada y bioactiva45. 3-Tratamiento con fluoruros: según Lamolle103 mejora la biocompatibilidad superficial, mientras que según Schade aumenta la retención en el hueso porque forma TiF4. 4-Método de revestimiento sol-gel: deposita compuestos homogéneos de CaP, TiO2, TiO2- CaP y revestimientos a base de sílice en la superficie del implante. La adhesión depende de factores como la rugosidad, el pretratamiento químico y la Ta de sinterización45. 5-Oxidación anódica (anodización potenciostática ó galvanostática22): el ánodo (titanio) y el cátodo (lámina de platino inerte) se conectan mediante cables de cobre a una fuente de alimentación y se sumergen en una solución de electrolito. Posteriormente, un ácido fuerte disuelve la capa de óxido creando un patrón que sigue las líneas convectivas de la corriente galvánica (por ello se considera un método combinado). Esta técnica genera nanotubos cuyo diámetro y separación se controla regulando voltaje y densidad. Según Ferreira104 la nanoestructura más adecuada de nanotubos tiene un diámetro de 15 nm (otros autores consideran 30nm) que corresponde al espaciado lateral de los receptores de integrina en los complejos FA (adhesión focal)42. Genera micro/nanorugosidad, aumenta el grosor de la capa 20! ! de TiO2 de 5nm a 1mm o incluso más29, aumenta el area superficial100, potencia el crecimiento de células osteoblásticas y limita la proliferación de fibroblastos42. Posee suficiente capacidad osteoconductiva en sitios óseos comprometidos71. Depende de la densidad, la concentración del ácido, la composición electrolítica y de la Ta22. 4.3-Tratamientos físicos: 1-Implantación iónica: consiste en acelerar iones de alta energía en un campo eléctrico y hacerlos impactar sobre el sustrato a una profundidad de 1 µm99. Ventajas: a) ultra limpio, b) controla fácilmente la profundidad y concentración de impurezas, c) excelente adherencia, d) no afecta a las propiedades del sustrato, e) fácilmente reproducible y controlable45. 2-Pulverización catódica (“sputtering”): eyección de átomos o moléculas mediante el bombardeo de iones de alta energía que genera una delgada película biocerámica. Proporciona mayor adhesión entre revestimiento y sustrato, mejora el rendimiento antibacteriano y mejora propiedades mecánicas como el desgaste y la resistencia a la corrosión, la actividad biológica y la biocompatibilidad. Inconvenientes: muy lento y tasa de deposición muy baja45. 3-Ablación laser: crea una microestructura que aporta resistencia a la corrosión, mayor grado de pureza, dureza y espesor de la capa de óxido100. Sobre el cuello del implante actúa como sello biológico: une tejido conectivo-hueso e inhibe el crecimiento epitelial71. 4-Fotofuncionalización: mejora la bioactividad (promueve la interacción celular y proteica con el implante a nivel molecular), la oseointegración (altera la capa superficial de dióxido de titanio) y la osteoconductividad; además aumenta la energía superficial y la humectabilidad71. 5-Superficies de revestimiento mediante pulverización de plasma: primero se eliminan todos los contaminantes superficiales mediante vacío42 (pretratamiento para aumentar la rugosidad superficial99) y luego la energía cinética guía los iones metálicos (fundidos térmicamente99) a la superficie del implante con un patrón uniforme42. Puede realizarse por radiofrecuencia ó por magnetrón100. Genera un delgado revestimiento nanoparticulado bioactivo que aumenta la densidad de osteoblastos en la superficie del implante42 y el porcentaje de contacto hueso implante (Vercaigne105). Desventajas: composición y espesor no uniformes, falta de adherencia a largo plazo (su desprendimiento puede suponer un riesgo para la salud por la toxicidad de los residuos y puede afectar a la estabilidad a largo plazo del implante45). Un recubrimiento ideal presenta: mínima toxicidad y adecuada integridad mecánica y cinética de liberación. Los revestimientos combinados se pueden clasificar por su objetivo biológico final: mejorar la integración, reducir la aparición de infección o ambos106. Visión general de los revestimientos basada didácticamente en el orden de aparición71: 21! ! i)Hidroxiapatita: elemento bioactivo; la capa de fosfato cálcico (cerámica) es gradualmente transformada en hidroxiapatita que será incorporada en el desarrollo de hueso100. El objetivo es usar un compuesto biomimético con una composición química similar a la fase mineral del hueso65. Ventajas: alto porcentaje de BIC (según De Groot107), evita la encapsulación, reduce la liberación de iones metálicos108, mejora la aposición ósea periimplantaria65 y la osteoconductividad9 (puente entre células osteogénicas e implante29). Riesgos: adhesión microbiana (microfiltración), fractura ósea y fallo del recubrimiento100 (logra retención mecánica sin enlaces químicos). También se pueden usar tratamientos termoquímicos, ventajas: produce fosfato cálcico cristalino, menor capacidad de disolución, forma enlaces covalentes (evita colonización bacteriana) y presenta alta resistencia mecánica10. ii)Factores de crecimiento: las proteínas morfogenéticas óseas (BMP) son liberadas por osteoblastos, plaquetas y células endoteliales y se depositan en la matriz ósea hasta ser liberadas durante la preparación del lecho implantario, promueven la diferenciación de pericitos en osteoblastos71, poseen propiedades mitogénicas y morfogenéticas que juegan un papel importante en la regeneración ósea109 y en la oseointegración en pacientes con hueso comprometido65-110. En la hemostasia, las plaquetas inician la fase inflamatoria liberando: factor de crecimiento derivado de las plaquetas (PDGF), factor de crecimiento transformante beta (TGF-β) y factor de crecimiento fibroblástico (FGF). Los macrófagos inician la fase proliferativa de la oseointegración liberando: VEGF (factor de crecimiento endotelial vascular), PDGF y FGF71. El desafío actual es liberar estos factores gradualmente y no en una sola dosis29; es posible que la terapia génica resuelva este problema en el futuro65-111. iii)Colágeno y otras proteínas adhesivas: el uso de recubrimientos de moléculas de adhesión como el Colágeno tipo I mejora el BIC; sin embargo, el porcentaje crítico de BIC necesario para garantizar el éxito del implante aún no está definido, por tanto, la mayor cantidad de BIC podría no ser crucial29. El diseño “inteligente” de superficies que controlen las interacciones proteicas permitirá la adhesión celular y proporcionará una mejor y más rápida osteogénesis. La activación selectiva de los receptores de integrina podría unir preferiblemente las células formadoras de hueso a la superficie del implante y aumentar el anclaje oseo65-109. iv)Péptidos: HBD (defensinas beta humanas) transmiten efectos antibacterianos sobre los bordes epiteliales, son biocompatibles y promueven la proliferación de osteoblastos y células madre mesenquimales. RGD actúan como sitio de unión para los receptores de integrinas en la adhesión y migración de células osteogénicas y según Schliephake112 genera un grado de BIC significativamente más alto que los implantes mecanizados. La MEC proporciona una 28! ! implant surface roughness: a computer simulation. J Biomed Mater Res A. 2005 Nov 1;75(2):472–7. 75. Shibata Y, Tanimoto Y. A review of improved fixation methods for dental implants. Part I: Surface optimization for rapid osseointegration. J Prosthodont Res. 2015 Jan;59(1):20–33. 76. Becker W, Becker BE, Ricci A, Bahat O, Rosenberg E, Rose LF, et al. 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