Dental and Medical Problems

Dent Med Probl
Index Copernicus (ICV 2020) – 128.41
MEiN – 70 pts
CiteScore (2021) – 2.0
JCI – 0.5
Average rejection rate (2021) – 81.35%
ISSN 1644-387X (print)
ISSN 2300-9020 (online)
Periodicity – quarterly

Download PDF

Dental and Medical Problems

2014, vol. 51, nr 2, April-June, p. 205–211

Publication type: original article

Language: Polish

Creative Commons BY-NC-ND 3.0 Open Access

Analiza właściwości fizycznych i biologicznych powierzchni maszynowej i modyfikowanej stopu tytanu Ti6Al4V. Część 1. Badania struktury i składu chemicznego powierzchni

Assessment of Physical and Biological Properties of Machined and Modified Titanium Alloy Ti6Al4V Surfaces. Part 1. Structural and Chemical Analysis

Magdalena Łukaszewska-Kuska1,A,B,C,D,E,F, Barbara Dorocka-Bobkowska2,A,B,C,D,E,F, Radomir Majchrowski3,B,C,D,E,F

1 Klinika Protetyki Uniwersytetu Medycznego im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu, Poznań, Polska

2 Klinika Chorób Błony Śluzowej Jamy Ustnej Uniwersytetu Medycznego im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu, Poznań, Polska

3 Zakład Metrologii i Systemów Pomiarowych Politechniki Poznańskiej, Poznań, Polska

Streszczenie

Wprowadzenie. Obecnie implanty stomatologiczne są wykonywane z czystego tytanu lub ze stopu tytanu Ti6Al4V, który charakteryzuje się korzystniejszymi właściwościami mechanicznymi. Jednym z warunków biokompatybilności metali jest ich odporność na korozję, która jest tym mniejsza, im mniej jednorodny jest materiał, ma ona ponadto związek również z metodą obróbki materiału. Dostępne na rynku implanty Osteoplant wykonuje się z czystego tytanu, a ich powierzchnie modyfikuje się w drodze piaskowania ziarnami Al2O3. Korzystna pod względem wytrzymałości mechanicznej mogłaby być zmiana materiału, z którego wykonuje się implanty Osteoplant z czystego tytanu na stop tytanu.
Cel pracy. Ocena powierzchni maszynowych i piaskowanych stopu tytanu typu ELI oraz czystego tytanu pod względem topografii, chropowatości i składu chemicznego.
Materiał i metody. Do badań użyto dysków wykonanych ze stopu tytanu Ti6Al4V oraz z czystego tytanu klasy 4b. Powierzchnia dysków była maszynowa lub piaskowana Al2O3. Próbki były badane pod względem topografii, chropowatości i składu chemicznego powierzchni.
Wyniki. Powierzchnia próbek maszynowych charakteryzuje się obecnością bruzd powstałych w wyniku obróbki. W przypadku próbek piaskowanych jest widoczna topografia charakterystyczna dla obróbki strumieniowo-ściernej. Wyniki badań chropowatości pozwalają zaliczyć powierzchnie maszynowe obu rodzajów próbek do grupy powierzchni gładkich o dużym ukierunkowaniu i minimalnym rozwinięciu, a powierzchnie piaskowane do grupy minimalnie chropowatych o minimalnym ukierunkowaniu i znacznym rozwinięciu powierzchni. Skład chemiczny badanych próbek jest wynikiem zarówno składu chemicznego materiału, z którego przygotowano próbkę, jak i zastosowanej metody obróbki jej powierzchni.
Wnioski. Struktura modyfikowanej za pomocą piaskowania tlenkiem glinu powierzchni czystego tytanu i stopu tytanu typu ELI nie różni się istotnie. Skład chemiczny zmienianej za pomocą piaskowanie tlenkiem glinu powierzchni czystego tytanu i stopu tytanu typu ELI również nie różni się istotnie.

Abstract

Background. Currently, endoosseous implants are most often made form pure titanium but they are also made from titanium alloys which posses more favorable mechanical properties. One of metal biocompatibility condition is its resistance to corrosion which is greater in more homogenous metals and is also associated with method of surfaces preparation. Available on market Osteoplant implants are made from pure titanium and their surface is sandblasted with Al2O3. Exchanging implants material from pure titanium into titanium alloy might be favorable.
Objectives. The aim of presented study was surfaces examination of pure titanium and titanium alloy with machine and sandblasted surface considering their topography, roughness and chemical composition.
Material and Methods. Discs of 8 mm diameter and 1 mm thickness made from titanium alloy Ti6Al4V and pure titanium were used. Surface of examined discs was machined or sandblasted with Al2O3. Specimens topography was examined by means of scanning microscopy, its roughness was evaluated with interference microscope and energy dispersive spectroscopy served for surfaces chemical composition examination.
Results. SEM micrographs indicated the presence of longitudinal grooves on samples with mechanical surfaces. In case of sandblasted samples surface characteristic for grit blasting surface was visible. Roughness measurements indicated both machined surfaces as smooth, highly organized, minimally developed, whereas both sandblasted surfaces were considered as minimally rough, minimally organized and highly developed. Samples surfaces chemical composition was a sum of material composition and surfaces preparation technique.
Conclusion. Structure of modified surface of commercialy pure titanium and titanium alloy ELI do not significantly differ from each other. Chemical composition of modified surface of commercialy pure titanium and titanium alloy ELI do not significantly differ from each other.

Słowa kluczowe

stop tytanu (Ti6Al4V), tytan, glin, właściwości powierzchni

Key words

titanium alloy (Ti6Al4V), titanium, aluminum, surface properties

References (33)

  1. Brånemark P.I., Zarb G.A., Albrektsson T.: Tissue – Integrated Prostheses. Osseointegration in Clinical Dentistry. Quintessence Publishing Co., Chicago 1985.
  2. Majewski P., Gronkiewicz K., Majewski S.: Practical aspects of dental implants tissue integration. Implantoprotetyka 2011, 12, 3–4, 44–47 [in Polish].
  3. Majewski S., Malisz P., Dutkiewicz J., Majewski P., Janus A.: Analysis of surfaces structures of non integrated dental implants (Biomet 3i, Osteoplant HEX) with use of elektron microscopy and energy dispersive spectrometry. Implantoprotetyka 2010, 11, 4, 3–11 [in Polish].
  4. Jokstad A., Braegger U., Brunski J., Rochester A., Naert I., Wennerberg A.: Quality of dental implants. Internat. Dent. J. 2003, 53, 409–443.
  5. Albrektsson T., Branemark P.I., Hansson H.A., Lindstrom J.: Osseointegrated titanium implants. Requirements for ensuring a longlasting, direct bone-to-implant anchorage in man. Acta Orthop. Scand. 1981, 52, 155–170.
  6. Maciejewska I., Nowakowska J., Bereznowski Z.: Osseointegration of dental implants – bone healing stages. Protet. Stomatol. 2006, 56, 214–219 [in Polish].
  7. Majewski P.: Analysis of factors influencing qualification for immediate dental implants procedure with prosthodontic appliance. Implantoprotetyka 2011, 12, 3–4, 18–22 [in Polish].
  8. Stupka M., Majewski P.: The postimplantation secondary implants stabilisation as one of the elements which evaluate the conditions to start prosthetic treatment. Implantoprotetyka 2009, 10, 4, 14–16 [in Polish].
  9. Takebe J., Itoh S., Okada J., Ishibashi K.: Anodic oxidation and hydrothermal treatment of titanium results in a surface that causes increased attachment and altered cytoskeletal morphology of rat bone marrow stromal cells in vitro. J. Biomed. Mater. Res. 2000, 51, 398–407.
  10. Wennerberg A., Albrektson T.: Effects of titanium surface topography on bone integration: a systematic review. Clin. Oral Implants Res. 2009, 20, 172–184.
  11. Le Guéhennec L., Soueidan A., Layrolle P., Amouriq Y.: Surface treatments of titanium dental implants for rapid osseointegration. Dent. Mater. 2007, 23, 844–854.
  12. Schwartz Z., Martin J.Y., Dean D.D., Simpson J., Cochran D.L., Boyan B.D.: Effect of titanium surface roughness on chondrocyte proliferation, matrix production, and differentiation depends on the state of cell maturation. J. Biomed. Mater. Res. 1996, 30, 145–155.
  13. Schuler M., Owen G.R., Hamilton D.W., de Wild M., Textor M., Brunette D.M., Tosatti S.G.: Biomimetic modification of titanium dental implant model surfaces using the RGDSP-peptide sequence: a cell morphology study. Biomaterials 2006, 27, 4003–4015.
  14. Anselme K., Ponche A., Bigerelle M.: Relative influence of surface topography and surface chemistry on cell response to bone implant materials. Part 2: biological aspects. Proc. I. Mech. E. Part H, 2010, 224, 1487–1507.
  15. Kochanowska I., Chaberek S., Wojtowicz A., Marczyński B., Włodarski K., Dytko M., Ostrowski K.: Expression of genes for bone morphogenetic proteins BMP-2, BMP-4 and BMP-6 in various parts of the human skeleton. BMC Musculoskelet. Disord. 2007, 27, 128–138.
  16. Larsson C., Thomsen P., Lausmaa J., Rodahl M., Kasemo B., Eriksson L.E.: Bone response to surface-modified titanium implants: Studies on electropolished implants with different oxide thickness and morphology. Biomaterials 1994, 15, 1062–1074.
  17. Kim H.J., Kim S.H., Kim M.S., Lee E.J., Oh H.G., Oh W.M., Park S.W., Kim W.J., Lee G.J., Choi N.G., Koh J.T., Dinh D.B., Hardin R.R., Johnson K., Sylvia V.L., Schmitz J.P., Dean D.D.: Varying Ti-6Al-4V surface roughness induces different early morphologic and molecular responses in MG63 osteoblast-like cells. J. Biomed. Mater. Res. 2005, 1, 366–373.
  18. Ku C.H., Pioletti D.P., Browne M., Gregson P.J.: Effect of different Ti-6Al-4V surface treatments on osteoblasts behaviour. Biomaterials 2002, 23, 1447–1454.
  19. Williams D.F.: Titanium and titanium alloys. Boca Raton, FL: CRC Press, 1981.
  20. Wataha J.C.: Biocompatibility of dental casting alloys: a review. J. Prosthet. Dent. 2000, 83, 223–234.
  21. French H.G., Cook S.D., Haddad Jr R.J.: Correlation of tissue reaction to corrosion in osteosynthetic devices. J. Biomed. Mater. Res. 1984, 18, 817–828.
  22. Albrektsson T., Branemark P.I., Hansson H.A., Kasemo B., Larsson K., Lundstrom I., McQeen D.H., Salak R.: The interface zone of inorganic implants in vivo: titanium implants in bone. Ann. Biomed. Eng. 1983, 11, 1–27.
  23. Cigada A., Carini M., Pedeferri P.: Increasing of the corrosion resistance of the Ti6Al4V alloy by high thickness anodic oxidation. J. Mater. Sci. Mater. Med. 1992, 3, 408–412.
  24. Wisbey A., Gregson P.J., Peter L.M., Tuke M.: Effect of surface treatment on the dissolution of titanium-based implant materials. Biomaterials 1991, 12, 470–473.
  25. Friberg L., Nordberg G.F., Vouk V.: Handbook on the toxicology of metals (2nd ed.). Elsvier, Amsterdam 1986.
  26. Blumenthal N.C., Cosma V.: Inhibition of apatite formation by titanium and vanadium ions. J. Biomed. Mater. Res. 1989, 23, 13–22.
  27. Folkman J., Moscona A.: Role of cell shape on growth control. Nature 1978, 273, 345–349.
  28. Thompson G.J., Puleo D.A.: Ti-6A1-4V ion solution inhibition of osteogenic cell phenotype as a function of differentiation time course in vitro. Biomaterials 1996, 17, 1949–1954
  29. Johanssod B.I., Bergman B.: Corrosion of titanium and amalgam couples: Effect of fluoride, area size, surface preparation and fabrication procedures. Dent. Mater. 1995, 1, 41–46.
  30. Lucas L.C., Lemons J.E.: Biodegradation of restorative metallic systems. Adv. Dent. Res. 1992, 6, 32–37.
  31. Ponche A., Bigerelle M., Anselme K.: Relative influence of surface topography and surface chemistry on cell response to bone implant materials. Part 1: Physico-chemical effects. Proc. Inst. Mech. Eng. H. 2010, 224, 1471–1486.
  32. Wennerberg A., Albrektsson T.: Suggested guidelines for the topographic evaluation of implant surfaces. Int. Oral Maxillofac. Implants 2000, 15, 331–344.
  33. Ask M., Lausmaa J., Kasemo B.: Preparation and surface spectroscopic characterization of oxidees on Ti6Al4V. Appl. Surf. Sci. 1988, 35, 283–301.