Influxo do perfil dos implantes

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1 Influxo do perfil dos implantes Influence of the profile of dental implants Halim NAGEM FILHO 1, Haline Drumond NAGEM 2, Maria Tereza F. S. D AZEVEDO 3, Cristina Tebechrani FIUZA 4, Laurito CAMPI JÚNIOR 5 RESUMO Dentre as várias características dos implantes, a topografia da superfície é reconhecida como fator capaz de alterar a resposta das células dos tecidos adjacentes modificando a migração, inserção, proliferação e síntese de colágeno no local, determinando assim o tipo de tecido que será obtido na interface osso-implante e sua integração. Superfícies rugosas resultam em um aumento da resistência de osseointegração na interface implante-osso devido ao aumento da área da superfície do implante. Células inflamatórias do tecido conjuntivo são estimuladas por produtos de degradação da matriz a repovoar a área do implante. Após a inserção do implante, dependendo da energia da superfície, o fluido plasmático adere, imediatamente, em contato íntimo com a superfície, promovendo adsorção de proteínas e induzindo a interação indireta das células com o material. Palavras-chave: Implantes dentários. Titânio. Osseointegração. ABSTRACT Among the various features of the implants, the implants surface topography is recognized as a factor capable of altering the response of cells of adjacent tissues by modifying the migration, integration, proliferation and synthesis of collagen in situ, thereby determining the tissue type to be obtained in the bone-implant interface and their integration. Rough surfaces result in increased strength of osseointegration in implant-bone interface due to the increase on the implant surface area. The matrix degradation products to repopulate the implant area stimulate inflammatory cells of connective tissue. After the insertion of the implant, depending on the surface energy, the plasma fluid adheres, immediately, in an intimate contact with the surface, promoting adsorption of proteins and inducing the indirect interaction of cells with the material. Key words: Dental implants. Titanium. Osseointegration. Endereço para correspondência: Halim Nagem Filho Rua João Poletti, Bauru - São Paulo - Brasil halim.nagem@terra.com.br Recebido: 08/03/2009 Aceito: 18/04/ Professsor Titular de Materiais Dentários da Faculdade de Odontologia de Bauru, Universidade de São Paulo, Bauru, SP, Brasil. 2. Doutora em Dentística (Materiais Dentários), Faculdade de Odontologia de Bauru, Universidade de São Paulo, Bauru, SP, Brasil. 3. Doutora em Dentística, Universidade de Taubaté, Taubaté, SP, Brasil. 4. Doutora em Odontologia. Professora de Materiais Dentários, Faculdades Metropolitanas Unidas, São Paulo, SP, Brasil. 5. Doutor em Odontologia, Centro de Pesquisas Odontológicas São Leopoldo Mandic, Campinas, SP, Brasil. 81

2 Influxo do perfil dos implantes INTRODUÇÃO O tecido ósseo é um tipo de tecido conjuntivo especializado bem rígido, constituinte principal do esqueleto. É composto por matriz protéica colágena impregnada por sais minerais na forma de hidroxiapatita e de proteínas não colágenas, como as proteínas morfogenéticas (BMP). A superfície óssea revestida pelo periósteo ou endósseo possui uma camada interna celular, em contato direto com o osso e uma camada externa fi brosa, rica em fi bras nervosas e suprimento sanguíneo 1. As células envolvidas no metabolismo e fi siologismo do tecido ósseo são os osteoblastos, osteocitos e osteoclastos. O osteoblasto é a célula mais importante nesse processo de reparação durante a osseointegração e o sucesso do tratamento depende da sua adesão e proliferação. São responsáveis por sintetizar a matéria orgânica, colágeno tipo I, proteoglicanas e glicoproteínas da matriz óssea e de participar ativamente da fase de mineralização óssea. A interação do metal com o tecido ósseo alude respostas complexas e diversifi cadas, porém a primordial, sem dúvida, é o seu comportamento biológico com o organismo vivo. Para os implantes a biocompatibilidade, a resistência à corrosão e a resistência mecânica são fatores motivantes que inferem grande importância. Dentre os materiais metálicos mais comuns, usados como implantes, estão às ligas à base de cobalto, titânio e o aço inoxidável. Os implantes dentais indicados para substituir os dentes perdidos são confeccionados com titânio cp, devido a sua excelente biocompatibilidade, baixa condutividade térmica e alta resistência, em relação à sua liga 12. A liga não é indicada por liberação de íons metálicos citotóxicos que podem causar efeitos adversos nos tecidos peri-implantares, provocando falhas clínica dos implantes. Assim, com fi m específi co de promover osseointegração por tempo ilimitado de permanência, os implantes dentais devem ser de titânio puro com propriedades de resistência sufi ciente para suportar a carga mastigatória e evitar os efeitos colaterais. REVISÃO DE LITERATURA Vários formatos de implantes dentais estão disponibilizados no mercado e, por isso, incrementou-se a pesquisa e o desenvolvimento das superfícies texturizadas. No tecido muscular da perna do coelho foi implantado matriz de osso desmineralizado e observado que, após três semanas, havia formação de tecido ósseo ectópico 22. Verifi cou-se que histiócitos viajantes, células gigantes do tipo corpo estranho, e células infl amatórias do tecido conjuntivo são estimuladas por produtos de degradação da matriz não viável, para crescer e repovoar a área do implante do osso descalcifi cado. Em uma revisão sobre os efeitos da topografi a da superfície implantar no comportamento celular, foi destacado que o osso se deposita indistintamente em superfícies porosas ou lisas, seja em implantes de cerâmica, titânio, ou uma ampla variedade de outras superfícies. A porosidade, portanto, de acordo com o autor, não seria condição necessária para que ocorresse aposição óssea. Concluiu-se, entretanto, que a rugosidade desempenha um papel preponderante no percentual de aposição óssea sobre a superfície do implante6. A interface implante-osso nunca se estabelece 100% de contato. Na verdade existe um consenso de que implantes osseointegrados, considerados bem-sucedidos, apresentam de 25% a 75% de contato ósseo (osseointegração), enquanto o restante da área é preenchida por tecido não-mineralizado (vasos, nervos e tecido conjuntivo). O íntimo contato, em nível ultraestrutural, não ocorre entre os implantes com superfícies de titânio e o osso, mas o que se observa é uma fi na camada de tecido não-mineralizado, da ordem de 200 Å entre o implante e o osso. Essa camada na realidade nada tem a ver com a interface fi brosa que predomina em implantes com baixo grau de biocompatibilidade, pois esta interface consiste de óxido de titânio e glicosaminoglicanas 23. Superfícies rugosas resultam em um aumento da resistência de osseointegração na interface implante-osso devido ao aumento da área da superfície do implante. A promoção dos fatores ostegênicos da aderência dos osteoblastos e sua diferenciação nas superfícies dos implantes foram avaliadas. Discos de titânio puro foram jateados (TiOBlast ) condicionados com ácido fl uorídrico, processada sob atmosfera de nitrogênio e armazenados em NaCl isotônico (SLActive). As propriedades da superfície do implante tratadas contribuíram para regular a diferenciação dos osteoblastos infl uenciando o nível do osso e a dos fatores de transcrição no mesênquima com células pré-osteobláticas 14. Nas décadas de 80 e 90 havia contrastes de opiniões entre os implantes de superfícies lisas ou usinadas de superfícies tratadas. Atualmente não se discute mais se as superfícies tratadas apresentam a superioridade sobre a lisa, mas sim qual é o melhor tratamento em que as texturas superfi ciais dos implantes devem ser submetidas 21. Dentre as várias características dos implantes, a topografi a da superfície é reconhecida como fator capaz de alterar a resposta das células dos tecidos adjacentes modifi cando a migração, inserção, proliferação e síntese de colágeno no local, determinando assim o tipo de tecido que será obtido na interface osso-implante e sua integração 15. Eventos celulares e extracelulares durante o processo de osseointegração do titânio são, também, infl uenciados por suas propriedades de superfície, como morfologia, topografi a e composição química. A modifi cação bioquímica da superfície do titânio consiste em imobilizar proteínas ou peptídeos nessa superfície, com a fi nalidade de induzir respostas celulares e teciduais específi cas na interface osso-implante que acelerem ou aumentem a osseointegração 3. O efeito da superfície do implante condicionado com ataque por ácido fosfórico foi avaliado no início da adesão celular, proliferação e na diferenciação das células osteoblásticas, onde verifi cou-se que o pré-tratamento da superfície do titânio acelerou o comportamento da célula, demonstrando que este procedimento parece ser uma estratégia nova prometedora para fabricar implantes bioativos do titânio 13. In vitro foi avaliada a adesão de osteoblastos na superfície de 82

3 Nagem Filho H, Nagem HD, D Azevedo MTFS, Fiuza CT, Campi Júnior L implantes com cobertura de hidroxiapatita positiva (P-HA) e a variação de superfície negativa (N-HA). Estas superfícies têm sido providas para aumentar a capacidade de osseointegração. A análise de mobilidade demonstrou que o mesmo número de células iniciou a migração em conjunto na área da ferida, para cada tipo de superfície, e as variações aceleraram na superfície do implante com hidroxiapatita a reorganização citoesqueletética das células aderidas 16. Graças aos diferentes tipos de tratamentos tornou-se possível obter várias formas de caracterização da superfície facilitando a compreensão dos padrões de formação óssea, comportamento das células e até mesmo prever o tipo cicatricial que será obtido a partir da conformação dos tecidos adjacentes às superfícies dos implantes. Superfície de titânio com a rugosidade e microestrutura complexa aumenta a osseointegração no contato osso e implante, eleva a força de torque de remoção in vivo e a diferenciação in vitro dos osteoblastos induzidos pela função de rugosidade e topografi a na osseointegração. DISCUSSÃO Ao contrário dos implantes ortopédicos inseridos no meio interno os implantes dentais endósseos apresentam-se em uma situação única, pois funcionam em dois ambientes distintos: no meio interno, em contato com o osso e no meio externo, em contato com a cavidade oral 8. Um kit cirúrgico possui brocas longas e curtas para a perfuração do osso, além de todos os componentes e chaves que permitem a instalação do implante dental. No momento da perfuração óssea, o procedimento deve ser realizado através de irrigação contínua com uma solução fria e estéril para evitar dano excessivo ao tecido adjacente e para evitar o comprometimento da integração óssea. A reação tissular depende da pressão e velocidade de perfuração, como também, varia de acordo com o instrumento. O procedimento cirúrgico indica vários graus de infl amação. A reação tissular dependente da intensidade pode ser histologicamente diferenciada em duas zonas 11. Inicialmente existe uma região necrótica com a presença de células infl amatórias, da fase aguda, principalmente de neutrófi los polimorfonucleares, com tendência de início de uma discreta reação infl amatória crônica. O infi ltrado infl amatório geralmente é representado, também por esparsa população de linfócitos e plasmócitos e uma quantidade moderada de células histiocitárias, mas não se visualiza nesta fase nenhuma célula gigante tipo corpo estranho. Histiócitos são mais numerosos do que qualquer outra forma celular e podem transferir atividade colagenolítica para o substrato, causando dissolução da matriz. Por microscopia eletrônica de varredura foram examinadas culturas osteoblásticas em contato com discos de titânio 17. Os resultados mostraram que os osteoblastos cresceram em todas as superfícies. Foi observada uma propagação de células que demonstravam maturação nos discos de titânio irradiados a laser, provando que a irradiação a laser pode promover fi xação osteoblástica e neoformação óssea. A importância atribuída à interação entre células, proteínas e superfícies é geralmente considerada como um passo fundamental para a aplicação bem sucedida de qualquer biomaterial. Após a inserção do implante, dependendo da energia da superfície o fl uído plasmático adere, imediatamente, em contacto íntimo com a superfície, promovendo adsorção de proteínas e induzindo a interação indireta das células com o material. O paradigma das interações entre células e superfícies, que considera a adsorção de proteínas como primeiro acontecimento depois da existência de contato, determina os processos celulares consequentes e pode ser fulcral para o desenvolvimento de novas estratégias de biocompatibilidade e engenharia de tecidos. A adsorção de proteínas é considerada como um fenômeno dependente do material/superfície 15,19. A segunda zona se refere a uma camada de 2 nm a 5 nm de espessura de proteínas que aderem à superfície do implante no primeiro minuto de contato. A velocidade de aderência do líquido plasmático à superfície do implante depende da hidrofobicidade e da topografi a da superfície do implante. O contato entre as células e o substrato envolve provavelmente a extensão de processos celulares com carga negativa menor do que média da superfície 24. Considerando o papel preponderante que as características da superfície do implante têm na resposta reparacional, foram classifi cadas em três categorias: textura (ou rugosidade), carga (ou potencial elétrico) e química (normalmente descritos em valores de energia de superfície, p. ex.: tensão superfi cial) 5. O eventual grau de integração correlaciona-se positivamente com a deposição daquilo que nomearam de fi lme condicionador glicoprotéico que, por sua vez, depende de dois fatores: da textura, com sua propriedade de embricamento celular e da energia de superfície, com sua propriedade de adsorção molecular (wettability). A adsorção protéica ocorre rapidamente, com a formação de uma camada de 2 a 5 nm, no primeiro minuto após o contato com sangue. Como regra geral, as células não se aderem diretamente às superfícies dos materiais e sim à camada glicoprotéica extracelular que está adsorvida na superfície do implante. Dentre as várias macromoléculas capazes de promover aderência celular, as mais estudadas são: fi bronectina, laminina, epibolina, epinectina, osteopontina, moléculas colágenas e vitronectina 6. A adsorção de proteínas séricas na superfície de biomateriais é de grande importância, uma vez que, este fenômeno de interface é o evento determinante nas propriedades hemocompatíveis quando dispositivos intra- ou extracorpóreos estão em contato com sangue. Sabe-se que as proteínas séricas, além de possuírem dimensões nanométricas, são capazes de se auto-organizarem formando arquiteturas supramoleculares. Por esta razão, a homogeneidade e ordenamento de camadas protéicas formadas durante o processo de adsorção devem ser monitorados por experimentos sensíveis a alterações na estrutura protéica 20. Parece que o parâmetro real observado na adsorção da proteína é a natureza da topografi a do implante com diferentes alturas em suas irregularidades. Cresce o grau de orientação das 83

4 Influxo do perfil dos implantes células com o aumento da profundidade das rugosidades. O menor limite para a preferência de orientação de adsorção celular seria aproximadamente em torno de 44 nm, o que poderia representar que, dependendo do tamanho e da forma da proteína, pode-se elaborar uma ótima textura de superfície do implante 9. Os neutrófi los migram dependentes da intensidade infl amatória, por haptotaxia, que seria a migração celular unidireccional ao longo de uma variação gradativa de moléculas de uma substância quimiotáxica ligada ao substrato na matriz extracelular 18. O controle é mediado por interação simultânea da lectina com seu glicoligante e citocinas IL-1, IL-8 que participam em estimular a ativação de macrófagos e consequente indução à produção e secreção de IL-12, citocina que, por sua vez, estimula a secreção, por linfócitos, de IFN-l. A adsorção de proteínas pode ser infl uenciada por várias propriedades de superfície como a estrutura química, a hidrofobicidade e a topologia do material sintético. A adsorção da proteína às superfícies depende diretamente das propriedades físico-químicas das texturas de superfície dos implantes como: molhabilidade, composição química, textura e energia livre de superfície. Obviamente estas características tendem a exercer um efeito profundo no bioestabilidade e nas propriedades interfaciais da superfície implantada, como por exemplo, a hidrofobia e hidrofi lia da superfície. Os estímulos diferenciados de superfícies de condicionamentos variados foram analisados por muitos pesquisadores 2,15,19. O comprimento e diâmetro do implante são decisivos em relação à densidade óssea, mas a superfície e a limpeza representam um fator essencial na seleção do parafuso. Embora exista um contínuo debate sobre a natureza de uma adequada adesão ao implante, não existe dúvida de que em um determinado estágio às células são atraídas e aderem ao implante para formar o tecido de integração. A aderência de células à superfície do implante é um assunto complexo porque existem três distintos tipos de células envolvidas: epitélio, tecido conjuntivo e tecido ósseo. O termo haptotaxia foi sugerido para descrever uma hipótese para o movimento direcional das células, envolvendo a mobilidade que ocorre como resultado da variação do grau de certas características adesivas no substrato 7. A formação óssea é um processo complexo que envolve a migração de células para a superfície óssea, proliferação de células osseoprogenitoras e diferenciação em células osteoblásticas durante a liberação de proteínas como matriz óssea, que coordena o processo de mineralização 4. Os implantes cobertos com hidroxiapatita têm uma união entre o núcleo de titânio e a camada de hidroxiapatita que promove uma melhora potencializada de adesão celular sobre os sistemas de implantes, porquanto a atividade funcional das células em contato íntimo com do implante é determinada por suas propriedades da superfície. Antes que adesão celular, matriz extracelular (ECM) no depósito sérico no substrato; as células osteoblásticas aderem e espalham mais com maior rapidez em superfície de hidroxiapatita do que em titânio puro e induzem, durante o período de cicatrização, a formação de osso lamelar, porém não formam um vínculo positivo 10. O processo é seguido imediatamente por nova formação óssea pela auto-indução, na qual tanto as células indutoras como as células induzidas são derivadas de células que fl orescem do leito hospedeiro. A célula indutora é descendente do histiócito vacante, a célula induzida é um histiócito fi xo ou célula perivascular jovem do tecido conjuntivo. A diferenciação da célula osseoprogenitora é iniciada por alterações locais nos ciclos metabólicos celulares como já caracterizado. CONCLUSÃO A migração, proliferação de células osseoprogenitoras e diferenciação em células osteoblásticas, durante a liberação de proteínas como matriz óssea, coordenam o processo de mineralização; O infi ltrado infl amatório representado por neutrófi los possui uma população de linfócitos e plasmócitos e de células histiocitárias; As propriedades de superfície, como morfologia, topografi a e composição química são capazes de induzir respostas celulares e teciduais específi cas na interface osso-implante de modo acelerar ou aumentar a osseointegração. 84

5 Nagem Filho H, Nagem HD, D Azevedo MTFS, Fiuza CT, Campi Júnior L REFERÊNCIAS Allen MR, Hock JM, Burr DB. Periosteum: biology, regulation, and response to osteoporosis therapies. Bone. 2004;35(5): Alves CVM. The role of protein interaction with novel starch based polymeric implant materials on determining the correspondent host responses [thesis]. Braga (Portugal): Universidade do Moinho, Escola de Engenharia; Assis AF. Desenvolvimento do fenótipo osteoblástico em células derivadas de osso alveolar humano cultivadas sobre titânio revestido com colágeno tipo I [dissertation]. Ribeirão Preto (SP): Universidade de São Paulo; Aubin JE. Bone stem cells. J Cell Biochem Suppl. 1998;30-31: Baier RE, Meyer AE. Implant surface preparation. Int J Oral Maxillofac Implants. 1988;3(1):9-20. Brunette DM. The effects of implant surface topography on the behavior of cells. Int J Oral Maxillofac Implants. 1988;3(4): Carter SB. Haptotaxis and the mechanism of cell motility. Nature. 1967:213(5073): Donley TG, Gillette WB. Titanium endosseous implant-soft tissue interface: a literature review. J PeriodontoI. 1991;62(2): Galli C, Coen MC, Hauert R; Katanaev VL, Wymann MP, Gröning P, et al. Protein adsorption on topographically nanostructured titanium. Surf Sci. 2001;474(1-3):L180-L184. Goto T, Yoshinari M, Kobayashi S, Tanaka T. The initial attachment and subsequent behavior of osteoblastic cells and oral epithelial cells on titanium. Biomed Mater Eng. 2004;14(4): Laing PG, Ferguson AB Jr, Hodge ES. Tissue reaction in rabbit muscle exposed to metallic implants. J Biomed Mater Res. 1967;1(1): Lautenschlager EP, Monaghan P. Titanium and titanium alloys as dental materials. Int Dent J. 1993;43(3): Maekawa K, Yoshida Y, Mine A, van Meerbeek B, Suzuki K, Kuboki T. Effect of polyphosphoric acid pre-treatment of titanium on attachment, proliferation, and differentiation of osteoblast-like cells (MC3T3-E1). Clin Oral Implants Res. 2008;19(3): Masaki C, Schneider GB, Zaharias R, Seabold D, Stanford D, Stanford C. Effects of implant surface microtopography on osteoblast gene expression. Clin Oral Implants Res. 2005;16(6): Nagem H Filho, Francisconi PAS, Campi L Júnior, Fares NH. Infl uência da textura superfi cial dos implantes. Rev Odonto Cienc. 2007;22(55):82-6. Nakamura M, Nagai A, Tanaka Y, Sekijima Y, Yamashita K. Polarized hydroxyapatite promotes spread and motility of osteoblastic cells. J Biomed Mater Res A. 2009;Mar 9. Epub ahead of print. Romanos G, Crespi R, Barone A, Covani U. Osteoblast attachment on titanium disks after laser irradiation. Int J Oral Maxillofac Implants. 2006;21(2): Rot A. A endothelial cell binding of NAP-1/IL-8: role in neutrophil emigration. Immunol Today. 1992;13(8): Rupp F, Scheideler L, Olshanska N, de Wild M, Wieland M, Geis- Gerstorfer J. Enhancing surface free energy and hydrophilicity through chemical modifi cation of microstructured titanium implant surfaces. J Biomed Mater Res A. 2006:76(2): Silva ECSV, Queiroz AAAD, Nunes EHM, Vasconcelos DCL, Vasconcelos WL. Estudo de fenômenos biológicos na superfície de fi lmes de poli(ε-caprolactona) com topologia de 4 estrelas por microscopia de força atômica (AFM) [cited 2009 Apr]. Available from: Tortomano P Neto. Novas superfícies para a osseointegração otimizando a carga imediata e a carga precoce. ImplantNews. 2006;3(1):12-3. Urist, MR. Bone: formation by auto induction. Science. 1965;150(698): Vidigal GM Jr, Groisman M. Osseointegração x biointegração: uma análise crítica. Rev Bras Odontol. 1997;4:54. Weiss L. Cell adhesion. Int Dent J. 1978;28(1):