Modellazione intelligente e ottimizzazione della mordenzatura della superficie del titanio per l'applicazione di impianti dentali

May 31, 2023

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 7184 (2022) Citare questo articolo

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La mordenzatura con acido è uno dei processi più popolari per il trattamento superficiale degli impianti dentali. In questo articolo viene studiata la mordenzatura con acido del titanio commercialmente puro (cpTi) in una soluzione di H2SO4 al 48%. Si presuppone che il tempo del processo di attacco (0–8 ore) e la temperatura della soluzione (25–90 °C) siano le condizioni operative più efficaci per influenzare i parametri di rugosità superficiale come la deviazione media aritmetica del profilo valutato sulla superficie (Ra) e la media dell'altezza massima picco-valle della superficie sul profilo di lunghezza considerato (Rz), nonché la perdita di peso (WL) degli impianti dentali nel processo di mordenzatura. Per la prima volta, una rete neurale artificiale a tre percettroni multistrato (MLP-ANN) con due strati nascosti è stata ottimizzata per prevedere Ra, Rz e WL. MLP è una classe feedforward di ANN e modello ANN che coinvolge calcoli e matematica che simulano i processi del cervello umano. I modelli ANN possono prevedere correttamente le variazioni di Ra, Rz e WL durante l'attacco in funzione della temperatura e del tempo del processo. Inoltre, il WL può essere aumentato per ottenere un Ra elevato. Con WL = 0 si ottiene un Ra di 0,5 μm, mentre il Ra aumenta a 2 μm con WL = 0,78 μg/cm2. Inoltre, il modello ANN è stato inserito in un algoritmo genetico di ordinamento non lineare (NSGA-II) per stabilire il processo di ottimizzazione ed è stata dimostrata la capacità di questo metodo di prevedere le condizioni di attacco ottimizzate.

È stato dimostrato che la creazione di superfici ruvide sugli impianti medici ne migliora la biointegrazione derivante dall'aumento della produzione di tessuto osseo sulle superfici modificate1,2,3,4. Molti studi hanno dimostrato che tessuti fibrosi indesiderati tendono a formarsi su superfici lisce, mentre superfici più ruvide favoriscono la formazione di tessuto osseo solido5,6 hanno condotto uno studio a lungo termine sull'integrazione ossea con impianti7,8. L'osso viene generato in un processo a più fasi in cui le cellule osteoclastiche rimuovono selettivamente il tessuto per formare fosse (lacune) e le cellule osteoblastiche, a loro volta, raccolgono e formano i tessuti della matrice ossea9. Poiché gli osteoclasti non possono interagire con i materiali dell'impianto, come il titanio (Ti), il legame degli osteoblasti può essere inibito se la superficie di un impianto non possiede strutture su scala micro, meso e nano simili a quelle create dagli osteoclasti10.

Di solito, la rugosità superficiale viene controllata con alcuni parametri come Ra, Rz e Sa. Ra è un parametro 1-D ed è definito come deviazione media aritmetica del profilo valutato11. Per la misurazione di Ra, una punta molto sottile del rilevatore si muove in una direzione lineare orizzontale sulla superficie del campione (in modalità a contatto o senza contatto), verranno segnalati i movimenti verticali12,13. Rz è l'altezza massima da picco a valle dello stesso profilo, studiata per la misurazione di Ra12. Sa è un parametro di rugosità areale che viene rilevato da una superficie 2-D (a differenza di Ra che viene rilevato da un percorso lineare)11. In base alle definizioni, Ra e Sa sono molto vicini tra loro e la scelta di uno di essi si basa sulle apparecchiature di misurazione (alcuni riportano Ra e altri riportano Sa)11,12.

L'incisione è uno dei processi più popolari utilizzati per migliorare la ruvidità superficiale e migliorare altre proprietà della superficie. È responsabile del miglioramento del contatto dell'impianto dentale con l'osso e può specificare la forza del contatto dell'impianto con la superficie11,12,13,14,15 e la risposta dell'osso16,17,18,19,20. Attualmente sul mercato è disponibile un’ampia gamma di impianti dentali commerciali. Questi impianti hanno proprietà diverse, come il nucleo dell'impianto, le specifiche geometriche e le caratteristiche della superficie. Alcuni marchi commerciali, come Ospol (Hollviken, Svezia), con Sa = 0,26 μm, hanno una superficie liscia (Sa < 1 μm è considerato liscio)21. D'altra parte, altri impianti commerciali, come SLA (Standard Plus; ITI Straumann, Basilea, Svizzera; Sa = 1,7 μm), Ankylos (DentsplyFriadent, Menheim, Germania; Sa = 1,55 μm), Frialit (DentsplyFriadent, Menheim, Germania ; Sa = 1,79 μm) e Promote (Screwline, Calog, Basilea, Svizzera; Sa = 1,30 μm), sono moderatamente ruvidi (con Sa compreso tra 1 e 2 μm)22,23. Inoltre, alcune altre superfici, come Kohno HRPS e Kohno DES HRPS (Svezia e Martina, Due Carrare, Italia; Sa = 3,11 e 3,16 rispettivamente), hanno il più alto grado di rugosità (le superfici con Sa > 2 sono considerate massimamente ruvide) 22,23.