1.2.1. Физиологические процессы на поверхности металлов, имплантированных в живой организм

После хирургической установки дентального металлического имплантата его поверхность мгновенно начинает взаимодействовать с физиологическими жидкостями и тканями организма человека.

Сразу после имплантации на поверхности материала присутствует вода гидратированные ионы (анионы и катионы), протеины и липиды. Сначала поверхность взаимодействует с составляющими воды, а с ней — различные протеины. Молекулы воды по-разному взаимодействуют с металлом в зависимости от гидрофобности или гидрофильности его поверхности. В одних случаях поверхность становится гидроксилированной, в других — формируется недиссоциированная пленка воды. Последняя, в свою очередь, влияет на взаимодействие с аминокислотами, пептидами, протеинами, липидами и другими базовыми молекулами живой биосистемы. Например, гидрофильная поверхность взаимодействует в основном с гидрофильными доменами протеинов, тогда как гидрофобная поверхность — с гидрофобными доменами протеинов. 

Взаимодействие воды с биомолекулами, в свою очередь, определяет в последующем поведение живых клеток, которые реагируют с протеинами и липидами через их рецепторы и мембраны.

Возможны два вида отклика окружающих тканей на имплантированный металл. Первый вид включает формирование фиброзной мягкой ткани вокруг установленного имплантата. Такие ткани снижают прочность связи между имплантатом и костью, что приводит к клиническому дефекту протезов. Второйвид отклика кости связан с непосредственным состоянием интерфейса имплантат—кость без участия промежуточных тканей (процесс остеоинтеграции). Как известно, кость, как специфическая ткань, содержит три типа клеток: остеобласты, остеоциты и остеокласты.

Таким образом, остеоинтеграция означает формирование прямого контакта материала с костью без мягких тканевых компонентов между костью и имплантатом на микроскопическом уровне. Для механически обработанного титана, например, процесс заживления с формированием прямого контакта с костью занимает несколько месяцев. Быстрая остеоинтеграция способствует более длительной службе протеза. В том случае, если имплантат имеет даже незначительные механические смещения, между ним и костью формируется фиброзная ткань. Основные этапы процесса остеоинтеграции стоматологических имплантатов достаточно изучены. Однако молекулярный механизм остеоинтеграции костных клеток на поверхности металлических имплантатов до сих пор окончательно не выяснен.

Многочисленные эксперименты in vitro и in vivo показали, что адгезия клеток является одним из важнейших процессов, который непосредственно влияет на размножение клеток, их миграцию и дифференциацию. Эти процессы определяют успешную интеграцию биоматериалов с живой тканью, в частности в случае остеоинтеграции при использовании металлических имплантатов. 

Поверхностное состояние металлических имплантатов играет решающую роль в адгезии клеток и их размножении. Взаимодействие между биологическим окружением (твердые и мягкие ткани, кровь, жидкости организма, в частности, сыворотка и слюна) и биоматериалом происходит на его поверхности, и биологический отклик со стороны живой ткани зависит от разнообразных свойств поверхности, таких как химический состав, чистота, текстура и рельеф, поверхностная энергия, коррозионная стойкость, и тенденция к денатурализации окружающих протеинов. 

Кроме того, важной составляющей поверхностных характеристик имплантата является биологическая активность различных клеточных культур, в частности, их прикрепление (адгезия), разброс, размножение и видоизменение перед формированием костной ткани. Состояние поверхности биоматериала обуславливает эффективность адсорбции материнских протеинов и влияет на взаимодействие между клетками и внеклеточными молекулами. 

Желательно также, чтобы поверхность металла обладала гидрофильными свойствами, что благоприятно для ее взаимодействия с биологическими жидкостями, клетками и тканями. Следует подчеркнуть, что биосовместимость материала определяется процессами взаимодействия между имплантатом и биологической системой на микро- и наноуровне.

Влияние физико-химического состояния поверхности имплантатов на процессы остеоинтеграции в живом организме установлено давно.

Решающую роль в этом процессе остеоинтеграции играет микротекстура и химический состав поверхности имплантата. Детали физической текстуры на атомном и молекулярном уровнях действуют как контактные области для биологических веществ, таких как протеины, клетки, ткани и т.д. Различные типы связей, характерные для указанных биологических единиц, важны для взаимодействия между поверхностью с окружающей средой. 

С другой стороны, химическое состояние поверхности металла, в свою очередь, определяет активность ее связи с биомолекулами, в частности уровень их адгезии. На поверхности протекают различные по своей природе химические реакции в зависимости от окружающей среды, что существенно затрудняет понимание их механизмов. 

Несмотря на то, что некоторые исследователи предполагают существование химического взаимодействия между костью и поверхностью имплантатов, остеоинтеграция, в значительной степени, относится к физической интеграции, или механической фиксации имплантата в кости. При близком соединении кости с поверхностью, макроскопически на уровне винтовой резьбы или микроскопически на уровне следов машинной обработки и дефектов поверхности, интерлокинг (смыкание) обеспечивает механическое сопротивление усилиям, таким как усилие сдвига, испытываемым при тестах на вытягивание, кручение, изгиб, циклическую усталость. Однако в условиях чисто физического взаимодействия, интерфейс будет не в состоянии выдержать даже умеренные растягивающие усилия. 

Термин остеоинтеграция был предложен специально для химического сращивания имплантатов с костной тканью. Термин применим к поверхностным реактивным материалам, таким как фосфат кальция и биоактивные стекла, которые подвергаются реакциям, приводящим к возникновению химической связи между костью и биоматериалом. При таких материалах ткань эффективно сращивается с имплантатом.

Примером качественного доказательства химической связи может служить распространение линий перелома через имплантат или через ткань, но не вдоль интерфейса.

При остеоинтеграции большое значение имеют также электропотенциалы имплантата и кости, которые отличаются друг от друга. 

Металлический имплантат может оказывать шунтирующее, экранирующее и биоэлектрокаталитическое воздействие на окружающие ткани.

Отсутствие ясности при изучении этих проблем объясняется сложностью функции костных тканей и многофакторностью воздействия имплантатов. По современным представлениям, костная ткань генерирует статические и динамические потенциалы. Идеальный имплантат не должен изменять биопотенциалы кости на месте имплантации.

Деградация поверхности или покрытий на имплантатах в живом организме через длительное время приводит к разрушению контакта между костью и металлом. Поэтому функционирование дентальных имплантатов зависит от эффективности взаимодействия на границе раздела кость-имплантат.

За счет агрессивного действия окружающей имплантат среды имеет место эмиссия металлических ионов (металлического материала) и накопление их в живых тканях организма и вызывающих иногда аллергические реакции. Следует отметить, что сам по себе титан не воздействует отрицательно на живые клетки.

Таким образом, определяющим фактором успешной остеоинтеграции являются свойства поверхности имплантата, по той причине, что она непосредственно контактирует с костной тканью и вступает с ним в сложные взаимодействия. В связи с этим можно утверждать, что характеристики поверхности имплантата имеют фундаментальное значение при достижении успешных результатов в применении имплантатов. Несмотря на многочисленные исследования на протяжении многих лет, физико-химические характеристики идеальной поверхности имплантата все еще находятся в процессе становления.