Цели: В последнее время вырос интерес к керамическим зубным имплантатам, изготовленным из тетрагонального поликристаллического оксида циркония, стабилизированного иттрием (Y-TZP), или из оксида циркония, упрочненного оксидом алюминия (ATZ). Однако из-за процессов старения, коррозии и возможного наличия примесей состав материалов этих имплантатов, а также связанный с ними термин «неметаллический» постоянно ставятся под сомнение. Поэтому целью данного исследования является элементный анализ доступных для приобретения зубных имплантатов для уточнения их элементного состава и обнаружения примесей.
Методы: Девять доступных для приобретения систем зубных имплантатов из оксида циркония и образцов соответствующих материалов были проанализированы с помощью масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-МС) и оптико-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-ОЭС).
Результаты: В элементном составе преобладали основные компоненты Zr, Y и Al в ATZ-образцах. Однако все исследуемые образцы содержали примеси Hf и были загрязнены щелочными и щелочноземельными элементами (Na, K, Mg, Ca), основными следовыми элементами (например, Fe, Cu, Zn), а также потенциально токсичными металлическими элементами (например, Ni, Cr). Более того, в большинстве образцов было обнаружено загрязнение сверхследового уровня радиоактивными изотопами U-238 и Th-232.
Значимость: Результаты показывают, что даже при полном соответствии всех изученных зубных имплантатов из Y-TZP и ATZ актуальным на настоящий момент стандартам ISO и техническим спецификациям производителя с элементной точки зрения они содержат металлы. Так как для термина «неметаллический» отсутствуют универсальное определение и четкие границы, вопрос о том, можно ли в целом классифицировать изученные зубные имплантаты из оксида циркония как «неметаллические», до сих пор остается спорным.
Введение
Сегодня, спустя десятилетия научных исследований и разработки, титановые зубные имплантаты являются основой современного ортопедического протезирования при потере зуба. Хотя титан до сих пор остается предпочтительным материалом для изготовления зубных имплантатов, он может вызывать иммунологические реакции, а его применение в эстетических зонах ограничено из-за сероватого цвета при обнажении шейки (Мюллер и Валентайн-Тон, 2006; Сисилия и др., 2008; Осман и Свейн, 2015; Сионка и др., 2017; Хейдек и др., 1999).
Из-за появившихся запросов на эстетичный вид зубных имплантатов и потребности в неметаллических реставрациях в последние годы вырос интерес к керамическим зубным имплантатам из оксида циркония цвета зубной эмали (диоксид циркония, ZrO₂) (Сионка и др., 2017). Сейчас многие производители предлагают системы одно- или двухкомпонентных имплантатов из диоксида циркония, широко рекламируемые как «неметаллическая» альтернатива титановым имплантатам.
Современные зубные имплантаты из оксида циркония чаще всего изготавливаются из керамики на основе стабилизированного иттрием тетрагонального поликристаллического оксида циркония (Y-TZP) или тетрагонального поликристаллического оксида циркония с добавлением оксида алюминия (ATZ — упрочненный оксидом алюминия оксид циркония) (Осман и Свейн, 2015; Сионка и др., 2017; Шиной и Шиной, 2010).
В отличие от керамики из оксида алюминия (Al₂O₃), которая использовалась для производства ранних керамических зубных имплантатов и связывалась с неудовлетворительным уровнем приживаемости (Стефлик и др., 1995; Фарташ и Арвидсон, 1997), современная TZP-керамика обладает многообещающими физико-механическими свойствами, например низкой теплопроводностью, улучшенной прочностью на изгиб и трещиностойкостью (Сионка и др., 2017; Чай и др., 2007; Йилмаз и др., 2007). Дополнительно было доказано, что керамические зубные имплантаты демонстрируют такую же скорость остеоинтеграции, как и титановые имплантаты, хорошую биосовместимость, эпителиальное прикрепление, а также низкий показатель накопления зубного налета (Депприх и др., 2008; Кохаль и др., 2004; Рёхлинг и др., 2018; Скарано и др., 2004).
Однако, помимо заявлений о благоприятных свойствах оксида циркония как материала для зубных имплантатов, также растет обеспокоенность по поводу прочности материала, а в первую очередь — его гидротермального старения и связанной с ним деградации, известной как низкотемпературная деградация (НТД) (Луги и Серго, 2010). Так как недавние исследования НТД и коррозии керамики из оксида циркония показали, что она не является на 100% химически стабильной (Луги и Серго, 2010; Томас и др., 2016; Шевалье, 2006; Лоусон, 1995; Лоусон и др., 1995), возникают вопросы о составе зубных имплантатов из оксида циркония.
Неопределенности также способствует обсуждение элементных примесей в медицинской керамике из оксида циркония, возникающих в результате ее естественного происхождения (Бавбек и др., 2014; Порстендорфер и др., 1996; Пиккони и Маккауро, 1999).
В естественных условиях элемент цирконий (Zr) в основном содержится в таких минералах, как циркон (ZrSiO₄) и бадделеит (ZrO₂). Циркон является побочным продуктом добычи титана (ильменит, рутил), а бадделеит — побочным продуктом производства меди и урана (Пиккони и Маккауро, 1999; Нильсен и Вильфинг, 2010; Вагкопуло и др., 2009). Таким образом, в зависимости от источника, месторождения и последующей обработки содержащего цирконий сырья стоматологические керамические материалы могут быть загрязнены множеством следовых элементов, например тяжелыми металлами — металлами с удельной плотностью выше 5 г/см³ (Еруп, 2003), — и радиоактивными изотопами (Нильсен и Вильфинг, 2010; Вагкопуло и др., 2009; Хёрли и Фэйрбэйрн, 1957).
Как следствие, стоматологическая циркониевая керамика в настоящий момент стандартизируется, например стандартом Международной организации по стандартизации (ISO) ISO 13356 «Имплантаты для хирургии — керамические материалы на основе тетрагонального оксида циркония, стабилизированного иттрием (Y-TZP)» (ISO, 2015), а также ISO 6872 «Стоматология — керамические материалы» (ISO, 2015).
Состав материалов зубных имплантатов из оксида циркония и связанный с ним термин «неметаллический» продолжают вызывать вопросы (Экерт, 2019). В настоящий момент отсутствуют как стандартизированное универсальное определение, так и предельные значения термина «неметаллический», однако сам термин подразумевает поддающийся количественной оценке состав без металлов.
Часто утверждают, что зубные имплантаты из оксида циркония всегда содержат компоненты оксидных соединений циркония и его легирующих добавок и, следовательно, в комплексе могут считаться неметаллическими, поскольку оксиды металлов в основном обладают неметаллическими физическими свойствами (Луги и Серго, 2010). Однако, если биомеханика, остеоинтеграция и показатели приживаемости керамических зубных имплантатов уже изучены (Сионка и др., 2017), то об элементном составе и чистоте зубных имплантатов из оксида циркония известно и опубликовано немного (Бегер и др., 2018).
Недавно элементный состав поверхности коммерческих имплантатов из оксида циркония был исследован с помощью энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDX) (Бегер и др., 2018). Сегодня предпочтительными методами полного элементного и изотопного анализа тела имплантата с высокой чувствительностью и низким пределом обнаружения вплоть до ультраследового уровня (<0,0001 масс.%, что эквивалентно <1 миллионной доли, мд) являются масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-МС) и оптико-эмиссионная спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-ОЭС) (Лимбек и др., 2017).
Таким образом, данное исследование нацелено на проведение соответствующих современному техническому уровню анализов ИСП-МС/ИСП-ОЭС коммерческих зубных имплантатов из оксида циркония для уточнения их элементного состава и обнаружения примесей.
2. Методы
2.1. Получение образцов и межотраслевое сотрудничество
В рамках данной работы исследовались девять коммерческих зубных имплантатов из оксида циркония и соответствующие образцы материалов от восьми производителей/поставщиков: имплантаты — n = 9; образцы материалов — n = 9. Имплантаты приобретались напрямую у соответствующего производителя/поставщика.
Вместе с имплантатами предоставлялись соответствующие образцы материалов, которые, как правило, используются для испытаний на чувствительность перед имплантацией. После задокументированного получения товаров имплантаты и образцы материалов были распакованы, помещены в стеклянные флаконы (AR-GLAS®, Schott AG, Майнц, Германия) и пронумерованы трехзначным кодом. Обзор всех исследованных имплантатов и образцов материалов представлен в таблице 1.
Аналитический метод был предоставлен и применен Институтом прикладных материалов — физики прикладных материалов (IAM-AWP) Технологического института Карлсруэ (KIT) после того, как проект данного исследования был одобрен и принят Центром нано- и микротехнологий Карлсруэ (KNMF). Во время анализа происхождение образцов оставалось неизвестным для IAM-AWP: они были пронумерованы трехзначным кодом.
2.2. Преданалитическая обработка и химическое разложение образцов
Для химического разложения образцы, пригодная для анализа масса каждого из которых составляла 1–15 г, были раздроблены и перемолоты с помощью дробильной мельницы из Si₃N₄ (SRS-2000, Analysen Geräte GmbH, Лойткирх, Германия).
Была проведена подвыборка образцов: они были разделены на три повторных образца по 150 мг каждый с точностью взвешивания ±0,05 мг (X56, Mettler-Toledo, Гисен, Германия). Для образца HT3 был подготовлен только один образец массой 150 мг из-за нехватки материала.
Каждый образец из подвыборки был расплавлен в смеси из 2 г метабората лития (EQF-ML-100; Equilab S.A., Мадрид, Испания) и 25 мг бромида лития (44199; Alfa Aesar, Thermo Fisher (Kandel) GmbH, Карлсруэ, Германия) в платиновом тигле (FLUXER F1, Equilab S.A., Мадрид, Испания).
После плавки с температурной программой до 1200 °C расплав автоматически заливался в тефлоновый лабораторный стакан, содержащий смесь 25 мл HNO₃ суб. 23% и 25 мл HCl суб. 17,5%. Жидкость в лабораторном стакане перемешивали магнитным стержнем с тефлоновым покрытием до растворения расплава.
Прозрачный раствор образца переносили в тефлоновую чашу, а лабораторный стакан промывали 100 мл сверхчистой воды (OmniaPure, Stakpure GmbH, Нидерар, Германия). Нерасплавленные и нерастворившиеся остатки Si₃N₄ — загрязняющая примесь из дробильной мельницы — были отфильтрованы и проанализированы с помощью рентгеновской флуоресцентной спектрометрии (РФС) (Pioneer S4, Bruker AXS, Карлсруэ, Германия), чтобы установить, что они не являются материалом образца.
Из-за большого количества образцов из подвыборки (n = 52) количественные измерения проводились в два цикла; см. различные нижние границы определяемых концентраций (ГОК) в таблицах C.1/2 и C.3/4.
2.3. Оптико-эмиссионная спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-ОЭС)
Для анализа концентрации элементов каждый образец разводили азотной кислотой суб. (2%) с коэффициентом 10 и измеряли полуколичественным методом с помощью ИСП-ОЭС (iCAP 7600 ICP-OES Duo, Thermo Fisher Scientific Inc., Уолтем, штат Массачусетс, США).
Каждый раствор образца разводили несколько раз в зависимости от концентрации различных элементов. Вместо применения методов доведения до метки раствор образца и сверхчистую воду взвешивали (XP 205, Mettler-Toledo, Гисен, Германия), так как этот способ дает более точные результаты.
Анализ элементов выполнялся с помощью четырех различных калибровочных растворов и внутреннего стандарта (Sc) методом ИСП-ОЭС (см. выше). Для малых и следовых элементов раствор адаптировался к матрице (Li, B, Y, Zr, Hf, кислота). Диапазон калибровочных растворов начинался от 0,2 мг/л и включал область концентрации образцов.
Для расчетов использовались от одной до трех волновых длин каждого элемента. В таблице A1 указаны настройки оборудования для ИСП-ОЭС.
2.4. Масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-МС)
Для измерения концентрации элементов, которые обладают меньшей чувствительностью при анализе методом ИСП-ОЭС, но являются основными следовыми элементами в легированном иттрием ZrO₂, применялась ИСП-МС (7500ce ICP-MS, Agilent Technologies Inc., Санта-Клара, штат Калифорния, США).
Элементный анализ выполнялся с помощью четырех различных калибровочных растворов, адаптированных к матрицам (Li, B, Y, Zr, Hf, кислота), и внутреннего стандарта (In). Диапазон калибровочных растворов начинался от 0,1 до 2,0 мкг/л, а для Th и U — от 0,01 до 0,2 мкг/л, и включал диапазон концентраций образцов.
Для расчета использовались от одной до трех масс элементов. В таблице A2 указаны настройки оборудования для ИСП-МС.
2.5. Контроль качества
Для контроля качества химического разложения, измерений и результатов анализа сертифицированный эталонный материал BAM Федерального ведомства по исследованию и испытанию материалов (ERM®-ED105) был расплавлен и проанализирован в рамках того же цикла измерений, что и образцы.
В таблице B1 показаны сертифицированные значения и результаты измерений сертифицированных элементов. Сертифицированные калибровочные растворы для ИСП (Alfa Aesar, Thermo Fisher (Kandel) GmbH, Карлсруэ, Германия) контролировались с помощью другого сертифицированного раствора для ИСП от другого производителя (Merck KGaA, Дармштадт, Германия). Извлечение этих стандартов из адаптированных к матрице растворов составило от 90 до 110%.
2.6. Вычисления и описательная статистика
Результаты измерений были представлены в виде средних значений для соответствующих образцов из подвыборки, стандартного отклонения (СО) и погрешности измерения (±) (см. таблицы C1–4).
Для лучшей интерпретации данных результаты визуализировались в мг/кг (мд), а также в массовых процентах (масс.%) с коэффициентом пересчета 10 000 (см. рис. 1–3). Дополнительно стехиометрические оксидные соединения были рассчитаны с соответствующими коэффициентами пересчета: коэффициент пересчета = молярная масса оксида / молярная масса элементов, представленных в оксиде.
Расчет описательной статистики проводился с помощью программы IBM SPSS Statistics, версия 25.0, выпущенной в 2017 году (IBM Corp., Армонк, штат Нью-Йорк, США). Описательные значения когорты — среднее значение и СО — для удобства были округлены.
3. Результаты
Все результаты элементного анализа ИСП-МС и ИСП-ОЭС представлены в таблицах C1–4. В таблице 2 указаны отдельные рассчитанные и нормализированные стехиометрические оксиды.
3.1. Доли циркония (Zr), иттрия (Y) и алюминия (Al)
Самые крупные доли элементов в исследованных Y-TZP-образцах были представлены Zr и Y. В среднем Y-TZP-образцы (n = 16) содержали 66,77 масс.% Zr (СО: 0,61 масс.%) и 4,05 масс.% Y (СО: 0,19 масс.%).
В ATZ-образцах (HT3 и Y2X) доли Zr и Y были меньше: Zr — в среднем 52,50 масс.%, Y — в среднем 3,27 масс.%. ATZ-образцы, в соответствии с терминологией, содержали крупные доли алюминия — в среднем 10,42 масс.%. Тем не менее все исследованные Y-TZP-образцы также показали следы Al: среднее значение составило 1317,63 мг/кг (СО: 516,23 мг/кг).
На рис. 1 изображены доли Zr, Y и Al в каждом образце.
3.2. Гафний (Hf) и другие «тяжелые металлы»
Здесь термин «тяжелые металлы», как принято в остальной литературе, относится к металлам, плотность которых в чистом виде превышает 5 г/см³ (Еруп, 2003). Цирконий, сам являющийся тяжелым металлом, в этом исследовании рассматривается отдельно, так как он является основным компонентом исследуемых образцов (см. раздел 3.1).
В Y-TZP-образцах доля накопленных тяжелых металлов, в которую входят анализируемые элементы V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Nb, Mo, Cd, Sn, Sb, Te, Hf, Ta, W, Tl, Pb, Bi, Th и U, составляла в среднем 1,59 масс.% (среднее значение: 15 903,76 мг/кг; СО: 319,31 мг/кг). Однако на гафний (Hf) приходилась крупнейшая доля этой фракции: среднее значение составило 15 768,75 мг/кг (СО: 257,47 мг/кг).
В ATZ-образцах была выявлена как меньшая доля накопленных тяжелых металлов — в среднем 1,26 масс.% (12 600 мг/кг), так и меньшая примесь гафния — в среднем 12 300,00 мг/кг.
Кроме гафния, во всех образцах также содержалась примесь железа.
Кроме гафния, во всех образцах также содержалась примесь железа (Fe): среднее значение составило 106,17 мг/кг (СО: 65,85 мг/кг). Исключением в отношении примесей Fe стал ATZ-образец Y2X, для которого среднее значение составило 327,00 мг/кг.
Дополнительно в 16 из 18 образцов были обнаружены следы хрома (Cr): среднее значение составило 10,13 мг/кг (СО: 7,20 мг/кг). В 6 из 18 образцов были обнаружены следы никеля (Ni): среднее значение составило 12,33 мг/кг (СО: 3,93 мг/кг). Также в 6 из 18 образцов были выявлены следы цинка (Zn): среднее значение составило 6,00 мг/кг (СО: 1,10 мг/кг).
В образце F92 были обнаружены примеси молибдена (Mo): среднее значение составило 437,00 мг/кг; олова (Sn): среднее значение — 12,50 мг/кг; теллура (Te): среднее значение — 1,50 мг/кг; тантала (Ta): среднее значение — 53,10 мг/кг; и вольфрама (W): среднее значение — 71,00 мг/кг.
На рисунке 2 изображена накопленная и установленная следовая примесь тяжелых металлов.
3.3. Ультраследовой уровень примесей тория (Th) и урана (U)
По результатам ИСП-МС-анализа было обнаружено, что 12 из 18 образцов содержали примеси Th-232 в ультраследовом диапазоне выше границы определяемых концентраций (ГОК). Среднее значение составило 0,29 мг/кг (СО: 0,14 мг/кг).
Кроме того, 10 из 18 образцов содержали примеси U-238 в ультраследовом диапазоне выше ГОК. Среднее значение составило 0,37 мг/кг (СО: 0,11 мг/кг).
На рисунке 3 изображены примеси Th-232 и U-238 во всех исследованных образцах.
3.4. Другие металлы
Дополнительно во всех протестированных образцах были обнаружены следы щелочноземельного металла магния (Mg): среднее значение составило 39,06 мг/кг (СО: 25,24 мг/кг). В 12 из 18 образцов были выявлены следы щелочного металла натрия (Na): среднее значение составило 78,33 мг/кг (СО: 31,19 мг/кг).
Дополнительные отдельные примеси других металлов указаны в таблицах C1–4.
На рисунке 1 показаны доли Zr, Y и Al в исследуемых образцах. Обратите внимание, что Al является главным компонентом ATZ-образцов (HT3 и Y2X), тогда как в TZP-образцах он содержится в виде небольшой примеси. Результаты представлены в виде среднего значения в массовых процентах (масс.%) и мг/кг, то есть в миллионных долях (мд). I — имплантат; S — образец материала.
На рисунке 2 изображена накопленная примесь тяжелых металлов Cr, Fe, Ni, Zn, Mo, Sn, Te, Ta, Th и U. Гафний представлен отдельно. На рисунке 2B изображены установленные примеси Fe, Cr, Ni и Zn. Тяжелые металлы — это металлы с плотностью выше 5 г/см³ в чистом виде. Результаты представлены в виде среднего значения в массовых процентах (масс.%) и мг/кг, то есть в миллионных долях (мд). I — имплантат; S — образец материала.
На рисунке 3 представлен обзор примесей актиноидов Th и U. Результаты представлены в виде среднего значения ± стандартное отклонение в массовых процентах (масс.%) и мг/кг, то есть в миллионных долях (мд). Красная линия обозначает границу определяемых концентраций (ГОК). I — имплантат; S — образец материала.
4. Обсуждение
Для дифференцированной интерпретации представленных данных необходимо учитывать химические и физические свойства керамики из оксида циркония. В целом керамику можно определить как кристаллическое твердое вещество, состоящее из неорганических соединений металлических и неметаллических элементов, которые в большинстве случаев соединены ионными и ковалентными связями (Картер и Нортон, 2013; Судха и др., 2018).
Чистый оксид циркония, или диоксид циркония (ZrO₂), который необходимо отличать от металлического элемента циркония (Zr), технически является улучшенной керамикой, а химически — аллотропным оксидом металла с преимущественно неметаллическими физическими характеристиками (Луги и Серго, 2010).
Необходимо отметить предположение о том, что обнаруженные с помощью ИСП-МС/ИСП-ОЭС металлические элементы в исходных имплантатах после окончательного спекания в основном присутствуют в виде соответствующих оксидных соединений (Луги и Серго, 2010; Картер и Нортон, 2013; Судха и др., 2018). Различие между металлическими элементами и соответствующими оксидами металлов имеет решающее значение для понимания настоящего исследования.
4.1. Основные компоненты в соответствии со стандартом ISO 13356 — оксиды металлов
Для создания медицинской керамики из оксида циркония высокой чистоты необработанный порошок оксида циркония и легирующие вещества в целом проходят сложный процесс очистки перед спеканием (Бергер и др., 1997).
В стандарте ISO 13356, на который часто ссылаются европейские производители и поставщики имплантатов, указан рекомендованный химический состав Y-TZP-керамики для хирургических имплантатов на основе долей ZrO₂, HfO₂, Y₂O₃ и Al₂O₃ в соответствии со стандартом ISO 13356:2015 (см. таблицу 2).
Материальный состав исследуемых зубных имплантатов из Y-TZP в отношении долей ZrO₂, HfO₂ и Y₂O₃ соответствует составу коммерческой керамики из оксида циркония, используемой для зубных протетических конструкций (Бавбек и др., 2014).
Зубные имплантаты из ATZ не регулируются стандартом ISO 13356. Тем не менее можно предположить, что основной материальный состав исследуемых ATZ-образцов совпадает с техническими характеристиками производителя: Zeramex® P6, технические характеристики продукта 2019 года согласно Dentalpoint AG, Шпрайтенбах, Швейцария — 76 масс.% ZrO₂, 20 масс.% Al₂O₃ и 4 масс.% Y₂O₃; см. таблицу 2.
4.2. Примеси металлов
Ранее было показано, что даже керамика из оксида циркония высокой чистоты может содержать некоторые примеси других элементов (Веронезе и др., 2006; Ма и Ли, 2006). Однако до сих пор отсутствовала возможность предоставить независимое от производителя количественное доказательство наличия примесей в коммерческих зубных имплантатах из оксида циркония.
Недавно Бегер и коллеги проанализировали пять коммерческих имплантатов из оксида циркония с помощью энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDX) и установили, что примеси и неожиданные результаты отсутствуют.
Данное исследование, напротив, выявило ряд примесей, возможно, из-за более высокой чувствительности и более низких пределов обнаружения методов ИСП-МС и ИСП-ОЭС по сравнению с EDX (Лимбек и др., 2017). Полученные результаты показывают, что с элементной точки зрения исследуемые имплантаты и соответствующие образцы материалов содержат примеси металлических элементов.
Обнаруженные металлические элементы в большинстве своем представляли собой основные макроминералы, например Na, K, Mg и Ca, а также следовые элементы, например Fe, Cu и Zn (Зородду и др., 2019).
В некоторых образцах также были обнаружены потенциально вредные металлические элементы, такие как Ni, связанный с аллергией на никель (Сайто и др., 2016), Cr (Сан и др., 2015; Винсент, 2017), а также радиоактивные изотопы U и Th (Кейт и др., 2015; Порстендорфер и др., 1996).
Как показывают более ранние исследования, анализирующие состав зубной керамики из оксида циркония, гафний, токсичность которого в форме оксидного соединения HfO₂ изучена недостаточно, являлся основным загрязнителем (Филд и др., 2011; Бавбек и др., 2014; Бегер и др., 2018).
Примесь гафния в керамике из оксида циркония часто объясняется выраженным сходством элементов Zr и Hf, а также вытекающими из этого сложностями при их разделении во время процесса очистки (Коттон и Харт, 1975; Янг и др., 1999).
Дополнительно во всех Y-TZP-образцах была обнаружена примесь алюминия, который является основным компонентом ATZ-образцов и чья нейротоксичность при длительном воздействии остается предметом дискуссий (Фульдженци и др., 2014).
В связи с этим необходимо подчеркнуть, что результаты данного исследования не содержат информации о фактическом системном или околоимплантатном воздействии примесей, а также о какой-либо связанной с ними биологической опасности. Ожидается, что обнаруженные металлические примеси в основном надежно зафиксированы в компонентах материала и, таким образом, практически не имеют биологического значения (Картер и Нортон, 2013; Судха и др., 2018).
Тем не менее этот вопрос требует уточнения с помощью дополнительных исследований.
Продолжение 4.2. Примеси металлов
Обнаруженные металлические примеси могут иметь различное происхождение. Наблюдаемое совместное присутствие Fe, Cr и Ni в некоторых образцах может быть вызвано загрязнением при обработке заготовок инструментами из нержавеющей стали — сплавами железа, содержащими 12–30% Cr и 0–22% Ni (Гуч и Гуч, 2011).
Кроме того, некоторые производители обрабатывали поверхность имплантатов из оксида циркония пескоструйным методом, например с использованием частиц, содержащих алюминий, и/или протравливали кислотой, например фтористоводородной кислотой, чтобы улучшить их остеоинтеграцию (Бегер и др., 2018).
Таким образом, неполная очистка сырьевых порошков оксида циркония (Бергер и др., 1997), а также вероятное последующее загрязнение во время обработки спеченных или предварительно спеченных заготовок из оксида циркония могут служить причиной различий между примесями в системах имплантатов, а также между примесями в самих имплантатах и соответствующих образцах материалов.
Анализ ИСП-МС/ИСП-ОЭС не позволяет получить информацию о различиях между примесями в сердцевине и на поверхности образца. Кроме того, данное исследование следует считать исследованием с произвольным отбором образцов, так как партии продукции не сравнивались, а количество образцов было ограничено. Для подтверждения возможности обобщения результатов потребуются дополнительные исследования.
4.3. Примеси урана (U) и тория (Th)
Известно, что неочищенные порошки оксида циркония, а также очищенная медицинская керамика из оксида циркония могут содержать примеси естественных радиоактивных изотопов U-238 и Th-232 (Пиккони и Маккауро, 1999; Нильсен и Вилфинг, 2010; Вагкопуло и др., 2009; Хёрли и Фэйрбэйрн, 1957).
Присутствие радиоактивных изотопов также можно обнаружить в зубной керамике из оксида циркония (Бавбек и др., 2014; Веронезе и др., 2006). Однако опубликованная независимая количественная оценка радиоактивных изотопов для зубных имплантатов из оксида циркония пока отсутствует.
В результате данного исследования в большинстве исследуемых систем имплантатов и соответствующих образцов материалов была обнаружена ультраследовая примесь U-238 и Th-232 в концентрации менее 1 мг/кг (см. рис. 3).
Тем не менее при такой небольшой примеси в исследованных имплантатах ожидается, что обусловленная ею объемная активность будет значительно ниже пределов, установленных стандартами ISO 13356 — 200 Бк/кг — и ISO 6872 — максимум 1,0 Бк/г (ISO, 2015; ISO, 2015). Однако количественная оценка радиоактивности требует дополнительного исследования с помощью радиохимического анализа.
4.4. «Неметаллический» = не содержит металлов?
В настоящий момент производители и поставщики стоматологических имплантатов часто используют обозначения «неметаллические» или «на 100% без металла» и часто обращаются к стандарту ISO 13356:2015, в котором химический состав зубных имплантатов из циркония определяется только для оксидных соединений, а не для каких-либо металлических элементов (ISO, 2015).
Это основано на предположении, что рассматриваемые металлы в основном представлены в виде оксидов металлов с неметаллическими физическими свойствами (Луги и Серго, 2010; Картер и Нортон, 2013; Судха и др., 2018).
Тем не менее также известно, что оксидные связи кристаллической керамики могут разрушаться под воздействием влажности, например во влажной среде ротовой полости, и таким образом ионы металлов могут временно присутствовать в свободной форме (Томас и др., 2016; Франкель и др., 2018). Это особенно важно учитывать при низкотемпературной деградации и старении керамики из оксида циркония, описанных в литературе (Луги и Серго, 2010).
Даже если не принимать во внимание тот факт, что цирконий является металлическим элементом, а оксид циркония — оксидом металла (Нильсен и Вилфинг, 2010), небольшие, но все же присутствующие примеси металлов, обнаруженные в рамках данного исследования, позволяют предположить, что с элементной точки зрения исследуемые материалы содержат металлы.
Тем не менее вопрос о том, могут ли исследованные имплантаты в целом классифицироваться как «неметаллические», остается спорным и во многом философским, так как по-прежнему отсутствуют как универсальное определение, так и критические пределы для термина «неметаллический».
В качестве альтернативы керамике из оксида циркония природного происхождения армированные волокном композиты (FRC) все чаще обсуждаются и испытываются как неметаллические материалы для зубных имплантатов (Балло и др., 2014). Они могут обеспечить близкий костный контакт, сопоставимый с остеоинтеграцией титана, а в сочетании с биостойким стеклом могут проявлять биологическую активность, в отличие от преимущественно биоинертной керамики из оксида циркония (Балло и др., 2014; Валлитту, 2017; Пости и др., 2016). Однако еще предстоит выяснить, насколько «неметаллическими» являются FRC.
5. Заключение
На основе результатов элементного анализа с помощью ИСП-МС/ИСП-ОЭС можно сделать следующие выводы:
- Исследуемые зубные имплантаты из оксида циркония соответствуют актуальным стандартам ISO и техническим характеристикам производителя.
- Исследуемые зубные имплантаты из оксида циркония и соответствующие образцы материала содержат элементы металлов, в том числе тяжелые металлы и радиоактивные изотопы U-238 и Th-232.
- Дополнительные исследования должны подтвердить общий вывод и выяснить, имеют ли обнаруженные примеси, присутствие которых ожидаемо из-за естественного происхождения сырьевых материалов имплантатов, фактическую биологическую значимость.
- С элементной точки зрения исследуемые зубные имплантаты из оксида циркония не лишены металлов полностью.
- Вопрос о том, можно ли в целом классифицировать исследуемые зубные имплантаты из оксида циркония как «неметаллические», остается спорным и во многом философским.