歯科インプラント用途向けのチタン表面エッチングのインテリジェントなモデリングと最適化

Jun 04, 2023

Scientific Reports volume 12、記事番号: 7184 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

酸エッチングは、歯科インプラントの表面処理で最も一般的なプロセスの 1 つです。 この論文では、48% H2SO4 溶液中での市販の純チタン (cpTi) の酸エッチングについて研究しています。 エッチング処理時間 (0 ～ 8 時間) と溶液温度 (25 ～ 90 °C) が、評価された表面プロファイルの算術平均偏差 (Ra) などの表面粗さパラメータに影響を与える最も効果的な操作条件であると想定されます。考慮された長さプロファイルにわたる表面の山から谷までの最大高さの平均（Rz）、およびエッチングプロセスにおける歯科インプラントの重量損失（WL）。 初めて、2 つの隠れ層を備えた 3 つの多層パーセプトロン人工ニューラル ネットワーク (MLP-ANN) が最適化され、Ra、Rz、および WL を予測しました。 MLP は、人間の脳のプロセスをシミュレートする計算と数学を含む ANN および ANN モデルのフィードフォワード クラスです。 ANN モデルは、エッチング中の Ra、Rz、WL の変動をプロセス温度と時間の関数として適切に予測できます。 さらに、WL を増加させて高い Ra を達成することができます。 WL = 0 では 0.5 μm の Ra が得られますが、WL = 0.78 μg/cm2 では Ra は 2 μm に増加します。 また、ANN モデルは、最適化プロセスを確立するために非線形ソーティング遺伝的アルゴリズム (NSGA-II) に入力され、この方法の能力が最適化されたエッチング条件を予測できることが証明されています。

医療用インプラントに粗い表面を作成すると、改質された表面での骨組織の生成が増加し、生体統合が向上することが示されています 1、2、3、4。 多くの研究では、滑らかな表面では望ましくない線維組織が形成される傾向がある一方、より粗い表面では固い骨組織の形成が促進されることが示されています 5,6 では、インプラントと骨の統合に関する長期研究が行われました 7,8。 骨は、破骨細胞が組織を選択的に除去してくぼみ (空洞) を形成し、次に骨芽細胞が収集して骨基質組織を形成するという多段階のプロセスで生成されます9。 破骨細胞はチタン（Ti）などのインプラント材料と相互作用できないため、インプラントの表面が破骨細胞によって作られるものと同様のミクロ、メソ、またはナノスケールの構造を持たない場合、骨芽細胞の結合が阻害される可能性があります10。

通常、表面粗さはRa、Rz、Saなどのいくつかのパラメータでチェックされます。 Ra は 1 次元パラメータであり、評価されたプロファイルの算術平均偏差として定義されます11。 Ra の測定では、非常に薄い検出器チップがサンプルの表面上で水平直線方向に移動し (接触モードまたは非接触モード)、その垂直移動が報告されます 12,13。 Rz は、同じプロファイルの山から谷までの最大高さであり、Ra 測定のために研究されます12。 Sa は、(直線パスから検出される Ra とは異なり) 2D 表面から検出される面粗さパラメータです11。 定義に基づくと、Ra と Sa は互いに非常に近く、そのうちの 1 つを選択するのは測定機器に基づいています (Ra を報告するものと Sa を報告するものがあります)11,12。

エッチングは、表面粗さを向上させ、表面の他の特性を改善するために使用される最も一般的なプロセスの 1 つです。 これは、歯科インプラントと骨の接触を強化する役割を果たし、インプラントの表面との接触の強さ 11、12、13、14、15 および骨の反応 16、17、18、19、20 を指定できます。 現在、幅広い市販の歯科インプラントが市場で入手可能です。 これらのインプラントは、インプラントのコア、幾何学的仕様、表面特性など、異なる特性を持っています。 Ospol (Hollviken、スウェーデン) など、Sa = 0.26 μm の一部の市販ブランドは、滑らかな表面を持っています (Sa < 1 μm は滑らかであると考えられます)21。 一方、SLA (Standard Plus、ITI Straumann、スイス、バーゼル、Sa = 1.7 μm)、Ankylos (DentsplyFriadent、ドイツ、メンハイム、Sa = 1.55 μm)、Frialit (DentsplyFriadent、ドイツ、メンハイム) などの他の市販インプラント; Sa = 1.79 μm)、および Promote (Screwline、calmog、スイス、バーゼル; Sa = 1.30 μm) は、適度に粗い (Sa は 1 ～ 2 μm の範囲) 22,23。 さらに、Kohno HRPS や Kohno DES HRPS (イタリア、ドゥエ カッラーレのスウェーデンとマルティナ、それぞれ Sa = 3.11 と 3.16) などの他のいくつかの表面は、最も粗度が高くなります (Sa > 2 の表面は最大の粗さとみなされます)。 22、23。