Интеллектуальное моделирование и оптимизация травления поверхности титана для установки зубных имплантатов

May 31, 2023

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 7184 (2022) Цитировать эту статью

1668 Доступов

1 Цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Кислотное травление — один из самых популярных процессов обработки поверхности зубных имплантатов. В данной работе исследовано кислотное травление технически чистого титана (cpTi) в 48% растворе H2SO4. Продолжительность процесса травления (0–8 ч) и температура раствора (25–90 °С) считаются наиболее эффективными условиями эксплуатации, влияющими на такие параметры шероховатости поверхности, как среднее арифметическое отклонение оцениваемого профиля на поверхности (Ra). и среднее значение максимальной высоты от пика до впадины поверхности по рассматриваемому профилю длины (Rz), а также потерю веса (WL) зубных имплантатов в процессе травления. Впервые трехслойная искусственная нейронная сеть перцептрона (MLP-ANN) с двумя скрытыми слоями была оптимизирована для прогнозирования Ra, Rz и WL. MLP — это класс прямой связи ИНС и модели ИНС, который включает в себя вычисления и математические вычисления, моделирующие процессы, происходящие в человеческом мозге. Модели ИНС могут правильно прогнозировать изменения Ra, Rz и WL во время травления в зависимости от температуры и времени процесса. Более того, WL можно увеличить для достижения высокого Ra. При WL = 0 получается Ra 0,5 мкм, а при WL = 0,78 мкг/см2 Ra увеличивается до 2 мкм. Кроме того, модель ИНС была введена в генетический алгоритм нелинейной сортировки (NSGA-II) для организации процесса оптимизации, и была доказана способность этого метода прогнозировать оптимизированные условия травления.

Было показано, что создание шероховатой поверхности медицинских имплантатов улучшает их биоинтеграцию в результате увеличения производства костной ткани на модифицированных поверхностях1,2,3,4. Многие исследования показали, что нежелательные фиброзные ткани имеют тенденцию образовываться на гладких поверхностях, в то время как более шероховатые поверхности способствуют образованию твердой костной ткани5,6, было проведено долгосрочное исследование интеграции кости с имплантатами7,8. Кость образуется в ходе многоэтапного процесса, в котором клетки остеокластов избирательно удаляют ткань, образуя ямки (лакуны), а клетки остеобласты, в свою очередь, собирают и формируют ткани костного матрикса9. Поскольку остеокласты не могут взаимодействовать с материалами имплантата, такими как титан (Ti), связь остеобластов может быть ингибирована, если поверхность имплантата не имеет микро-, мезо- или наноструктур, подобных тем, которые создаются остеокластами10.

Обычно шероховатость поверхности проверяется по некоторым параметрам, таким как Ra, Rz и Sa. Ra является одномерным параметром и определяется как среднее арифметическое отклонение оцениваемого профиля11. Для измерения Ra очень тонкий наконечник детектора перемещается в горизонтальном линейном направлении по поверхности образца (в контактном или бесконтактном режиме), о чем будут сообщать вертикальные перемещения12,13. Rz — максимальная высота от пика до впадины того же профиля, который изучается при измерении Ra12. Sa — это параметр шероховатости площади, который определяется по двумерной поверхности (в отличие от Ra, который обнаруживается по линейной траектории)11. Судя по определениям, Ra и Sa очень близки друг к другу, и выбор одного из них зависит от измерительного оборудования (некоторые из них сообщают Ra, а некоторые — Sa)11,12.

Травление — один из самых популярных процессов, используемых для повышения шероховатости поверхности и улучшения других свойств поверхности. Он отвечает за улучшение контакта зубного имплантата с костью и может определять силу контакта имплантата с поверхностью11,12,13,14,15 и реакцию кости16,17,18,19,20. В настоящее время на рынке доступен широкий ассортимент коммерческих зубных имплантатов. Эти имплантаты имеют разные свойства, такие как сердцевина имплантата, геометрические характеристики и характеристики поверхности. Некоторые коммерческие марки, такие как Ospol (Хольвикен, Швеция), с Sa = 0,26 мкм, имеют гладкую поверхность (гладкой считается Sa < 1 мкм)21. С другой стороны, другие коммерческие имплантаты, такие как SLA (Standard Plus; ITI Straumann, Базель, Швейцария; Sa = 1,7 мкм), Ankylos (DentsplyFriadent, Менхайм, Германия; Sa = 1,55 мкм), Frialit (DentsplyFriadent, Менхайм, Германия) ; Sa = 1,79 мкм) и Promote (Screwline, Calmote, Базель, Швейцария; Sa = 1,30 мкм) являются умеренно шероховатыми (с Sa в диапазоне 1–2 мкм)22,23. Кроме того, некоторые другие поверхности, такие как Kohno HRPS и Kohno DES HRPS (Швеция и Мартина, Due Carrare, Италия; Sa = 3,11 и 3,16 соответственно), имеют самую высокую степень шероховатости (поверхности с Sa > 2 считаются максимально шероховатыми). 22,23.