Modélisation intelligente et optimisation de la gravure de surfaces en titane pour l'application d'implants dentaires

Jun 04, 2023

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 7184 (2022) Citer cet article

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Le mordançage à l’acide est l’un des procédés les plus populaires pour le traitement de surface des implants dentaires. Dans cet article, la gravure acide du titane commercialement pur (cpTi) dans une solution à 48 % de H2SO4 est étudiée. La durée du processus de gravure (0 à 8 h) et la température de la solution (25 à 90 °C) sont supposées être les conditions opérationnelles les plus efficaces pour affecter les paramètres de rugosité de surface tels que l'écart moyen arithmétique du profil évalué sur la surface (Ra). et la moyenne de la hauteur maximale de crête à vallée de la surface sur le profil de longueur considéré (Rz), ainsi que la perte de poids (WL) des implants dentaires lors du processus de gravure. Pour la première fois, un réseau neuronal artificiel à trois perceptrons multicouches (MLP-ANN) avec deux couches cachées a été optimisé pour prédire Ra, Rz et WL. MLP est une classe de rétroaction d'ANN et de modèle ANN qui implique des calculs et des mathématiques qui simulent les processus humain-cerveau. Les modèles ANN peuvent prédire correctement les variations de Ra, Rz et WL pendant la gravure en fonction de la température et du temps du processus. De plus, WL peut être augmenté pour atteindre un Ra élevé. À WL = 0, on obtient un Ra de 0,5 μm, alors que Ra augmente jusqu'à 2 μm à WL = 0,78 μg/cm2. En outre, le modèle ANN a été intégré à un algorithme génétique de tri non linéaire (NSGA-II) pour établir le processus d'optimisation et il a été prouvé que la capacité de cette méthode à prédire les conditions de gravure optimisées.

Il a été démontré que la création de surfaces rugueuses sur les implants médicaux améliore leur bio-intégration résultant d'une production accrue de tissu osseux au niveau des surfaces modifiées1,2,3,4. De nombreuses études ont montré que des tissus fibreux indésirables ont tendance à se former sur des surfaces lisses, tandis que des surfaces plus rugueuses favorisent la formation de tissu osseux solide5,6. Une étude à long terme sur l'intégration osseuse avec les implants7,8 a été menée. L'os est généré au cours d'un processus en plusieurs étapes dans lequel les cellules ostéoclastes éliminent sélectivement les tissus pour former des creux (lacunes), et les cellules ostéoblastiques, à leur tour, collectent et forment les tissus de la matrice osseuse9. Comme les ostéoclastes ne peuvent pas interagir avec les matériaux de l'implant, tels que le titane (Ti), la liaison des ostéoblastes peut être inhibée si la surface d'un implant ne possède pas de structures à micro-, méso ou ornano-échelles similaires à celles créées par les ostéoclastes10.

Habituellement, la rugosité de la surface est vérifiée avec certains paramètres tels que Ra, Rz et Sa. Ra est un paramètre 1D et est défini comme l'écart moyen arithmétique du profil évalué11. Pour la mesure de Ra, une pointe de détecteur très fine se déplace dans une direction linéaire horizontale sur la surface de l'échantillon (en mode contact ou sans contact), les mouvements verticaux seront signalés12,13. Rz est la hauteur maximale entre crête et vallée du même profil, étudiée pour la mesure de Ra12. Sa est un paramètre de rugosité surfacique détecté à partir d'une surface 2D (contrairement à Ra qui est détecté à partir d'un chemin linéaire)11. D'après les définitions, Ra et Sa sont très proches l'un de l'autre et le choix de l'un d'eux repose sur l'équipement de mesure (certains d'entre eux rapportent Ra et d'autres rapportent Sa)11,12.

La gravure est l’un des procédés les plus utilisés pour améliorer la rugosité de la surface et d’autres propriétés de la surface. Il est chargé d'améliorer le contact d'un implant dentaire avec l'os et peut spécifier la force du contact de l'implant avec la surface11,12,13,14,15 et la réponse osseuse16,17,18,19,20. Actuellement, une large gamme d’implants dentaires commerciaux est disponible sur le marché. Ces implants ont des propriétés différentes, telles que le noyau de l'implant, les spécifications géométriques et les caractéristiques de surface. Certaines marques commerciales, comme Ospol (Hollviken, Suède), avec Sa = 0,26 μm, ont une surface lisse (Sa < 1 μm est considéré comme lisse)21. D'autre part, d'autres implants commerciaux, tels que SLA (Standard Plus ; ITI Straumann, Bâle, Suisse ; Sa = 1,7 μm), Ankylos (DentsplyFriadent, Menheim, Allemagne ; Sa = 1,55 μm), Frialit (DentsplyFriadent, Menheim, Allemagne ; Sa = 1,79 μm) et Promote (Screwline, calmog, Bâle, Suisse ; Sa = 1,30 μm), sont modérément rugueux (avec Sa compris entre 1 et 2 μm)22,23. De plus, certaines autres surfaces, telles que le Kohno HRPS et le Kohno DES HRPS (Suède et Martina, Due Carrare, Italie ; Sa = 3,11 et 3,16 respectivement), ont le degré de rugosité le plus élevé (les surfaces avec Sa > 2 sont considérées comme rugueuses au maximum). 22,23.