Rugosité de surface des implants dentaires

Un nombre croissant d'implants dentaires de matériaux, de forme et de topographie de surface différents sont insérés chaque année chez des patients. La question « pourquoi certains systèmes implantaires ont de bons résultats et d'autres pas ? » n'est pas complètement élucidée à ce jour, malgré l'avancée des connaissances. Certaines propriétés des biomatériaux utilisés, le tissu receveur et la technique chirurgicale sont considérés comme étant des facteurs plus importants que d'autres, pour obtenir une intégration implantaire avec succès dans un tissu osseux vivant. Albrektsson et al. [¹] ont proposé six facteurs qui ont été acceptés à l'unanimité comme étant particulièrement importants pour l'établissement d'une ostéointégration fiable : le matériau implantaire, la forme de l'implant, l'état de surface, l'état de l'os, la technique chirurgicale et les conditions de mise en charge de l'implant. La rugosité de surface est l'une des propriétés inhérentes à l'implant qui contribuent à l'état de surface, et a été largement utilisée comme argument commercial pour divers systèmes d'implants oraux [²-⁷]. Les différentes propriétés de surface vont interagir les unes avec les autres. Par exemple, une modification dans la topographie de surface peut également entraîner des modifications dans l'énergie de surface, l'épaisseur de la couche d'oxyde et la composition chimique de la surface. Différents procédés d'usinage procurent des topographies de surfaces assez différentes [⁸]. Plusieurs fabricants usinent les implants à l'aide d'un procédé de tournage ou de fraisage. Parmi les exemples de méthodes utilisées, sur le plan expérimental et commercial, pour modifier la topographie de surface à partir de l'état obtenu après usinage, on trouve : l'électropolissage, l'érosion, le sablage abrasif, la projection de plasma, le revêtement de surface, la photolithographie et la soustraction par laser.

Une caractérisation topographique précise est importante pour avoir une interprétation fiable du rôle de la rugosité de surface implantaire en vue d'une intégration osseuse. Il est nécessaire d'avoir un appareil permettant de mesurer les configurations arbitraires ainsi que les différentes surfaces. Cet article a pour but de décrire différentes techniques de mesure et différentes méthodes d'évaluation, avec l'intention d'accroître les connaissances sur la façon d'interpréter des données provenant d'analyses sur la rugosité de surface et d'illustrer (par des exemples) l'importance de la topographie de surface dans la fixation osseuse, avec les résultats obtenus à partir d'une série d'études expérimentales.

Caractérisation de la topographie de surface

La topographie de surface est liée au degré de rugosité de la surface et à l'orientation des irrégularités de surface. La rugosité de surface existe dans deux plans différents : à angle droit par rapport à la surface et dans le plan de la surface [⁹]. Pour effectuer une caractérisation précise de la topographie, il faut utiliser des méthodes de mesure qui procurent des données numériques et visuelles. La méthode appropriée doit être choisie en fonction de l'échelle de mesure souhaitée, de l'échelle de hauteur, de la résolution désirée et du matériau à évaluer. Aucune méthode disponible n'est idéale pour tous les cas. La valeur des différents paramètres de rugosité de surface varie parmi d'autres éléments, avec la capacité de l'instrument de mesure et la taille de la zone mesurée [⁹].

Méthodes pour mesurer la topographie de surface

Méthodes de contact

Les mesures de rugosité de surface à l'aide d'un stylet de contact représentent actuellement la méthode industrielle la plus largement utilisée. Le principe des instruments comportant un stylet de contact est le suivant : un capteur avec un stylet (le plus souvent, une pointe diamantée) balaie la surface à vitesse constante (par déplacement de la surface ou du stylet). Une charge est appliquée au stylet, de façon que la pointe du stylet reste toujours en contact avec la surface. Les mouvements verticaux du capteur sont convertis en un signal électrique, qui est amplifié avant d'être converti en information numérique ou d'être affiché en ligne de profil sur un enregistrement graphique, avec la hauteur amplifiée rapportée à la distance le long de la surface. De larges zones peuvent ainsi être mesurées à l'aide de cette méthode. La taille courante de mesure maximale d'une zone est de 150 × 150 mm. L'échelle de mesure verticale peut être de plusieurs millimètres. La résolution horizontale se situe souvent dans une échelle de 1 à 2 µm et la résolution verticale d'environ 8 à 10 nm. Pour les implants dont le filetage est serré, la sonde n'est pas capable d'atteindre la surface du flanc, ce qui laisse une partie assez importante de la fixture non mesurée (^{Fig. 1}). Cela doit être considéré comme un grave inconvénient lorsque l'on évalue différentes surfaces, en particulier depuis que l'on sait que différentes zones de l'implant présentent des rugosités différentes. Par exemple, le flanc du filetage est souvent la partie la plus lisse d'un implant en forme de vis [¹⁰]. Ainsi, la méthode du stylet de contact ne peut être conseillée pour les implants oraux, en tout cas pas pour les filetés.

Méthodes optiques, sans contact

Les profilomètres optiques offrent les mêmes possibilités pour le calcul des paramètres de rugosité de surface et la production d'images que les instruments mécaniques avec stylet. Comparées au stylet mécanique, les techniques optiques sont relativement récentes, mais ont atteint une popularité croissante, en partie due au fait que la technique sans contact est plus adaptée pour mesurer des matériaux mous. Autres avantages importants : les techniques optiques sont en général plus rapides que les méthodes par contact, et présentent souvent une meilleure résolution dans le sens horizontal. La résolution horizontale est d'environ 0,5 µm, et la résolution verticale peut atteindre 0,1 nm. En général, les instruments optiques ne peuvent pas mesurer des zones aussi larges que les instruments munis d'un stylet de contact. Cependant, pour les implants oraux, la zone mesurable maximale est largement suffisante. La zone mesurable maximale horizontale est de l'ordre de quelques millimètres. L'échelle mesurable maximale verticale peut atteindre plusieurs millimètres. Cependant, si l'on souhaite une excellente résolution, l'échelle verticale se limite à environ 100 µm. Voici des exemples de différents principes utilisés avec des appareils disponibles dans le commerce : la mise au point automatique, la profilométrie par balayage au laser confocal, et l'interférométrie. Les deux dernières techniques se sont montrées tout à fait adaptées pour la recherche effectuée sur des implants oraux de formes et de rugosités différentes.

Microscopie à balayage par sonde (MBS)

Les microscopes à balayage par sonde (MBS) comportent différents types d'instruments de mesures, où l'interaction entre une pointe aiguë et la surface de l'échantillon est contrôlée. La pointe est reliée à un bras de levier, et le déplacement de celui-ci durant le balayage de la surface est enregistré. La microscopie à balayage par tunnelisation et la microscopie à force atomique sont les plus utilisées dans ce groupe d'instruments employés pour les analyses topographiques. Pour les surfaces non conductrices, la microscopie à force atomique (MFA) est la seule alternative. La méthode utilise une pointe très fine (6-60 nm de rayon) qui est déplacée au-dessus de la surface avec une vitesse et une force constantes. Un mode par contact furtif est également disponible dans lequel la pointe oscille au-dessus de la surface et touche juste celle-ci au plus bas du mouvement. Ce mode opératoire convient particulièrement aux matériaux mous. L'échelle mesurable maximale type est de 100 × 100 µm, et l'échelle maximale verticale est d'environ 6 µm. La résolution verticale est très élevée, jusqu'au niveau du picomètre, et la résolution horizontale est estimée à 100 pm. Ainsi, la MBS peut mesurer la rugosité de surface dans le même ordre de grandeur que les protéines. Plusieurs systèmes implantaires présentent des altérations de surface trop rugueuses pour être mesurées avec cette technique. De plus, comme dans le cas de l'instrument muni d'un stylet de contact, la sonde ne peut pas atteindre la surface du flanc des implants filetés. Par conséquent, la MBS ne peut être conseillée comme seule méthode d'analyse pour les implants oraux filetés.

Comment mesurer la topographie de surface des implants oraux

Les structures de surface dépourvues de dominante directionnelle sont appelées isotopiques. Les techniques utilisées pour produire de telles surfaces, là où les irrégularités sont orientées au hasard, comprennent : le sablage abrasif, la projection de plasma, le mordançage et l'oxydation. Certains procédés d'usinage donnent une surface présentant un agencement distinct et régulier, dénommé le « sens » d'usinage. Ces surfaces sont appelées anisotropiques. Parmi les exemples de tels procédés, on trouve le tournage et le fraisage. Avec des mesures en 2D, les profils obtenus vont être assez différents, si la direction de mesure est en travers ou le long du « sens ». Les mesures doivent être effectuées en travers du « sens », là où les irrégularités sont les plus prononcées (^{Fig. 2A} et ^2B). Il est évident que pour les mesures en trois dimensions, comme pour les mesures en 2D, la direction de mesure est moins importante pour les surfaces isotopiques (^{Fig. 3A} et ^3B). Cependant, pour les mesures en 3D, comme pour les mesures en 2D, la distance de l'échantillonnage a son importance pour le calcul des paramètres. Une distance trop grande conduira à la perte d'importants éléments de fréquence, et le rapport surface/profil semblera plus lisse qu'en réalité, ce que l'on appelle l'effet trompeur (^{Fig. 4}). Le nombre de mesures requises dépend de l'homogénéité de la structure de surface et doit être déterminé au début de toute nouvelle étude. Une valeur stable et faible de la déviation standard pourrait servir d'indication dans ce sens [¹¹].

Évaluation des mesures

Filtres

La texture de surface est constituée de la forme, de l'ondulation et de la rugosité. Les paramètres de rugosité de surface sont déterminés une fois que la forme et l'ondulation ont été éliminées [¹²]. L'une des fonctions d'un filtre est de séparer ces éléments les uns des autres. La rugosité est liée aux irrégularités les plus fines avec des fréquences spatiales incluses dans la mesure, l'ondulation avec des fréquences spatiales moyennes et la forme avec les fréquences spatiales les plus basses. Il n'existe pas de définition lorsque la rugosité devient une ondulation. Cela doit être décidé avant l'évaluation, et la taille du filtre doit être choisie en fonction de cette décision. Les valeurs numériques vont dépendre du choix du filtre et de la taille du filtre. Principalement, deux types de filtres sont utilisés : un filtre à faible passage et un filtre à passage élevé. Le filtre à faible passage atténue les éléments de haute fréquence, et le filtre à passage élevé atténue les éléments de basse fréquence.

Le filtrage peut s'effectuer en fréquence ou en domaine spatial. Un exemple de filtre en domaine spatial est le procédé d'ajustage de surface qui va séparer la forme des aspects spatiaux détaillés, par exemple enlever la courbure d'une surface cylindrique. Pour les mesures en 3D, il faut utiliser des filtres gaussiens [¹³].

Paramètres

Les paramètres sont utilisés pour décrire l'apparence de la rugosité de surface. Dans un cas idéal, ils doivent procurer une information unique sur la surface. Les paramètres doivent se corréler au comportement in vivo de la surface ou au procédé de production qui a créé la surface. Un paramètre doit être sensible à une caractéristique de surface spécifique. Sinon, il faut choisir un autre paramètre.

Les paramètres de rugosité de surface sont souvent divisés en trois groupes, en fonction des caractéristiques de la surface qu'ils quantifient.

Paramètres d'amplitude

Ils ne décrivent que la hauteur. Par exemple : R_a, R_q, R_z, R_t, ces paramètres sont définis pour des mesures en deux dimensions (2D), c'est-à-dire des profils, S_a, S_q, S_z, S_t, sont les paramètres correspondants pour les mesures en trois dimensions (3D), c'est-à-dire des surfaces (^{Fig. 5A}).

Paramètres d'espacement

Ils décrivent l'espacement entre les irrégularités par exemple : S_m, S(2D), S_cx, S_cy (3D). Le paramètre en 2D S_m représente la valeur moyenne de la longueur de la ligne centrale contenant un pic de profil et une vallée adjacente, et devrait traverser la ligne centrale, à l'inverse du paramètre S qui représente l'espacement des pics locaux adjacents (^{Fig. 5B}).

Paramètre hybrides

Ils comprennent l'information sur la hauteur ainsi que sur la distribution spatiale, par exemple les paramètres S_Δq et S_dr. Ces paramètres sont utilisés pour décrire la forme, c'est-à-dire si les irrégularités ont une courbure pointue ou arrondie (S_Δq) et le rapport de surface développée (S_dr) qui décrit de combien la surface est augmentée comparée à une zone de référence totalement plate (^{Fig. 5C}).

Une caractérisation de surface dans les règles de l'art devrait inclure des données aussi bien quantitatives que qualitatives, ainsi qu'une description spatiale et verticale des irrégularités de surface. De plus, une description claire des paramètres utilisés est nécessaire. L'information sur le dispositif de mesure, le nombre des mesures, le rapport longueur/zone de mesure et le type de filtre doit être donnée. Sinon, la valeur du paramètre présenté sera impossible à interpréter, et n'aura que peu d'intérêt pour un autre chercheur. Il faut également insister sur le fait qu'aucun instrument de mesure disponible ne peut mesurer les contre-dépouilles. Une perte d'information, en particulier spatiale, se produira (^{Fig. 6}).

Études expérimentales analysant la rugosité de surface et la fixation osseuse

Une série d'études a été menée pour vérifier s'il existe un degré idéal de rugosité de surface. La structure de surface d'implants vissés a été modifiée en utilisant différentes tailles de particules de sablage ; des implants usinés ont servi de témoins. Les implants avaient tous un diamètre de 3,75 mm et une hauteur de pas de 0,6 mm. Le matériau de sablage était soit du TiO₂ ou du Al₂O₃, et la taille moyenne des particules était respectivement de 25, 75 et 250 µm. Les implants ont été nettoyés à l'aide d'un bain aux ultrasons, et la topographie de surface a ensuite été bien caractérisée grâce à un profilomètre optique confocal. Un rayon laser est utilisé comme stylet optique ; le diamètre est d'environ 1 µm. Toutes les zones de mesure étaient de 245 × 245 µm. Avant de calculer les paramètres de rugosité de surface, un filtre gaussien de taille 50 × 50 µm a été appliqué. Au moins un paramètre provenant respectivement des trois groupes principaux, c'est-à-dire un sur la hauteur, un décrivant l'espacement et un paramètre hybride, a été utilisé pour la caractérisation numérique (^{Tableau I}). Le résultat principal de cette série d'analyses était le suivant : une surface avec une valeur S_a de 1,45 µm, une valeur de S_cx de 11 µm et un rapport S_dr de 1,50 procurent la fixation osseuse la plus solide.

Les méthodes d'évaluation utilisées étaient le pic de couple de dépose et le calcul de la quantité de contacts osseux avec la surface implantaire. Cette série d'études a été publiée dans différents journaux internationaux entre 1995 et 1997 [¹⁴-¹⁹].

Dans le but de vérifier le résultat obtenu, une autre étude a été conçue dans laquelle chaque implant était préparé avec deux rugosités de surface différentes. La vis agissait sous son propre contrôle, éliminant ainsi les différences possibles de stabilité entre les différentes modifications de surface. Les mêmes modifications de surface ont été analysées comme dans la série d'études précédentes. Les résultats obtenus confirment ceux publiés dans des articles précédents. Là encore, une surface avec une valeur S_a de 1,45 µm, une valeur de S_cx de 11 µm, et un rapport S_dr de 1,50 procure la fixation osseuse la plus solide [²⁰]. Cependant, les études précitées ont toutes été réalisées chez l'animal. On peut se demander si l'os de lapin réagit de façon différente de l'os humain envers ces différentes modifications de surface. Une étude expérimentale chez l'homme a donc été menée [²¹]. Dans cette étude, des micro-implants usinés et sablés au TiO₂ ont été comparés histomorphométriquement après une période de cicatrisation de 4 (mandibule) à 6 mois (maxillaire) dans des mâchoires humaines. Il y avait significativement plus d'os en contact avec la surface implantaire sablée qu'avec la surface usinée. La conclusion est que l'os humain réagit de façon analogue à l'os de lapin. Cependant, il y a un résultat intéressant dans l'étude de Ivanoff et al. [²¹] : la valeur de S_a est très proche pour les micro-implants usinés et les micro-implants sablés. Cette découverte indique qu'une évaluation topographique est nécessaire pour chaque nouvelle étude entreprise si on veut analyser cette propriété de surface, en particulier lorsque la configuration est modifiée. De plus, les résultats peuvent être interprétés comme signifiant que c'est peut-être l'isotropie d'une surface qui est la propriété topographique la plus importante pour la fixation d'un implant dans de l'os.

Conclusion

Avec l'aide d'une méthode de mesure et d'une technique d'évaluation appropriées, il a été mis en évidence qu'il pourrait exister une structure de surface idéale, du moins à court terme et sans mise en charge fonctionnelle. De plus, il est maintenant possible de caractériser numériquement une telle surface, ce qui est nécessaire si la reproductibilité de la surface doit être vérifiée.

Cependant, afin de pouvoir donner une quelconque conclusion sur un intérêt clinique éventuel, des études cliniques prospectives doivent être menées pour vérifier si ces données étaient cliniquement pertinentes ou non.

Remerciements :

L'auteur remercie chaleureusement pour leurs subventions : le Conseil suédois pour la recherche médicale, la Fondation de recherche Hjalmar Svensson, la Fondation scientifique Wilhem et Martina Lundgren, la Société royale des arts et des sciences de Göteborg, de TUA et la Société médicale suédoise.

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