Investigation of Ultra-fine Grained Titanium Availability In Dental Implant Applications

Abstract

Root shaped screw type dental implants are damaged depending on their mechanical and electrochemical properties as a results of alternating force and excessive exposure time with living tissue in usage period. In these implant systems the possibility of failure is increased with synergistic effects of combined failure mechanisms like corrosion, wear, fatigue and tribocorrosion,
it may even lead to adverse tissue reactions like irritation and failed implantations. In fact, the success of implantation is related to connection between living tissue and implant interface that is mechanical osseointegration. The occurring problems following osteointegration are the interaction between implant parts, properties of materials that are used in design and problems that
associated with the prosthesis. The appearances of such problems are greatly relevant to performance of dental implant under variable load conditions. The main mechanical properties of used materials like strength, toughness and fatigue properties determine the aforementioned performance of implants. Therefore, improvement of these properties without compromising
biocompatibility is extremely substantial. In this study, fatigue failure damages and reasons for different size and shaped dental implants were analyzed and discussed. Investigations showed that the damage of dental implants in variable load conditions are related to design and strength of implant materials. The usability of more recently developed severe plastic deformation techniques that offer increased strength and Ultra-fine grained (UFG) microstructure for implant materials are investigated. From the view of performance and microstructural properties was presented that these techniques can ensure significant improvement on currently used titanium and its alloys and can be utilized on dental implant applications. 

Keywords

• Dental implant
• Fatigue failure
• Severe plastic deformation

Dental İmplant Uygulamalarında Ultra-İnce Tane Yapılı Titanyumun Kullanılabilirliğin Araştırılması

Abstract

Diş kökü formundaki dental implantlar, vücutta canlı dokular ile temas sürelerinin uzunluğu ve günlük kullanımda maruz kaldığı değişken yükler neticesinde mekanik özellikleri ve elektrokimyasal davranışına bağlı olarak hasara uğramaktadırlar. Bu implantlarda; aşınma, korozyon, yorulma ve tribokorozyon gibi bütünleşik hasar mekanizmalarının sinerjitik etkileri ile hasar oluşması ihtimali artmakta, iritasyon ve hatta implantasyonun başarısızlığı ile sonuçlanabilen ciddi sorunlar ortaya çıkmaktadır. Aslında bir dental implantın başarısı öncelikle kemik ve implant arasındaki osseointegrasyona bağlıdır. Osseointegrasyon sonrası ise hasar nedenleri; implant parçaları arasındaki etkileşim, implant malzemesinin özellikleri ve protezle ilgili olan problemler olarak karşımıza çıkmaktadır. Özellikle bu tür problemlerin ortaya çıkması da büyük oranda dental implantın dinamik yükler altındaki performansına bağlıdır. Bu performans, kullanılan implant malzemesinin mukavemet, tokluk ve yorulma gibi temel özelliklerince belirlenmektedir. Bu nedenle bu özelliklerin biyouyumluluğu bozmadan geliştirilmesi son derece önemlidir. Bu çalışmada farklı tiplerdeki dental implantların yorulma davranışları incelenmiş ve hasarın ortaya çıkış nedenleri araştırılmıştır. Yapılan incelemeler sonucunda dental implartlarda hem tasarım hem de dayanım nedeniyle hasarın oluştuğu görülmüştür. Mekanik dayanımın iyileştirilebilmesi için son yıllarda geliştirilen ve ultra-ince tane (UİT) yapısı gelişimini sağlayan aşırı plastik deformasyon (APD) yöntemlerinin implant üretimde kullanılabilme potansiyelleri araştırılmıştır. Bu yöntemlerle oluşturulacak yeni mikroyapıların özellik ve performans çıktıları açısından mevcut titanyum ve alaşımlarında önemli iyileşmeler sağlayabileceği ve bunların dental implant uygulamalarında kullanılabileceği ortaya konulmuştur.

Keywords

• Dental implant
• Yorulma hasarı
• Aşırı plastik deformasyon

References

1. Alsaran, A., Purcek, G., Hacisalihoglu, I., Vangolu, Y., Bayrak,
2. Hydroxyapatite production on ultrafine-grained pure titanium by micro-arc oxidation and hydrothermal treatment. Surface & Coatings Technology, 205, 537– 542. I., Celik. A.,
3. 20 Azushima, A., Kopp, K., Korhonen, A., Yang, D.Y., Micari, F., Lahoti, G.D., Groche, P., Yanagimoto, J., Tsuji, N., Rosochowski, A., Yanagide, A. 2008. Severe plastic deformation (SPD) processes for metals. CIRP Annals-Manufactoring Technology, 57, 716 – 735.
4. Balshi, T.J., 1996. An Analysis and management of fractured Implants: A Clinical Report. Int. Jour. Oral Maxillofac Implants. 11: 660-666.
5. Iwahashi, Y., Horita, Z., Nemoto M., Langdon, T.G., 1998. The process of grain refinement in equal- channel angular pressing. Acta Materialia, 46:9, 3317- 3331.
6. Iwahashi, Y., Wang, J., Horita, Z., Nemoto, M., Langdon, T.G., 1996. Principles of equal-channel angular pressing for the processing ultra-fine grained materials. Scripta Materialia, 35, 143-146.
7. Jemt, T., Lenkholm, U., 1993. Oral Implant TreatmentIn Posterior Partially EdentulousJaws: A5- Year Follow Up Report. Int. Jour. Oral Maxillofac Implants. 8: 635-640.
8. Kim, W.J., Hyun, C.Y.,. Kim, H.K., 2006 Fatigue strength of ultrafine-grained pure Ti after severe plastic deformation. Scripta Mater., 54,1745–1750.

9. Linkow, L.I., Donath, K., Lemons, J.E., 1992. Retrieval Analyses of A Blade Implant After 231 Months of Clinical Function. Implant Dent., 1, 37-43.
10. Mericske-Stern .R., Steinlin, Schaffner, T., Marti, P., .1994. Peri-implant mucaaosal aspects of ITI Implants Supporting Overdentures. A Five-year longitudinal study. Clin. Oral Implants Rest., 5, 9-18.
11. Morgan, M.J., James, D.F. Pilliar, R.M., 1993. Fractures of The Fixture Component of An sseointegrated Implant. Int. Jour. Oral Maxillofac Implants. 4: 409- 414.
12. Pürçek, G., Saray, O., Kul, O., Karaman, I. , Yapici, G.G., Haouaoui, M., Maier, H.J. 2009. Mechanical and wear properties of ultrafine-grained pure Ti produced by multi-pass
13. Materials Science and Engineering A, 517, 97 – 1004. angular extrusion. bulk nanostructured
14. materials. Valiev, R.Z., Alexandrov, I.V., Zhu Y.T., Lowe, T.C., 2002. Paradox of strength and ductility in metals processed by severe plastic deformation. Journal of Materials Research, vol. 17:1, 5-8.
15. Valiev, R.Z., Islamgaliev, R.K., Alexandrov, I.V., 2000. Bulk nanostructured materials from severe plastic deformation, Progress in Materials Science, 45, 103- 189.
16. Valiev, R.Z., Semenova, V., Latysh, H., Rack, T., Lowe, J., Petruzelka, L., Dluhos, D., Hrusak, J., 2008. Nanostructured titanium for biomedical applications, Adv. Eng. Mater. 8, B15–B17.
17. Vinogradov, A.Y., Stolyarov, V.V., Hashimoto, S., Valiev R.Z., 2001. Cyclic behavior of ultrafine-grain titanium produced by severe plastic deformation. Materials Science and Engineering: A 318, 1:2, 163–173.
18. Zarb, G., Schmitt, A., 1990. The Longitudinal Clinical Effectiveness of osseointegrated Dental Implants: The Toronto Study. Part III: Problems and Complications Encountered. Jour. Prosthet. Dent., 64, 185-194.