Investigation on the biological effect of fluorine present on the surface of titanium implants: analysis of the reaction fluoride-titanium oxide / Investigación del efecto del fluoruro sobre la superficie de implantes de titanio: análisis de la reacción fluoruro-óxido de titanio

The aim of this work was to investigate the state of fluoride at the surface of fluoridemodified titanium implants, and to provide information to support or discard the hypothesis that fluoride ion participates in the osseointegration of implants. Titanium is coated with a 2-10 nm thick layer of stable and adherent TiO2, which reacts with fluoride as a function of the anion concentration. Under present experimental conditions, the half-life of the reaction is about 2 minutes at 17 °C. The stoichiometry of the reaction Ti:F is 0.46 ± 0.03, which do not differs significantly from 0.5, the ratio inferred from the reaction between sodium fluoride and TiO2: 3 TiO2 + 6 NaF Na2 TiF6 + 2 Na2 TiO3 . The reaction proceeds as a function of the fraction of anionic fluoride concentration, which increases from a minimum at pH 1 to a maximum close to pH 6. The number of fluoride mmoles that react with TiO2 grows exponentially as a function of fluoride concentration, towards a maximum at 0.24 M fluoride. According to literature reports, potassium hexafluorotitanate is insoluble in water and it decomposes by heating at 780 °C, indicating a high formation constant. It is concluded that the hexafluorotitanate would not ionize to provide fluoride ion to the implant-bone environment and to promote growth and differentiation of osteoblasts. The effect of fluoride on the surface of titanium sheet was investigated under SEM, showing that the titanium sheet surface is roughened and electron dispersive spectroscopic microanalysis indicated that fluorine is included in the TiO2 layer. (AU)

El objetivo de este trabajo fue investigar el estado del flúor en la superficie de implantes de titanio tratados con fluoruro de sodio y obtener información para descartar o apoyar la hipótesis de su participación en el proceso de osteo-integración. El titanio está recubierto con una capa estable y adherente de TiO2, de 2-10 nm de espesor, que reacciona con el fluoruro en función de la concentración del anión. En las condiciones experimentales utilizadas el tiempo de vida media de la reacción es de 2 minutos at 17 ºC, pH 5,5. La reacción procede en función de la fracción de fluoruro iónico de la concentración total de fluoruro, que aumenta de un mínimo a pH 1 a un máximo a pH 6. El número de µmoles de fluoruro que reaccionan con TiO2 crece exponencialmente en función de la concentración del anión, hacia un máximo a 0,244 M. La relación estequiométrica de la reacción Ti:F es 0.46 ± 0.03 no difiere significativamente de 0.5; relación inferida de la reacción: 3 TiO2 + 6 NaF Na2 TiF6 + 2 Na2 TiO3. Como el hexafluorurotitanato de potasio es insoluble en agua y tiene una elevada constante de formación (se descompone por calentamiento a 780 ºC), se concluye que no se disociará para proveer fluoruro a las células óseas en contacto con el implante. La observación al microscopio electrónico de barrido y el análisis por espectroscopía de dispersión de rayos X de la superficie de un trozo de hoja de titanio tratado con solución de NaF a pH 3.5, indicaron aumento de la rugosidad y presencia de flúor en la capa de TiO2. (AU)

Osseointegration of titanium implants anodized with and without fluoride in the electrolyte: a study in rats / Osteo-integración de implantes de titanio anodizado con y sin agregado de fluoruro en el electrolito: estudio en la rata

Based on the hypothesis that fluoride acts as a bone anabolic agent, the aim of this study was to measure in rats the osseointegration of implants (grade II titanium wire, 1 mm diameter, 4 mm long) submitted to anodic oxidation in 2 M phosphoric acid solution (control implants) or b) in 2 M phosphoric acid solution plus 0.2 M NaF (F-modified implants). Chemical composition of the implants surface was assessed by energy-dispersive X-ray spectroscopy. The surface of F-modified implants contained a 2.57% fluorine in weight. Adult male Sprague Dawley rats (300-350 g body weight) received two implants (in the femur and in the tibia, close to the knee) in each hind limb. Control and F-modified implants were inserted in the left and right hind limbs, respectively. Three weeks after surgery, the animals were sacrificed. The undecalcified bones were embedded in methylmetacrylate. Sections were obtained to measure two histomorphometric magnitudes: bone-toimplant contact (BIC) and bone volume in a defined volume of tissue around the implant (BV/TV). BIC was significantly increased on F-modified implants with respect to their controls (57.2%±3.3%, vs. 47.9±3.4, p<0.05). BV/TV did not differ significantly between F-modified and control implants (24.5±2.2% vs. 22.9±1.4, p=0.30). Profiles of the average gray pixel levels of pseudo3D images showed a greater roughness of F-modified implants respect to their controls (p<0.05). The relative contributions of surface roughness and its fluorine content to the osseointegration process requires further research. (AU)

Con la hipótesis de que el ión fluoruro actúa como anabólico sobre las células óseas, el objetivo de este trabajo fue determinar el grado de osteo-integración (en la rata) de implantes (alambre de titanio II, 1 mm de diámetro, 4 mm de largo) anodizados en solución de ácido fosfórico 2 M + NaF 0,2 M (implantes-F) comparados con implantes controles, anodizados en solución de ácido fosfórico 2 M. La composición química de la superficie de los implantes fue evaluada mediante el espectro de dispersión de rayos X producidos durante la observación en el microscopio electrónico de barrido. La superficie de los implantes-F contiene 2.57% de flúor. Ratas macho Sprague-Dawley recibieron dos implantes (en el fémur y en tibia, próximos a la rodilla). Los implantes-F y controles se insertaron en las patas izquierda y derecha respectivamente. En los cortes de hueso sin decalcificación previa se midió el contacto hueso-implante (BIC) y volumen óseo en un volumen definido de tejido (BV/TV). BIC fue significativamente mayor con los Implantes-F respecto de los controles (57,2±3,3% vs. 47,9±3,4, p<0,05). BV/TV no exhibió diferencias significativas entre implantes-F y controles (24,5±2,2% vs. 22,9±1,4, p=0,30). Los perfiles de los niveles de grises de los imágenes pseudo3D de las superficies de los implantes pusieron en evidencia la mayor rugosidad de los implantes-F respecto de los controles (p<0,05). Las contribuciones relativas de la rugosidad y del flúor en el proceso de osteo-integración requieren investigación adicional. (AU)