Embed Size (px)
Citation preview
0
UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO CENTRO DE CIEcircNCIAS DA SAUacuteDE
POacuteS-GRADUACcedilAtildeO EM ODONTOLOGIA
DOUTORADO EM CLIacuteNICA INTEGRADA
LEONARDO CAVALCANTI BEZERRA DOS SANTOS
AVALIACcedilAtildeO DO PROCESSO DE TRATAMENTO DE SUPERFIacuteCIE DE
IMPLANTES EM TITAcircNIO
RECIFE ndash PE
2013
1
UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO
CENTRO DE CIEcircNCIAS DA SAUacuteDE
POacuteS-GRADUACcedilAtildeO EM ODONTOLOGIA
DOUTORADO EM ODONTOLOGIA
AacuteREA DE CONCENTRACcedilAtildeO CLIacuteNICA INTEGRADA
LEONARDO CAVALCANTI BEZERRA DOS SANTOS
AVALIACcedilAtildeO DO PROCESSO DE TRATAMENTO DE SUPERFIacuteCIE DE
IMPLANTES EM TITAcircNIO
Tese apresentada ao Colegiado do Programa de Poacutes-
Graduaccedilatildeo em Odontologia com aacuterea de concentraccedilatildeo
em Cliacutenica integrada do Centro de Ciecircncias da Sauacutede da
Universidade Federal de Pernambuco como requisito
parcial para obtenccedilatildeo do grau de Doutor em
Odontologia
Orientadora Prof Dra Alessandra de Albuquerque
Tavares Carvalho
RECIFE ndashPE
2013
2
3
4
UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO
REITOR
Prof Dr Aniacutesio Brasileiro de Freitas Dourado
VICE-REITOR
Prof Dr Silvio Romero de Barros Marques
PROacute-REITOR DA POacuteS-GRADUACcedilAtildeO
Prof Dr Francisco de Souza Ramos
CENTRO DE CIEcircNCIAS DA SAUacuteDE
DIRETOR
Prof Dr Nicodemos Teles de Pontes Filho
COORDENADORA DO PROGRAMA DE POacuteS-GRADUACcedilAtildeO EM ODONTOLOGIA
ProfaDra Jurema Freire Lisboa de Castro
PROGRAMA DE POacuteS-GRADUACcedilAtildeO EM ODONTOLOGIA COM AacuteREA DE CONCETRACcedilAtildeO EM
CLINICA INTGRADA
COLEGIADO
MEMBROS PERMANENTES
Profa Dra Alessandra Albuquerque T Carvalho
Prof Dr Anderson Stevens Leocircnidas Gomes
ProfDr Arnaldo de Franccedila Caldas Junior
Prof Dr Carlos Menezes Aguiar
ProfDr Danyel Elias da Cruz Perez
Prof Dr Edvaldo Rodrigues de Almeida
ProfaDra Flavia Maria de Moraes Ramos Perez
Prof Dr Jair Carneiro Leatildeo
Profa Dra Jurema Freire Lisboa de Castro
Profa Dra Liriane Baratella Evecircncio
ProfDr Luiz Alcino Monteiro Gueiros
ProfDra Maria Luiza dos Anjos Pontual
ProfDr Paulo Saacutevio Angeiras Goes
Profa Dra Renata Cimotildees Jovino Silveira
ProfaDra Silvia Regina Jamelli
ProfDra Simone Guimaraes Farias Gomes
ProfDr Tibeacuterio Ceacutesar Uchoa Matheus
MEMBRO COLABORADOR
Prof Dr Claacuteudio Heliomar Vicente da Silva
Profa Dra Luacutecia Carneiro de Souza Beatrice
SECRETARIA
Oziclere Sena de Arauacutejo
5
Dedico esta e demais conquistas Em primeiro lugar a Deus que iluminou o meu caminho
durante esta caminhada
Aos meus Pais Damiatildeo e Elvira (in memorian) meus irmatildeos em especial Liacutevio (in
memorian) meus primos Petrocircnio e Gilson Bezerra dos Santos que sempre me guiaram nos
estudos e no respeito aos seres Humanos
Aos meus filhos Luciane Felipe Gabriel e Eduardo que com suas energias
ajudaram-me a transformar o amor incondicional em forccedila para vencer os obstaacuteculos do dia a
dia
6
ldquoTenho a impressatildeo de ter sido uma crianccedila brincando a beira mar divertindo-me em
descobrir uma pedrinha mais lisa ou uma concha mais bonita que as outras enquanto o
imenso oceano da verdade continua misterioso diante dos meus olhosrdquo (Isaac Newton)
7
AGRADECIMENTOS
Agrave professora Dra Alessandra de Albuquerque Tavares Carvalho pela paciecircncia na orientaccedilatildeo
e incentivo que tornaram possiacutevel a conclusatildeo desta Tese
Ao Prof Dr Borko Stosic e sua esposa Profa Dra Tatijana Stosic Fiacutesicos e Coordenadores
do Departamento de Estatiacutestica e Informaacutetica da UFRPE Pelos ensinamentos dos princiacutepios
fundamentais da natureza e delinearam este trabalho
Ao Amigo Bioacutelogo Sergio Santos do Departamento de Fiacutesica da UFPE cuja colaboraccedilatildeo foi
imprescindiacutevel para conclusatildeo desses estudos
Ao Professor Dr Severino Alves Junior Coordenador do Laboratoacuterio de Terras raras do
Departamento de Quiacutemica da UFPE Pela dedicaccedilatildeo e orientaccedilatildeo do modelo experimental
Rodrigo Viana e Alice Macedo alunos do Doutorado em Quiacutemica da UFPE pela colaboraccedilatildeo
nesses estudos
AO ProfDr Breno de Albuquerque Mello pelas orientaccedilotildees iniciais deste trabalho e pela
minha formaccedilatildeo baacutesica de Materiais Dentaacuterios
Prof DrThiago Rolin do Departamento de Engenharia Mecacircnica pela gentileza e orientaccedilatildeo
nos processos de usinagem
Aos professores e funcionaacuterios do Departamento de Ciecircncias Farmacecircuticas em especial ao
Professor Dr Luiz Alberto Lira Soares e alunos do Mestrado Marco Aureacutelio Moraes Galvatildeo e
Magda Rhayanny Assunccedilatildeo Ferreira
Aos colegas e funcionaacuterios dos Departamentos que compotildeem o Curso de Odontologia da
UFPE
8
RESUMO
Os dados disponiacuteveis de estudos com animais e em seres humanos sugerem que a topografia
da superfiacutecie melhorada estaacute associada ao aumento da biocompatibilidade e do contato osso-
implante ocasionando um maior intertravamento e dessa forma contribuindo para uma
obtenccedilatildeo de uma osseointegraccedilatildeo mais raacutepida e duradoura Com objetivo de comparar os
diferentes meacutetodos de tratamento de superfiacutecie dos implantes no trabalho atual foi avaliada a
dimensatildeo fractal dos cristais formados ao longo da imersatildeo no simulador de fluiacutedos corpoacutereos
(SBF) dos implantes de titacircnio previamente sujeitos agraves diferentes combinaccedilotildees de tratamento
de superfiacutecie com i) jateamento ii) ataque aacutecido e iii) fosfato de caacutelcio representando um
meacutetodo de tratamento de superfiacutecie desenvolvido na Universidade Federal de Pernambuco
(UFPE) Foram confeccionados 48 discos medindo 5 mm diacircmetro por 2 mm de altura no
Departamento de Engenharia Mecacircnica divididos em oito grupos contendo seis discos cada
Cada grupo A recebeu o tratamento completo composto por jateamento aacutecido e fosfato de
caacutelcio o grupo B foi o controle (apenas maquinado) enquanto os outros grupos receberam
tratamentos parciais seguindo modelo experimental com anaacutelises multi fatoriais A formaccedilatildeo
de cristais ocorreu em todos os grupos poreacutem com formaccedilotildees cristais dos diferentes
tamanhos e formas bem como diferente distribuiccedilatildeo espacial As amostras com ataque acido
mostraram aumento da dimensatildeo fractal indicando maior preenchimento espacial das
formaccedilotildees cristais Por outro lado o tamanho dos cristais formados sua forma em termos da
compacidade e niacutevel de ramificaccedilatildeo e sua distribuiccedilatildeo espacial natildeo podem ser vinculados
aos tratamentos especiacuteficos Estudos futuros experimentais ldquoin vivordquo satildeo necessaacuterios para
elucidar a associaccedilatildeo entre a dimensatildeo fractal observada no trabalho atual e as propriedades
mecacircnicas e bioloacutegicas dos implantes realizados com estes procedimentos diferentes
Palavras chaves osseointegraccedilatildeo implantes biomateriais
9
ABSTRACT
The data available from animal and human subject studies suggest that enhancing the implant
surface topography is associated with increase of biocompatibility and the bone-implant
interface leading to their better interlock and therefore contributing to more rapid and more
lasting osseointegration With the objective of comparison of different implant surface
treatments the current study was conducted to evaluate the fractal dimension of crystal
structures formed during submersion in a corporal fluid simulator (CFS) of titanium implants
previously subjected to different combinations of surface treatment consisting of i) sand
blasting ii) acid attack and iii) calcium phosphate the combination of all three representing a
surface treatment method developed at the Federal University of Pernambuco (UFPE) A total
of 48 discs of diameter 5mm and heights 2mm were fabricated at the Department of
Mechanical Engineering divided in eight groups of six discs each Group A received the full
treatment composed of sand blasting acid and calcium phosphate group B was control (only
machined) and the other groups received partial treatments following the experimental multi
factor model Crystal formation occurred in all the groups however with crystal formations of
different size and form as well as different spatial distribution Samples with acid attack
demonstrated higher fractal dimension indicating a higher space filling of crystals formations
On the other hand the size of crystals their form in terms of compactness and ramification
level as well as their spatial distribution could not be associated with specific treatments
Further experimental ldquoin vivordquo studies are necessary to shed light on the association between
the fractal dimension observed in the current work and the mechanical and biological
properties of implants implemented using these different procedures
Key words osseointegration implants biomaterials
10
SUMAacuteRIO
1 INTRODUCcedilAtildeO 10
2 REVISAtildeO DA LITERATURA 12
21 Biocompatibilidade 12
22 Estrutura oacutessea 12
23 Titacircnio e a hidroxiapatita 12
24 Fractais 15
3 MATERIAL E MEacuteTODOhellip 16
31 Modelo experimental 16
32 Preparos dos corpos de Provas 16
33 Usinagem 16
34 Limpeza das amostras 16
35 Divisatildeo dos grupos 16
36 Tratamentos das superfiacutecies 17
361 Jateamento com oacutexido de Alumiacutenio 17
362 Ataque aacutecido 17
363 Fosfato de Caacutelcio 17
37 Preparaccedilatildeo do simulador de Fluiacutedos Corpoacutereos (SBF) 17
38 Meacutetodos de Avaliaccedilatildeo 18
381 Microscopia Eletrocircnica de Varredura (MEV) 18
382 Dimensatildeo Fractal 18
4 RESULTADOS E DISCUSSAtildeO 19
5 CONCLUSAtildeO 23
REFEREcircNCIAS 24
APEcircNDICE - Artigo submetido aacute publicaccedilatildeo na revista 27
11
1 INTRODUCcedilAtildeO
A osseointegraccedilatildeo representa um fator fundamental para o sucesso de implantes
dentaacuterios tendo como base o estabelecimento da estabilidade mecacircnica primaacuteria e fixaccedilatildeo
bioloacutegica posterior Ela poderaacute ser influenciada por vaacuterios fatores como arquitetura oacutessea
original e sua densidade o desenho do implante e o tratamento de superfiacutecie (ORSINI et al
2012)
O processo de tratamento de superfiacutecie eacute realizado apoacutes a usinagem depois de
remover resiacuteduos como oacuteleo e outros contaminantes As superfiacutecies com capacidade
osteoindutora preparadas com um processo que vai aleacutem de uma simples limpeza satildeo
comumente chamadas de ativas Os dados disponiacuteveis de estudos com animais e em seres
humanos sugerem que a topografia da superfiacutecie melhorada estaacute associada ao aumento da
biocompatibilidade e do contato osso-implante ocasionando um maior intertravamento com o
osso e dessa forma contribuindo para uma obtenccedilatildeo de uma integraccedilatildeo mais raacutepida e
duradoura
Vaacuterios meacutetodos para modificar a topografia das superfiacutecies dos implantes jaacute foram
introduzidos como revestimento com hidroxiapatita que usa o processo conhecido como
Titacircnio Plasma spray (TPS) abrasotildees com jateamento com oxido de titacircnio ou oxido de
alumiacutenio pulverizaccedilatildeo catoacutedica com fosfato de Caacutelcio anodizaccedilatildeo aleacutem do Laser Nd-Yag
segundo Braringnemark et al (2011) e diferentes meacutetodos quiacutemicos e bioloacutegicos como a adiccedilatildeo
de peptiacutedeos ( KAumlMMERER et al 2012)
O ataque aacutecido foi citado por vaacuterios autores como mecanismo uacutetil para promover
micro ranhuras que aumentariam a aacuterea de contato permitindo deposiccedilatildeo da matriz oacutessea
secretada pelos osteoblastos e posterior calcificaccedilatildeo Efeito sobre a densidade oacutessea foi
observado em estudos com diferentes superfiacutecies quando peptiacutedeos foram adicionados
(HAMLET et al 2012) Os aacutecidos mais utilizados satildeo cloriacutedrico sulfuacuterico fosfoacuterico e o
fluoriacutedrico onde dependendo da composiccedilatildeo tempo de contato e temperatura os resultados
poderatildeo ser diferentes O tratamento com aacutecidos na superfiacutecie de titacircnio em estudos com
cultura de ceacutelulas confirmou presenccedila de titacircnia anastase e maior proliferaccedilatildeo celular
(ZHANG et al 2010) O efeito da temperatura na formaccedilatildeo de cristais foi maior quando o
titacircnio foi submetido a tratamento teacutermico entre 400 e a 600ordm C (SULTANA et al 2009)
12
Os implantes satildeo avaliados macroscopicamente quanto a seu desenho enquanto para
a caracterizaccedilatildeo da topografia usa-se a microscopia eletrocircnica de varredura (MEV) a niacuteveis
micromeacutetricos e sub micromeacutetricos (PERROTTI et al 2011 CARNEIRO-CAMPOS et al
2010) e para a caracterizaccedilatildeo da composiccedilatildeo atocircmica usam-se Raios X (EDS) e a
cristalografia (PARK et al 2007 WENNERBERG et al 2009 NOVAES et al 2010 GAO
et al 2009)
Pelo menos cinco efeitos poderatildeo ser atribuiacutedos agrave formaccedilatildeo das rugosidades i) o
aumento da superfiacutecie junto ao osso adjacente ii) melhoria da fixaccedilatildeo celular ao titacircnio iii)
aumento da quantidade de osso junto ao implante iv) aumento da interaccedilatildeo biomecacircnica entre
o osso e o implante e v) processos inflamatoacuterios Peri implantares quando a rugosidade
apresenta-se na aacuterea trans mucosa (PERROTTI et al 2011) Poreacutem ainda natildeo existe
consenso geral tanto na literatura cientiacutefica quanto na pratica sobre quais tratamentos de
superfiacutecie de implantes resultariam em melhor e mais raacutepida osseointegraccedilatildeo e quais as
melhores propriedades dos implantes em relaccedilatildeo destes efeitos individuais Para contribuir
para o melhor entendimento desta questatildeo o objetivo deste estudo foi analisar ldquoin vitrordquo como
o tratamento da superfiacutecie no processo de fabricaccedilatildeo de implantes afetaria o processo de
formaccedilatildeo de cristais apoacutes imersatildeo no simulador de fluiacutedos corpoacutereos (SBF) Implantes de
titacircnio foram sujeitos agraves diferentes combinaccedilotildees de tratamento de superfiacutecie com i)
jateamento ii) ataque aacutecido e iii) fosfato de caacutelcio e depois de imersatildeo no SBF por 30 dias as
imagens da superfiacutecie obtidas por microscopia eletrocircnica foram sujeitas a analise fractal
13
2 REVISAtildeO DA LITERATURA
Osseointegraccedilatildeo eacute a uniatildeo estrutural e funcional entre o implante e o tecido oacutesseo
quando submetido a uma carga funcional (BRANEMARCK et al 1977) Vaacuterios fatores
poderatildeo interferir na forma e no tempo dessa integraccedilatildeo
21 Biocompatibilidade
Os materiais utilizados para fabricaccedilatildeo de implantes devem ter uma boa resistecircncia
mecacircnica elevada estabilidade quiacutemica excelente resistecircncia agrave corrosatildeo e
biocompatibilidade O titacircnio eacute usado extensivamente nos ossos como sistemas de ancoragem
implantes dentaacuterios e ortopeacutedicos bem como aplicaccedilotildees de osteossiacutentese (MARQUES 2007)
Nos implantes a cicatrizaccedilatildeo oacutessea sem a presenccedila de fibroses eacute desejaacutevel Fatores
relacionados agrave teacutecnica ciruacutergica desenho do implante com o seu respectivo tratamento de
superfiacutecie e fatores ligados ao paciente satildeo variaacuteveis que poderatildeo influenciar na sua
integraccedilatildeo
22 Estrutura oacutessea
A densidade oacutessea eacute um fator importante na longevidade dos implantes independente
da regiatildeo na arcada dentaacuteria baseado em caracteriacutesticas macroscoacutepicas da cortical e do
trabeculado oacutesseo (Misch 1998) classificou em cinco tipos de osso
D1 Osso cortical denso (gt 1250 UH)
D2 Apresenta cortical denso e osso trabeculado grosso (850 a 1250 UH)
D3 Cortical oacutessea fina e trabeculado fino (350 a 850 UH)
D4 Osso trabecular fino (150 a 350 UH)
D5 Osso natildeo-mineralizado imaturo (lt 150 UH)
onde UH satildeo unidades da escala de Hounsfield (com valores -1000 para ar 0 para aacutegua e
3000 para dentes)
23 Titacircnio e a hidroxiapatita
Verick (2003) verificou o meacutetodo de biomimetizaccedilatildeo de superfiacutecie de titacircnio
comercialmente puro (Ti-cp) tratado com hidroacutexido de soacutedio e colocado no SBF super
saturado e observou apoacutes 24 horas alguns tipos de apatitas precipitadas sobre o substrato
14
juntamente com a fase cristalina da hidroxiapatita e comparou com o difratograma de uma
mandiacutebula humana onde observou-se a semelhanccedila dos picos Concluiu que no processo de
nucleaccedilatildeo lento a fase majoritaacuteria encontrada foi a hidroxiapatita As outras fases presentes
apareceram em pequenas quantidades sendo a proacutexima fase da maior presenccedila fosfato
octacaacutelcico
Titacircnio comercialmente puro e suas ligas como Ti-6Al-4V satildeo usadas em cirurgias
ortopeacutedicas O moacutedulo de elasticidade do titacircnio e da liga Ti6Al4V variaria entre 100 e
120GPa e do osso entre 10 e 30GPa A diferenccedila do moacutedulo de elasticidade da proacutetese e do
osso seria desfavoraacutevel para o remodelamento oacutesseo Para resolver este problema e melhorar
as propriedades mecacircnicas e bioloacutegicas novas ligas de titacircnio foram desenvolvidas para
aplicaccedilotildees biomeacutedicas O meacutetodo normal para se conseguir um melhor desempenho das ligas
de titacircnio quanto agraves propriedades mecacircnicas e bioloacutegicas seria modificar sua composiccedilatildeo
Alguns elementos como NbTa Mo e Zr Fe Cr e Sn usualmente adicionados nas ligas de
titacircnio para formar completa ou parcialmente a estrutura que possuem baixo moacutedulo de
elasticidade e contribuem para diminuir a diferenccedila entre o moacutedulo de elasticidade da liga e
do osso Aleacutem disso certos elementos de liga como Cu Co Ni e Si satildeo utilizados para
aumentar a resistecircncia mecacircnica das ligas Nos estudos comparativos com quatro superfiacutecies
tratadas com aacutecidos fluoretos e apenas usinada as anodizadas mostraram melhores resultados
de deposiccedilatildeo de iacuteons (MARQUES 2007)
A Hidroxiapatita sintetizada eacute um dos materiais mais atrativos para uso como
biomaterial devido a sua similaridade composicional e bioloacutegica com a fase inorgacircnica do
osso humano A estrutura da HA permite substituiccedilotildees catiocircnicas e aniocircnicas isomorfas com
facilidade as quais poderatildeo alterar a cristalinidade a morfologia e os paracircmetros de rede A
estabilidade a bioatividade e a biocompatibilidade do material obtido Tais caracteriacutesticas
positivas podem ser explicadas pela natureza quiacutemica por serem formados basicamente por
iacuteons caacutelcio e fosfato participam ativamente do equiliacutebrio iocircnico entre o fluido bioloacutegico e a
ceracircmica Uma forma conveniente de classificar os vaacuterios fosfatos de caacutelcio eacute pela sua razatildeo
molar CaP que pode variar de 05 a 20 A solubilidade eacute uma das mais importantes
propriedades dos compostos de fosfato de caacutelcio Esta biocompatibilidade favorece o
crescimento oacutesseo para os locais em que a HA se encontra Estabelecendo ligaccedilotildees de
natureza quiacutemica entre ela e o tecido oacutesseo (bioativo) permitindo a proliferaccedilatildeo de
fibroblastos osteoblastos e outras ceacutelulas oacutesseas as quais natildeo a distinguem da superfiacutecie
oacutessea o que indica a grande similaridade quiacutemica superficial (GOUVEIA 2008)
15
O tratamento teacutermico da superfiacutecie pode induzir aumento da nucleaccedilatildeo dos cristais de
hidroxiapatita como mostrado pelo Ling e colaboradores (GAO et al 2009) As superfiacutecies
tratadas com ataque aacutecido e anodizaccedilatildeo foram submetidas a tratamento teacutermico a 450ordm C por 6
horas Foram observados cristais de anatase medindo em torno de 20 nm e em seguida as
amostras com e sem tratamento teacutermico foram colocadas em 15 SBF por 7 dias e avaliados
em termos de nucleaccedilatildeo dos cristais
Superfiacutecie tratada por laser tambeacutem pode apresentar melhor fixaccedilatildeo da interface osso-
implante como mostrado (BRAringNEMARK et al 2011) a niacutevel micro e nano escala em
estudos em tiacutebia de coelho com o objetivo de avaliar a resposta biomecacircnica e histoloacutegica de
implantes de titacircnio tratados por laser em comparaccedilatildeo com os implantes apenas usinados
Verificaram que apoacutes 8 semanas tiveram um aumento de 250 no torque de remoccedilatildeo para
superfiacutecies tratadas com laser em relaccedilatildeo as apenas maquinadas Concluiacuteram que existiu uma
melhor fixaccedilatildeo da interface osso-implante promovida por alteraccedilotildees em micro e nano-escala
da topografia da superfiacutecie do implante
Em outro recente experimento ldquoin vivordquo (ORSINI et al 2012) a superfiacutecie tratada
com jateamento e ataque aacutecido (SLA) apresentou maior osteocondutividade quando
comparada com a superfiacutecie natildeo tratada verificando que houve maior deposiccedilatildeo de novo osso
na superfiacutecie de titacircnio
Implantes revestidos com Hidroxiapatiata (HA) reagem de uma maneira direta com
o tecido oacutesseo em cinco fases distintas i) com a dissoluccedilatildeo de HA ii) a precipitaccedilatildeo de
apatita iii) trocas iocircnicas acompanhada por absorccedilatildeo e incorporaccedilatildeo de moleacuteculas bioloacutegicas
iv) a ligaccedilatildeo de ceacutelulas proliferaccedilatildeo e diferenciaccedilatildeo em osteoblastos e v) a formaccedilatildeo da
matriz extra celular e mineralizaccedilatildeo Para que esses efeitos em cascata ocorram a dissoluccedilatildeo
do revestimento de HA representa um passo fundamental Esta dissoluccedilatildeo eacute citada como um
requisito importante para induzir a precipitaccedilatildeo da hiroxiapatita sobre a superfiacutecie do implante
(TAPASH et al 2011) O tratamento quiacutemico dos biomateriais poderaacute apresentar alto impacto
na ativaccedilatildeo plaquetaacuteria Mais especificamente o adesivo sequecircncia peptiacutedica ceacutelula bioativo
Arg-Gli-Asp (RGD) desencadeia a ativaccedilatildeo plaquetaacuteria mediada pelo receptor de integrina
aIIbb3 Deste modo as superfiacutecies tratadas com substacircncias biomimeacutetica (peacuteptidio RGD
imobilizado) poderiam aumentar no iniacutecio ativaccedilatildeo de plaquetas e da cicatrizaccedilatildeo oacutessea junto
ao implante (KAumlMMERER et al 2012)
16
24 Fractais
O termo fractal foi introduzido por Benoit Mandelbrot (MANDELBROT 1983) para
descrever geometria dos sistemas naturais formados pelos processos estocaacutesticos longe do
equiliacutebrio Como exemplos desses sistemas podem-se citar as aacutervores ramificadas linhas
costeiras nuvens poliacutemeros estruturas cardiopulmonares (rede arterial aacutervore
traqueobronquial) etc (MANDELBROT 1983 BASSINGTHWAIGHTE et al 1994) A
diferenccedila entre a geometria fractal e a geometria euclidiana eacute que fractais possuem dimensatildeo
natildeo inteira (fracionaacuteria) e propriedade de auto-similaridade (partes do objeto se assemelham ao
objeto como todo) Os exemplos citados representam fractais estocaacutesticos e possuem a
propriedade de auto-similaridade em sentido estatiacutestico dentro de um intervalo de escala onde
o limite inferior representa a dimensatildeo das componentes elementares (eg partiacuteculas) do
sistema e o limite superior representa a dimensatildeo linear do sistema Durante ultimas deacutecadas o
conceito fractal foi amplamente utilizado para descrever a complexidade dos sistemas
fisioloacutegicos tanto na analise das imagens medicas quanto na analise dos sinais fisioloacutegicos e
mostrou se eficiente em diferenciaccedilatildeo entre os casos saudaacuteveis e patoloacutegicos Os exemplos
incluem osteoporoses (ZAIA et al 2006) enfisema pulmonar (CHUNG e HUANG 2000)
doenccedilas degenerativas neuroloacutegicas (WU et al 2010) alteraccedilotildees em vascularizaccedilatildeo da retina
(STOSIC 2006) doenccedilas cardiovasculares (IVANOV et al 1999) entre outros
O potencial da analise fractal tambeacutem foi explorado na odontologia (SAacuteNCHEZ e
UZCAacuteTEGUI 2011 UPDIKE e NOWZARI 2008) Nos uacuteltimos anos a dimensatildeo fractal foi
utilizada para descrever a rugosidade da superfiacutecie do implante sendo uacutetil para quantificaccedilatildeo
das diferenccedilas entre as superfiacutecies dos implantes obtidas utilizando diversos tratamentos
(PEROTTI et al 2011 LEZZI et al 2012 EHRENFEST et al 2011)
17
3 MATERIAL E MEacuteTODO
Este estudo foi planejado uma anaacutelise multifatorial tendo como objetivo analisar
diferentes tratamentos da superfiacutecie de implante em relaccedilatildeo agrave deposiccedilatildeo de Hidroxiapatita que
eacute considerado um fator relevante pela literatura especializada
31 Modelo experimental
Foi desenvolvido um modelo ldquoin vitrordquo utilizando simulador de fluiacutedos corpoacutereos onde
as amostras foram submergidas por 30 dias e em seguida analisadas por microscopia eletrocircnica
32 Preparos dos Corpos de Provas
O titacircnio foi adquirido atraveacutes da Empresa Tinbrazil barras medindo 6 mm de
diacircmetro por 1 metro de comprimento com laudo de certificaccedilatildeo emitido pela importadora
acima Como sendo titacircnio grau II Ti-6Al-4V conforme a ASTM usados na fabricaccedilatildeo de
implantes dentaacuterios
33 Usinagem
Foi utilizado torno computadorizado marca ROMI com ferramentas de corte
fabricadas em ceracircmica no Departamento de Engenharia Mecacircnica da Universidade Federal
de Pernambuco A vareta foi reduzida em 86 discos medindo 5 mm de diacircmetro e 2 mm de
altura As amostras foram levadas para tratamento de superfiacutecie no laboratoacuterio de
Farmacognosia do Departamento de Ciecircncias Farmacecircuticas da UFPE
34 Limpeza das amostras
As amostras foram lavadas com hexano por 10 minutos em ultrassom O solvente foi
desprezado em recipiente apropriado As amostras foram colocadas em um Becker de vidro
colocados em estufa a 80ordm C por 10 minutos
35 Divisatildeo dos grupos
Os grupos foram divididos seguindo o Planejamento Fatorial de 23
satildeo apresentados na
Tabela 1
18
Tabela 1 ndash Organizaccedilatildeo dos grupos
Jateamento Ataque aacutecido Fosfato de caacutelcio
Grupo A Sim Sim Sim
Grupo B Natildeo Natildeo Natildeo
Grupo C Sim Natildeo Sim
Grupo D Sim Sim Natildeo
Grupo E Natildeo Natildeo Sim
Grupo F Natildeo Sim Natildeo
Grupo G Natildeo Sim Sim
Grupo H Sim Natildeo Natildeo
36 Tratamentos das superfiacutecies
361 Jateamento com Oacutexido de Alumiacutenio
Foi realizado utilizando oacutexido de alumiacutenio com granulaccedilatildeo meacutedia agrave 80 libras com o
jato direcionado a superfiacutecies dos discos por 10 segundos em cada lado
362 Ataque aacutecido
A segunda etapa foi o ataque aacutecido cuja composiccedilatildeo foi aacutecido cloriacutedrico 59 + 1
de aacutecido fluoriacutedrico e 40 de aacutegua destilada acondicionado em recipiente de polietileno ateacute
momento do uso Em um Becker de 50 ml foram colocados 20 ml do aacutecido por um (01)
minuto
363 Fosfato de Caacutelcio
Foi desenvolvida uma pasta contendo proporccedilatildeo de 13 de aacutegua e fosfato de caacutelcio
terciaacuterio No final da segunda etapa o excesso de aacutecido eacute desprezado e a pasta eacute adicionada ao
Becker onde permanece no ultrassom por 20 minutos Apoacutes a lavagem o material foi
colocado em recipiente de vidro seco em estufa a 40 C por 1 hora armazenados em tubos
tipo Ependorf e encaminhados para as anaacutelises
37 Preparaccedilatildeo do Simulador de Fluiacutedos Corpoacutereos (SBF)
Foi preparado conforme meacutetodo de Kokubo e Takadama (2006) no laboratoacuterio de
Farmacognosia Departamento de Ciecircncias Farmacecircuticas da UFPE
19
Tabela 2 - Composiccedilatildeo quiacutemica do SBF proposta por Kokubo e Takadama (2006)
Reagentes Quantidade Pureza
NaCl 8055 g 995
NaHCO3 0355 g 995
Kcl 0225 g 995
K2PO4 3H2O 0231 g 990
MgCl2 6H2O 0311 g 980
10 M- HCl 39 ml -----------
CaCl2 0292 g 950
NaSO4 0072 g 990
Tris 6118 g 990
10 M HCl 0-5ml ------------ Hidroximetil aminometano
38 Meacutetodos de Avaliaccedilatildeo
381 Microscopia Eletrocircnica de Varredura (MEV)
Para analise da superfiacutecie das amostras foi utilizada microcopia eletrocircnica de varredura
(MEV) JEOL 5600 LV (Japan) voltagem de 10 kV do Departamento de Fiacutesica da UFPE
Foram analisadas em arquivos digitais trecircs campos visuais diferentes para cada disco
Para cada grupo foram avaliados 3 discos totalizando nove aacutereas por grupo Em cada campo
foram obtidas imagens de 200x 1000x e 15000x para anaacutelises comparativas
382 Dimensatildeo Fractal
Existem vaacuterios meacutetodos para o caacutelculo de dimensatildeo fractal como contagem de caixas
(ldquobox countingrdquo) meacutetodo massa-raio (ldquomass-radius methodrdquo) e meacutetodo de correlaccedilatildeo
densidade-densidade (ldquodensity-density correlation function methodrdquo) O meacutetodo contagem de
caixas eacute mais utilizado e consiste em cobrir a estrutura com uma grade de caixas com arestas
de tamanho l e contar o nuacutemero N(l) de caixas que conteacutem pelo menos uma partiacutecula do
sistema Reduz-se sucessivamente o tamanho das caixas e mede-se para cada tamanho o
numero de caixas N(l) nos quais existe pelo menos um ponto do sistema A dimensatildeo fractal eacute
definida pela equaccedilatildeo
de onde segue
Assim traccedila-se um graacutefico do logaritmo de N(l) em funccedilatildeo do logaritmo de 1l e determina-se
a dimensatildeo fractal pela inclinaccedilatildeo do graacutefico (BASSINGTHWAIGHTHE et al 1994)
fDllN
~)(
)1log(~)(log lDlN f
20
4 RESULTADOS E DISCUSSAtildeO
A Figura 3 mostra os cristais formados depois submersatildeo dos implantes em Simulador
de Fluiacutedos Corpoacutereos (SBF) por 30 dias obtidas com auxilio da Microscopia Eletrocircnica de
Varredura Observam-se as formas diferentes dos cristais (cristais grandes ou pequenos
distribuiacutedos uniformemente ou agrupados simples ou ramificados) para diferentes
tratamentos da superfiacutecie dos implantes A forma e a distribuiccedilatildeo espacial dos cristais
formados por SBF refletem o processo de osseointegraccedilatildeo e indicam que uma analise das
propriedades geomeacutetricas destas estruturas para vaacuterios tipos de tratamento da superfiacutecie dos
implantes poderia providenciar informaccedilotildees importantes para avaliaccedilatildeo da qualidade do
implante
A dimensatildeo fractal das imagens dos cristais formados por SBF nas superfiacutecies dos
implantes foi calculada para diferentes tratamentos da superfiacutecie As imagens da Figura 3
foram binarizadas como apresentado na Figura 4 e em seguida a dimensatildeo fractal foi
calculada utilizando o pacote FracLac do software gratuito ImageJ com meacutetodo ldquoBox
countingrdquo Os resultados destes caacutelculos satildeo apresentados na Tabela 3
21
Com jateamento Sem jateamento
Com
ata
que
aacutecid
o
Com
fosf
ato d
e caacute
lcio
S
em f
osf
ato d
e caacute
lcio
Sem
ata
que
aacutecid
o
Com
fosf
ato d
e caacute
lcio
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
Figura 3 Imagens das formaccedilotildees cristalinas nas superfiacutecies das amostras A-H
22
Figura 4 Imagens binarizadas das formaccedilotildees cristalinas nas superfiacutecies das
amostras A-H
Com jateamento
Sem jateamento
Com
ata
que
aacutecid
o
C
om
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
ata
que
aacutecid
o
C
om
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
23
Tabela 3 Dimensatildeo Fractal (desvio padratildeo) das imagens binarizadas apresentadas na Fig 4
Com aacutecido Sem aacutecido
Com fosfato
de caacutelcio
Sem fosfato
de caacutelcio
Com fosfato
de caacutelcio
Sem fosfato
de caacutelcio
Com jateamento 1859 (0014) 1930 (0015) 1693 (0011) 1903 (0014)
Sem jateamento 1920 (0015) 1845 (0013) 1881 (0014) 1687 (0012)
Na Tabela 3 observa-se a maior dimensatildeo fractal dos cristais formados na superfiacutecie
dos implantes tratados com aacutecido do que em tratamentos sem aacutecido indicando maior
preenchimento espacial dos cristais Este resultado pode ser explicado pelo fato que o
tratamento com acido produz uma superfiacutecie de maior rugosidade aumentando a aacuterea de
contato que pode causar uma deposiccedilatildeo maior e mais uniforme As superfiacutecies apenas
maquinadas que natildeo receberam nenhum tratamento tambeacutem apresentaram as formaccedilotildees de
cristais apoacutes imersatildeo no SBF por 30 dias poreacutem em quantidades aparentemente menores
resultando em menor dimensatildeo fractal (1687) do que para as superfiacutecies com tratamentos
diferentes
24
5 CONCLUSAtildeO
A dimensatildeo fractal das imagens dos implantes de titacircnio submetidos agraves diferentes
combinaccedilotildees dos tratamentos da superfiacutecie e submersos em Simulador de Fluiacutedos Corpoacutereos
por 30 dias varia entre Df=168 ate Df=193 refletindo a complexidade da formaccedilatildeo cristal
caracterizada por pequenos ou grandes cristais depositados localmente ou de forma uniforme
com geometria simples ou dendritica dependendo da combinaccedilatildeo dos tratamentos A menor
dimensatildeo fractal de Df=168 foi obtida para amostras sem tratamento nenhum enquanto a
maior dimensatildeo fractal de Df=193 foi obtida para amostras com jateamento e ataque aacutecido
(sem fosfato de caacutelcio) Ataque aacutecido foi identificado como uacutenico dos tratamentos que leva
sistematicamente ao aumento da dimensatildeo cristal enquanto o tamanho e a distribuiccedilatildeo
espacial dos cristais formados demonstram grande diversidade sem aparente dependecircncia em
nenhum dos tratamentos Estudos sistemaacuteticos ldquoin vivordquo satildeo necessaacuterios para estabelecer
quais combinaccedilotildees destes tratamentos de superfiacutecie geram implantes mais biologicamente
estaacuteveis e mecanicamente robustos e como estas propriedades podem ser associadas com a
dimensatildeo fractal dos cristais depositados
25
REFEREcircNCIAS
BARROS NETO B SCHARMINIO I E BRUNS R E Como Fazer experimentos
Pesquisa e desenvolvimento na ciecircncia e na Induacutestria 2 ed- Campinas-SP Editora
Unicamp 2003
BASSINTHWAITGHT JB LIEBOVITCH LS BRUCE JW Fractal physiology New
York Oxford American Physiological Society 1994
BRAringNEMARK R et al Bone response to laser-induced micro- and nano-size titanium
surface features Nanomedicine v 7 n 2 p 220-227 2011
BRAringNEMARK PI et al Osseointegreated implants in the treatment of edentulous jaw
Experience from a 10- year period Scand J Plast Reconst Surg Suppl v 16 p 1-132
1977
CARNEIRO-CAMPOS LE et al The effect of titanium topography features on mesenchymal
human stromal cells adhesion Clin Oral Implants Res v 21 n 2 p 251-254 2010
CHUNG H-W HUANG Y-H Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the
Diagnosis of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology v 174 p
1055-1059 2000
EHRENFEST D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol v 37 p 506-509 2011
GAO L et al MicroNanostructural Porous Surface on Titanium and Bioactivity J Biomed
Mater Res Part B Appl Biomater v 89B n 2 p 335ndash341 2009
GOUVEIA DS Obtenccedilatildeo de poacutes nanomeacutetricos de hidroxiapatita sintetizados com
magneacutesio utilizando ultra-som Tese Instituto de Pesquisas Energeacuteticas e Nucleares S
Paulo 2008
HAMLET S et al The effect of hydrophilic titanium surface modification on macrophage
inflammatory cytokine gene expression Clin Oral Implants Res v 23 n 5 p 584-90
2012
IVANOV PCH et al Multifractality in Human Heartbeat Dynamics Nature v 399 p
461-465 1999
KAumlMMERER PW et al Early implant healing promotion of platelet activation and
cytokine release by topographical chemical and biomimetical titanium surface modifications
in vitro Clin Oral Implants Res v 23 n4 p 504-10 2012
26
KOKUBO TTAKADAMA H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
BIOMATERIALS v 27 n 15 p 2907-2915 2006
LEZZIG et al Implant surface topographies analyzed using fractal dimension Implant
Dent v 20 p 131-138 2012
MANDELBROT BB How long is the coast of Britain Statistical self-similarity and
fractional dimension Science 156 1967 636-638
MANDELBROT BB The Fractal Geometry of Nature New York 1983
MARQUES C Tratamento de superfiacutecies de implantes de titacircnio Dissertaccedilatildeo de
Mestrado apresentada ao Curso de Mestrado em Ciecircncia dos Materiais do Instituto Militar de
Engenharia (IME) 2007
MISCH CE Misch bone density classification In Misch CE ed Contemporary Implant
Densitry 113-114 St Luis Mosby Inc 2009
NOVAES ABJR et al Influence of Implant Surfaces on Osseointegration Braz Dent J v
21 n 6 p 471-481 2010
ORSINI E et al Early Healing Events around Titanium Implant Devices with Different
Surface Microtopography A Pilot Study in an In Vivo Rabbit Model The Scientific World
Journal 349042 2012
PARK S et al The Effect of Fluoride Treatment on Titanium Treated with Anodic Spark
Oxidation Metals and Materials International v 13 n 2 p 117-122 2007
PERROTTI V et al Fractal Analysis A Novel Method to Assess Roughness Organization of
Implant Surface Topography International Journal of Periodontics amp Restorative
Dentistry v 31 n 6 p 633-639 2011
SAacuteNCHEZ I UZCAacuteTEGUI G Fractals in dentistry Journal of Dentistry v 39 n 4 p
273-292 2011
STOSIC T STOSIC B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels IEEE
Transactions on Medical Imaging v 25 p 1101-1107 2006
SULTANA R et al Effects of heat treatment on the bioactivity of surface-modified titanium
in calcium solution Biomed Mater Eng v 19 n 2 p 193-204 2009
TAPASH RR NARAYANAN R KIM K-H Ion implantation of titanium based
biomaterials Progress in Materials Science v 56 n 8 p 1137-1177 2011
27
UPDIKE SX NOWZARI H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res v 43 n 6 p 658-664 2008
WENNERBERG A ALBREKTSSON T Effects of titanium surface topography on bone
integration a systematic review Clin Oral Implants Res v 20 n 4 p 172-84 2009
WUY-T et al Fractal dimension analysis for quantifying cerebellar morphological change
of multiple system atrophy of the cerebellar type (MSA-C) NeuroImage v 49 n 1 p 539-
551 2010
ZAIA A et al MR imaging and osteoporosis fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute
IEEE Trans Inf Technol Biomed v 10 n 3 p 484-489 2006
ZHANG F et al Cell response of titanium implant with a roughened surface containing
titanium hydride an in vitro study J Oral Maxillofac Surg v 68 n 5 p 1131-1139 2010
28
APEcircNDICE
Artigo submetido agrave publicaccedilatildeo na revista
Fractal measure and microscopic modeling of osseointegration
Leonardo Cavalcanti Bezerra dos Santos1 Alessandra de Albuquerque Tavares Carvalho
1
Borko Stosic2 Tatijana Stosic
2 Paulo Jose Duarte Neto
2
1Departamento de Cliacutenica e Odontologia Preventiva Universidade Federal de Pernambuco
Quarta Travessa Artur de Saacute sn Cidade Universitaacuteria 50670-901 Recife PE Brazil
2Departamento de Estatiacutestica e Informaacutetica Universidade Federal Rural de Pernambuco
Rua Dom Manoel de Medeiros sn Dois Irmatildeos 52171-900 Recife PE Brazil
Abstract
In this work the process of osseointegration on titanium implant surfaces with
different physicochemical treatment subjected to a simulated corporal fluid
submersion is evaluated using the concept of fractal dimension It is found that
different treatments lead to rather different calcium phosphate crystal growth
patterns with fractal dimension ranging from Df=168 to Df=193 The
observed crystal patterns may be explained by a general deposition- diffusion-
aggregation growth mechanism where diffusing particle sticking probability
plays a fundamental role
Key words dental implants osseointegration fractal dimension
Introduction
Practical techniques enhancing implant osseointegration represent a fundamental
research topic not only in dentistry but also in other diverse areas of medicine and veterinary
sciences where bone implants or bone restoration is applied [1-3] While great advances in
this direction have undoubtedly been made over the past decades the full understanding is
still lacking on the effects of different implant surface physicochemical treatments as well as
on the microscopic mechanisms of the posterior osseointegration process [4]
Fractal dimension is a novel concept that has been increasingly employed in diverse
areas of knowledge for quantifying the complexity of natural phenomena ranging from
coastlines [5] and shape of volcanic ash particles [6] bronchial tree [7] and neurons [8]
Fractals are in fact commonly found in nature being characterized by scale invariance and
29
self-similarity During the last decades fractal analysis was used in studying diverse
phenomena in physiology and medicine including pulmonary emphysema [9] osteoporoses
[10] retinal blood vessels [11] and heart rate [12] The potential of fractal analysis was also
explored in dentistry [1314] Recently fractal dimension was used to quantify the surface
roughness of dental implants and shown to be promising to differentiate between topological
properties of dental implant surfaces obtained with different treatments [151617]
In this work we follow up on recent studies [15-17] as to how one may employ fractal
analysis to assess roughness organization of implant surface topology Rather than
concentrating on the implant surface properties subject to different physicochemical treatment
processes [15] here we put the emphasis on the results of simulated body fluid submersion
representing a step forward in understanding of implant osseointegration
Materials and Methods
Machined titanium implant samples were first subjected to different combinations of
a) sand blasting with aluminum oxide b) treatment with hydrofluoric acid and c) treatment
with calcium phosphate [18] after which they were submersed in a simulated body fluid [19]
for thirty days Magnified images of these samples were then acquired through scanning
electron microscopy as shown in Fig1 and subjected to image analysis
As opposed to fractal analysis performed in [15] to find the fractal dimension here we
only binarize the images as shown in Fig2 without skeletonization since we are interested in
crystal formation and it was found that skeletonization introduces artefacts (local networks of
lines) not apparent in the original crystal structure There are various methods for fractal
dimension calculation among which the box-counting method is perhaps the most widely
used because of its simplicity and robustness [20] It proceeds as follows Cover the structure
with a grid of size r and count the number of nonempty grid boxes )(rn Repeat this
procedure for different grid size for fractal self-similar structures 0~)(D
rrn
Box-counting
dimension is defined as
)1log(
)(loglim
0 r
rnD
rf
and can be estimated as the slope of the linear regression of )(log rn versus )1log( r We
calculate fractal dimension using the box counting method implemented in the FracLac
Package of open source software ImageJ
30
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid
tre
atm
ent
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 1 Electron microscope images of samples with different treatment after
submersion in simulated body fluid
31
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid t
reat
men
t
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 2 Same images as in Fig1 after binarization
32
Results and Discussion
It is seen on Fig1 that different combinations of implant surface treatment lead to
rather different crystal pattern formation during the simulated body fluid submersion No clear
conclusions can be drawn as to the size of spatial distribution of formed crystals
corresponding to any single treatment rather it is the combinations of these procedures that
lead to specific resulting structures Large and small crystals uniformly or locally deposited
of simple or dendritic shape are found for different treatment combinations and further in
vivo studies are necessary to determine which of these provide more robust implants with
best mechanical properties
In line with the previous study [15] that has motivated the current work we calculate
the fractal dimension of binarized images shown in Fig2 with the results presented in Table
1 The obtained fractal dimension values vary between Df=168 and Df=193 indicating the
potential of this method to quantify spatial complexity of formed crystals for different implant
surface treatments It is seen from Table 1 that in general the fractal dimension of implant
surface after submersion in SBF tends to be greater in the cases of treatment with acid
(keeping the same combination of sand blasting and calcium phosphate coating) that reflects
the fact that acid etching produces micro pits on titanium surface that greatly enhance
osseointegration [4] The highest value of fractal dimension (193) is obtained for the implant
treated by sand blasting and acid etching indicating that the surface roughness produced by
this treatment results in more uniform and more space filling crystal deposits The fractal
dimension of surfaces treated only by sand blasting acid etching and calcium phosphate are
1903 1845 and 1881 respectively and they are significantly higher than the fractal
dimension of untreated surface (1687) confirming the role of implant surface chemistry and
topology in the process of osseointegration Although our results show that surface topology
of treated implants has higher fractal dimension than that of untreated implants it is still not
clear which treatment or combination of treatments produces the best surfaces for
osseointegration It is also seen from Table 1 that the fractal dimension is higher for all of the
treated surfaces in comparison with the surface without any treatments (with the smallest
fractal dimension value) which reflects the fact that all these treatments produce surface
effects that favorably influence the complexity of the final crystal structure On the other
hand there is no clear evidence as to how these values may be associated with the quality of
implants without further in vivo experiments
33
Table 1 Fractal dimension (standard deviation) of binarized images shown in Fig2
Acid treatment No acid
Calcium
phosphate
No calcium
phosphate
Calcium
phosphate
No calcium
Phosphate
Sand blasted 1859 (0014) 1930 (0015) 1693 (0011) 1903 (0014)
No sand blasting 1920 (0015) 1845 (0013) 1881 (0014) 1687 (0012)
The current study suggests that a general Deposition Difusion Aggregation (DDA)
model [21] may be used to describe crystal formation in the different scenarios covered in the
present work One may perceive that the molecules present in the solution deposit on the
implant surface and move along this surface until they reach other such molecules andor
already crystallized formations where they become incorporated into the crystal structure
The concentration of the (in the current experiment simulated corporal) fluid determines the
flux of deposition and the mobility of the molecules (and perhaps larger molecular
agglomerates) is governed by the topology (roughness) of the implant surface It is well
known [21] that the flux and mobility of aggregate particles lead to rather different deposition
patterns ranging from many uniformly distributed small DLA (Diffusion Limited
Aggregation) like crystals to large dendritic structures and the DDA model apparently
represents an excellent candidate to describe the diversity of observed crystal patterns seen
on the electron microscope images of Fig 1
Conclusion
We apply fractal analysis on binarized scanning electron microscopy images of the
surface of titanium implants that were first subjected to different treatment combinations of i)
sand blasting ii) acid etching and iii) exposition to calcium phosphate and were then
submersed in a simulated corporal fluid for thirty days The obtained fractal dimension values
vary between Df=168 to Df=193 reflecting the complexity and space filling property of the
final crystal structure characterized by large and small crystals uniformly or locally
deposited of simple or dendritic shape that were found for different treatment combinations
Further in vivo studies are necessary to determine how these values may be associated with
the quality of implants
34
References
[1] Albrektsson T Sennerby L Wennerberg A State of the art of oral implants Periodontol
2000 2008 47 15-26
[2] Wazen JJ Gupta R Ghossaini S Spitzer J Farrugia M Tjellstrom A
Osseointegration timing for Baha system loading Laryngoscope 2007 117 794-796
[3] Palmquist A Jarmar T Emanuelsson L Braringnemark R Engqvist H Thomsen P
Forearm bone-anchored amputationprosthesis a case study on the osseointegration Acta
Orthop 2008 79 78-85
[4] Le Gueacutehennec L Soueidan A Layrolle P Amouriq Y Surface treatments of titanium
dental implants for rapid osseointegration Dental Materiasl 2007 23 844-854
[5] Mandelbrot BB The Fractal Geometry of Nature New York Freeman 1983 25
[6]Dellino PLiotino G The fractal and multifractal dimension of volcanic ash particles
contour a test study on the utility and volcanological relevance Journal of Volcanology and
Geothermal Research 2002 113 1-18
[7] Majumdar A Alencar AM Buldyrev SV Hantos Z Lutchen KR Stanley HE Suki B
Relating airway diameter distributions to regular branching asymmetry in the lung Phys Rev Lett 2005 95 168101
[8] Jelinek HF Fernandez E Neurons and fractals how reliable and useful are calculations of
fractal dimensions Journal of Neuroscience Methods 1998 81 9 ndash 18
[9] Chung HW HUANG YH Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the Diagnosis
of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology 2000 174 1055-1059
[10] Zaia A Eleonori R Maponi P Rossi R Murri R MR imaging and osteoporosis
fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute IEEE Trans Inf Technol Biomed 2006 10
484-489
[11] Stosic T Stosic B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels EEE Transactions
on MIedical Imaging 2006 25 1101-1107
[12] Goldberger AL Amaral LAN Hausdorff JM Ivanov PCh Peng CK Stanley
HE Fractal dynamics in physiology Alterations with disease and aging PNAS 2002 99
2466-2472
[13] Saacutenchez I Uzcaacutetegui G Fractals in dentistry Journal of Dentistry 2011 39 273-292
[14] Updike SX Nowzari H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res 2008 43 658-664
[15] Perotti V Aprile G Degidi M Piatelli A Lezzi G Fractal analysis a novel method to
assess roughness organization of implant surface topography Int J Peridontic Restorative
Dent 2011 31 633-639
[16] Ehrenfest D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol 2011 37 506-509
35
[17] Lezzi G Aprile G Tripodi D Scarano A Piatelli A Perotti V Implant surface
topographies analyzed using fractal dimension Implant Dent 2012 20 131-138
[18] Guo CY Tang ATH Matinlinna JP Insights into surface treatment methods of titanium
dental implants Journal of Adhesion Science amp Technology 2012 26 189ndash205
[19] Kokubo T Takadama H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
Biomaterials 2006 27 2907-2915
[20] Theiller J Estimating fractal dimension J Opt Soc Am 1990 7 1055-1073
[21] P Jensen A-L Barabaacutesi H Larralde S Havlin H E Stanley Model incorporating
deposition diffusion and aggregation in submonolayer nanostructures Phys Rev E (1994)
50 618ndash621
1
UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO
CENTRO DE CIEcircNCIAS DA SAUacuteDE
POacuteS-GRADUACcedilAtildeO EM ODONTOLOGIA
DOUTORADO EM ODONTOLOGIA
AacuteREA DE CONCENTRACcedilAtildeO CLIacuteNICA INTEGRADA
LEONARDO CAVALCANTI BEZERRA DOS SANTOS
AVALIACcedilAtildeO DO PROCESSO DE TRATAMENTO DE SUPERFIacuteCIE DE
IMPLANTES EM TITAcircNIO
Tese apresentada ao Colegiado do Programa de Poacutes-
Graduaccedilatildeo em Odontologia com aacuterea de concentraccedilatildeo
em Cliacutenica integrada do Centro de Ciecircncias da Sauacutede da
Universidade Federal de Pernambuco como requisito
parcial para obtenccedilatildeo do grau de Doutor em
Odontologia
Orientadora Prof Dra Alessandra de Albuquerque
Tavares Carvalho
RECIFE ndashPE
2013
2
3
4
UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO
REITOR
Prof Dr Aniacutesio Brasileiro de Freitas Dourado
VICE-REITOR
Prof Dr Silvio Romero de Barros Marques
PROacute-REITOR DA POacuteS-GRADUACcedilAtildeO
Prof Dr Francisco de Souza Ramos
CENTRO DE CIEcircNCIAS DA SAUacuteDE
DIRETOR
Prof Dr Nicodemos Teles de Pontes Filho
COORDENADORA DO PROGRAMA DE POacuteS-GRADUACcedilAtildeO EM ODONTOLOGIA
ProfaDra Jurema Freire Lisboa de Castro
PROGRAMA DE POacuteS-GRADUACcedilAtildeO EM ODONTOLOGIA COM AacuteREA DE CONCETRACcedilAtildeO EM
CLINICA INTGRADA
COLEGIADO
MEMBROS PERMANENTES
Profa Dra Alessandra Albuquerque T Carvalho
Prof Dr Anderson Stevens Leocircnidas Gomes
ProfDr Arnaldo de Franccedila Caldas Junior
Prof Dr Carlos Menezes Aguiar
ProfDr Danyel Elias da Cruz Perez
Prof Dr Edvaldo Rodrigues de Almeida
ProfaDra Flavia Maria de Moraes Ramos Perez
Prof Dr Jair Carneiro Leatildeo
Profa Dra Jurema Freire Lisboa de Castro
Profa Dra Liriane Baratella Evecircncio
ProfDr Luiz Alcino Monteiro Gueiros
ProfDra Maria Luiza dos Anjos Pontual
ProfDr Paulo Saacutevio Angeiras Goes
Profa Dra Renata Cimotildees Jovino Silveira
ProfaDra Silvia Regina Jamelli
ProfDra Simone Guimaraes Farias Gomes
ProfDr Tibeacuterio Ceacutesar Uchoa Matheus
MEMBRO COLABORADOR
Prof Dr Claacuteudio Heliomar Vicente da Silva
Profa Dra Luacutecia Carneiro de Souza Beatrice
SECRETARIA
Oziclere Sena de Arauacutejo
5
Dedico esta e demais conquistas Em primeiro lugar a Deus que iluminou o meu caminho
durante esta caminhada
Aos meus Pais Damiatildeo e Elvira (in memorian) meus irmatildeos em especial Liacutevio (in
memorian) meus primos Petrocircnio e Gilson Bezerra dos Santos que sempre me guiaram nos
estudos e no respeito aos seres Humanos
Aos meus filhos Luciane Felipe Gabriel e Eduardo que com suas energias
ajudaram-me a transformar o amor incondicional em forccedila para vencer os obstaacuteculos do dia a
dia
6
ldquoTenho a impressatildeo de ter sido uma crianccedila brincando a beira mar divertindo-me em
descobrir uma pedrinha mais lisa ou uma concha mais bonita que as outras enquanto o
imenso oceano da verdade continua misterioso diante dos meus olhosrdquo (Isaac Newton)
7
AGRADECIMENTOS
Agrave professora Dra Alessandra de Albuquerque Tavares Carvalho pela paciecircncia na orientaccedilatildeo
e incentivo que tornaram possiacutevel a conclusatildeo desta Tese
Ao Prof Dr Borko Stosic e sua esposa Profa Dra Tatijana Stosic Fiacutesicos e Coordenadores
do Departamento de Estatiacutestica e Informaacutetica da UFRPE Pelos ensinamentos dos princiacutepios
fundamentais da natureza e delinearam este trabalho
Ao Amigo Bioacutelogo Sergio Santos do Departamento de Fiacutesica da UFPE cuja colaboraccedilatildeo foi
imprescindiacutevel para conclusatildeo desses estudos
Ao Professor Dr Severino Alves Junior Coordenador do Laboratoacuterio de Terras raras do
Departamento de Quiacutemica da UFPE Pela dedicaccedilatildeo e orientaccedilatildeo do modelo experimental
Rodrigo Viana e Alice Macedo alunos do Doutorado em Quiacutemica da UFPE pela colaboraccedilatildeo
nesses estudos
AO ProfDr Breno de Albuquerque Mello pelas orientaccedilotildees iniciais deste trabalho e pela
minha formaccedilatildeo baacutesica de Materiais Dentaacuterios
Prof DrThiago Rolin do Departamento de Engenharia Mecacircnica pela gentileza e orientaccedilatildeo
nos processos de usinagem
Aos professores e funcionaacuterios do Departamento de Ciecircncias Farmacecircuticas em especial ao
Professor Dr Luiz Alberto Lira Soares e alunos do Mestrado Marco Aureacutelio Moraes Galvatildeo e
Magda Rhayanny Assunccedilatildeo Ferreira
Aos colegas e funcionaacuterios dos Departamentos que compotildeem o Curso de Odontologia da
UFPE
8
RESUMO
Os dados disponiacuteveis de estudos com animais e em seres humanos sugerem que a topografia
da superfiacutecie melhorada estaacute associada ao aumento da biocompatibilidade e do contato osso-
implante ocasionando um maior intertravamento e dessa forma contribuindo para uma
obtenccedilatildeo de uma osseointegraccedilatildeo mais raacutepida e duradoura Com objetivo de comparar os
diferentes meacutetodos de tratamento de superfiacutecie dos implantes no trabalho atual foi avaliada a
dimensatildeo fractal dos cristais formados ao longo da imersatildeo no simulador de fluiacutedos corpoacutereos
(SBF) dos implantes de titacircnio previamente sujeitos agraves diferentes combinaccedilotildees de tratamento
de superfiacutecie com i) jateamento ii) ataque aacutecido e iii) fosfato de caacutelcio representando um
meacutetodo de tratamento de superfiacutecie desenvolvido na Universidade Federal de Pernambuco
(UFPE) Foram confeccionados 48 discos medindo 5 mm diacircmetro por 2 mm de altura no
Departamento de Engenharia Mecacircnica divididos em oito grupos contendo seis discos cada
Cada grupo A recebeu o tratamento completo composto por jateamento aacutecido e fosfato de
caacutelcio o grupo B foi o controle (apenas maquinado) enquanto os outros grupos receberam
tratamentos parciais seguindo modelo experimental com anaacutelises multi fatoriais A formaccedilatildeo
de cristais ocorreu em todos os grupos poreacutem com formaccedilotildees cristais dos diferentes
tamanhos e formas bem como diferente distribuiccedilatildeo espacial As amostras com ataque acido
mostraram aumento da dimensatildeo fractal indicando maior preenchimento espacial das
formaccedilotildees cristais Por outro lado o tamanho dos cristais formados sua forma em termos da
compacidade e niacutevel de ramificaccedilatildeo e sua distribuiccedilatildeo espacial natildeo podem ser vinculados
aos tratamentos especiacuteficos Estudos futuros experimentais ldquoin vivordquo satildeo necessaacuterios para
elucidar a associaccedilatildeo entre a dimensatildeo fractal observada no trabalho atual e as propriedades
mecacircnicas e bioloacutegicas dos implantes realizados com estes procedimentos diferentes
Palavras chaves osseointegraccedilatildeo implantes biomateriais
9
ABSTRACT
The data available from animal and human subject studies suggest that enhancing the implant
surface topography is associated with increase of biocompatibility and the bone-implant
interface leading to their better interlock and therefore contributing to more rapid and more
lasting osseointegration With the objective of comparison of different implant surface
treatments the current study was conducted to evaluate the fractal dimension of crystal
structures formed during submersion in a corporal fluid simulator (CFS) of titanium implants
previously subjected to different combinations of surface treatment consisting of i) sand
blasting ii) acid attack and iii) calcium phosphate the combination of all three representing a
surface treatment method developed at the Federal University of Pernambuco (UFPE) A total
of 48 discs of diameter 5mm and heights 2mm were fabricated at the Department of
Mechanical Engineering divided in eight groups of six discs each Group A received the full
treatment composed of sand blasting acid and calcium phosphate group B was control (only
machined) and the other groups received partial treatments following the experimental multi
factor model Crystal formation occurred in all the groups however with crystal formations of
different size and form as well as different spatial distribution Samples with acid attack
demonstrated higher fractal dimension indicating a higher space filling of crystals formations
On the other hand the size of crystals their form in terms of compactness and ramification
level as well as their spatial distribution could not be associated with specific treatments
Further experimental ldquoin vivordquo studies are necessary to shed light on the association between
the fractal dimension observed in the current work and the mechanical and biological
properties of implants implemented using these different procedures
Key words osseointegration implants biomaterials
10
SUMAacuteRIO
1 INTRODUCcedilAtildeO 10
2 REVISAtildeO DA LITERATURA 12
21 Biocompatibilidade 12
22 Estrutura oacutessea 12
23 Titacircnio e a hidroxiapatita 12
24 Fractais 15
3 MATERIAL E MEacuteTODOhellip 16
31 Modelo experimental 16
32 Preparos dos corpos de Provas 16
33 Usinagem 16
34 Limpeza das amostras 16
35 Divisatildeo dos grupos 16
36 Tratamentos das superfiacutecies 17
361 Jateamento com oacutexido de Alumiacutenio 17
362 Ataque aacutecido 17
363 Fosfato de Caacutelcio 17
37 Preparaccedilatildeo do simulador de Fluiacutedos Corpoacutereos (SBF) 17
38 Meacutetodos de Avaliaccedilatildeo 18
381 Microscopia Eletrocircnica de Varredura (MEV) 18
382 Dimensatildeo Fractal 18
4 RESULTADOS E DISCUSSAtildeO 19
5 CONCLUSAtildeO 23
REFEREcircNCIAS 24
APEcircNDICE - Artigo submetido aacute publicaccedilatildeo na revista 27
11
1 INTRODUCcedilAtildeO
A osseointegraccedilatildeo representa um fator fundamental para o sucesso de implantes
dentaacuterios tendo como base o estabelecimento da estabilidade mecacircnica primaacuteria e fixaccedilatildeo
bioloacutegica posterior Ela poderaacute ser influenciada por vaacuterios fatores como arquitetura oacutessea
original e sua densidade o desenho do implante e o tratamento de superfiacutecie (ORSINI et al
2012)
O processo de tratamento de superfiacutecie eacute realizado apoacutes a usinagem depois de
remover resiacuteduos como oacuteleo e outros contaminantes As superfiacutecies com capacidade
osteoindutora preparadas com um processo que vai aleacutem de uma simples limpeza satildeo
comumente chamadas de ativas Os dados disponiacuteveis de estudos com animais e em seres
humanos sugerem que a topografia da superfiacutecie melhorada estaacute associada ao aumento da
biocompatibilidade e do contato osso-implante ocasionando um maior intertravamento com o
osso e dessa forma contribuindo para uma obtenccedilatildeo de uma integraccedilatildeo mais raacutepida e
duradoura
Vaacuterios meacutetodos para modificar a topografia das superfiacutecies dos implantes jaacute foram
introduzidos como revestimento com hidroxiapatita que usa o processo conhecido como
Titacircnio Plasma spray (TPS) abrasotildees com jateamento com oxido de titacircnio ou oxido de
alumiacutenio pulverizaccedilatildeo catoacutedica com fosfato de Caacutelcio anodizaccedilatildeo aleacutem do Laser Nd-Yag
segundo Braringnemark et al (2011) e diferentes meacutetodos quiacutemicos e bioloacutegicos como a adiccedilatildeo
de peptiacutedeos ( KAumlMMERER et al 2012)
O ataque aacutecido foi citado por vaacuterios autores como mecanismo uacutetil para promover
micro ranhuras que aumentariam a aacuterea de contato permitindo deposiccedilatildeo da matriz oacutessea
secretada pelos osteoblastos e posterior calcificaccedilatildeo Efeito sobre a densidade oacutessea foi
observado em estudos com diferentes superfiacutecies quando peptiacutedeos foram adicionados
(HAMLET et al 2012) Os aacutecidos mais utilizados satildeo cloriacutedrico sulfuacuterico fosfoacuterico e o
fluoriacutedrico onde dependendo da composiccedilatildeo tempo de contato e temperatura os resultados
poderatildeo ser diferentes O tratamento com aacutecidos na superfiacutecie de titacircnio em estudos com
cultura de ceacutelulas confirmou presenccedila de titacircnia anastase e maior proliferaccedilatildeo celular
(ZHANG et al 2010) O efeito da temperatura na formaccedilatildeo de cristais foi maior quando o
titacircnio foi submetido a tratamento teacutermico entre 400 e a 600ordm C (SULTANA et al 2009)
12
Os implantes satildeo avaliados macroscopicamente quanto a seu desenho enquanto para
a caracterizaccedilatildeo da topografia usa-se a microscopia eletrocircnica de varredura (MEV) a niacuteveis
micromeacutetricos e sub micromeacutetricos (PERROTTI et al 2011 CARNEIRO-CAMPOS et al
2010) e para a caracterizaccedilatildeo da composiccedilatildeo atocircmica usam-se Raios X (EDS) e a
cristalografia (PARK et al 2007 WENNERBERG et al 2009 NOVAES et al 2010 GAO
et al 2009)
Pelo menos cinco efeitos poderatildeo ser atribuiacutedos agrave formaccedilatildeo das rugosidades i) o
aumento da superfiacutecie junto ao osso adjacente ii) melhoria da fixaccedilatildeo celular ao titacircnio iii)
aumento da quantidade de osso junto ao implante iv) aumento da interaccedilatildeo biomecacircnica entre
o osso e o implante e v) processos inflamatoacuterios Peri implantares quando a rugosidade
apresenta-se na aacuterea trans mucosa (PERROTTI et al 2011) Poreacutem ainda natildeo existe
consenso geral tanto na literatura cientiacutefica quanto na pratica sobre quais tratamentos de
superfiacutecie de implantes resultariam em melhor e mais raacutepida osseointegraccedilatildeo e quais as
melhores propriedades dos implantes em relaccedilatildeo destes efeitos individuais Para contribuir
para o melhor entendimento desta questatildeo o objetivo deste estudo foi analisar ldquoin vitrordquo como
o tratamento da superfiacutecie no processo de fabricaccedilatildeo de implantes afetaria o processo de
formaccedilatildeo de cristais apoacutes imersatildeo no simulador de fluiacutedos corpoacutereos (SBF) Implantes de
titacircnio foram sujeitos agraves diferentes combinaccedilotildees de tratamento de superfiacutecie com i)
jateamento ii) ataque aacutecido e iii) fosfato de caacutelcio e depois de imersatildeo no SBF por 30 dias as
imagens da superfiacutecie obtidas por microscopia eletrocircnica foram sujeitas a analise fractal
13
2 REVISAtildeO DA LITERATURA
Osseointegraccedilatildeo eacute a uniatildeo estrutural e funcional entre o implante e o tecido oacutesseo
quando submetido a uma carga funcional (BRANEMARCK et al 1977) Vaacuterios fatores
poderatildeo interferir na forma e no tempo dessa integraccedilatildeo
21 Biocompatibilidade
Os materiais utilizados para fabricaccedilatildeo de implantes devem ter uma boa resistecircncia
mecacircnica elevada estabilidade quiacutemica excelente resistecircncia agrave corrosatildeo e
biocompatibilidade O titacircnio eacute usado extensivamente nos ossos como sistemas de ancoragem
implantes dentaacuterios e ortopeacutedicos bem como aplicaccedilotildees de osteossiacutentese (MARQUES 2007)
Nos implantes a cicatrizaccedilatildeo oacutessea sem a presenccedila de fibroses eacute desejaacutevel Fatores
relacionados agrave teacutecnica ciruacutergica desenho do implante com o seu respectivo tratamento de
superfiacutecie e fatores ligados ao paciente satildeo variaacuteveis que poderatildeo influenciar na sua
integraccedilatildeo
22 Estrutura oacutessea
A densidade oacutessea eacute um fator importante na longevidade dos implantes independente
da regiatildeo na arcada dentaacuteria baseado em caracteriacutesticas macroscoacutepicas da cortical e do
trabeculado oacutesseo (Misch 1998) classificou em cinco tipos de osso
D1 Osso cortical denso (gt 1250 UH)
D2 Apresenta cortical denso e osso trabeculado grosso (850 a 1250 UH)
D3 Cortical oacutessea fina e trabeculado fino (350 a 850 UH)
D4 Osso trabecular fino (150 a 350 UH)
D5 Osso natildeo-mineralizado imaturo (lt 150 UH)
onde UH satildeo unidades da escala de Hounsfield (com valores -1000 para ar 0 para aacutegua e
3000 para dentes)
23 Titacircnio e a hidroxiapatita
Verick (2003) verificou o meacutetodo de biomimetizaccedilatildeo de superfiacutecie de titacircnio
comercialmente puro (Ti-cp) tratado com hidroacutexido de soacutedio e colocado no SBF super
saturado e observou apoacutes 24 horas alguns tipos de apatitas precipitadas sobre o substrato
14
juntamente com a fase cristalina da hidroxiapatita e comparou com o difratograma de uma
mandiacutebula humana onde observou-se a semelhanccedila dos picos Concluiu que no processo de
nucleaccedilatildeo lento a fase majoritaacuteria encontrada foi a hidroxiapatita As outras fases presentes
apareceram em pequenas quantidades sendo a proacutexima fase da maior presenccedila fosfato
octacaacutelcico
Titacircnio comercialmente puro e suas ligas como Ti-6Al-4V satildeo usadas em cirurgias
ortopeacutedicas O moacutedulo de elasticidade do titacircnio e da liga Ti6Al4V variaria entre 100 e
120GPa e do osso entre 10 e 30GPa A diferenccedila do moacutedulo de elasticidade da proacutetese e do
osso seria desfavoraacutevel para o remodelamento oacutesseo Para resolver este problema e melhorar
as propriedades mecacircnicas e bioloacutegicas novas ligas de titacircnio foram desenvolvidas para
aplicaccedilotildees biomeacutedicas O meacutetodo normal para se conseguir um melhor desempenho das ligas
de titacircnio quanto agraves propriedades mecacircnicas e bioloacutegicas seria modificar sua composiccedilatildeo
Alguns elementos como NbTa Mo e Zr Fe Cr e Sn usualmente adicionados nas ligas de
titacircnio para formar completa ou parcialmente a estrutura que possuem baixo moacutedulo de
elasticidade e contribuem para diminuir a diferenccedila entre o moacutedulo de elasticidade da liga e
do osso Aleacutem disso certos elementos de liga como Cu Co Ni e Si satildeo utilizados para
aumentar a resistecircncia mecacircnica das ligas Nos estudos comparativos com quatro superfiacutecies
tratadas com aacutecidos fluoretos e apenas usinada as anodizadas mostraram melhores resultados
de deposiccedilatildeo de iacuteons (MARQUES 2007)
A Hidroxiapatita sintetizada eacute um dos materiais mais atrativos para uso como
biomaterial devido a sua similaridade composicional e bioloacutegica com a fase inorgacircnica do
osso humano A estrutura da HA permite substituiccedilotildees catiocircnicas e aniocircnicas isomorfas com
facilidade as quais poderatildeo alterar a cristalinidade a morfologia e os paracircmetros de rede A
estabilidade a bioatividade e a biocompatibilidade do material obtido Tais caracteriacutesticas
positivas podem ser explicadas pela natureza quiacutemica por serem formados basicamente por
iacuteons caacutelcio e fosfato participam ativamente do equiliacutebrio iocircnico entre o fluido bioloacutegico e a
ceracircmica Uma forma conveniente de classificar os vaacuterios fosfatos de caacutelcio eacute pela sua razatildeo
molar CaP que pode variar de 05 a 20 A solubilidade eacute uma das mais importantes
propriedades dos compostos de fosfato de caacutelcio Esta biocompatibilidade favorece o
crescimento oacutesseo para os locais em que a HA se encontra Estabelecendo ligaccedilotildees de
natureza quiacutemica entre ela e o tecido oacutesseo (bioativo) permitindo a proliferaccedilatildeo de
fibroblastos osteoblastos e outras ceacutelulas oacutesseas as quais natildeo a distinguem da superfiacutecie
oacutessea o que indica a grande similaridade quiacutemica superficial (GOUVEIA 2008)
15
O tratamento teacutermico da superfiacutecie pode induzir aumento da nucleaccedilatildeo dos cristais de
hidroxiapatita como mostrado pelo Ling e colaboradores (GAO et al 2009) As superfiacutecies
tratadas com ataque aacutecido e anodizaccedilatildeo foram submetidas a tratamento teacutermico a 450ordm C por 6
horas Foram observados cristais de anatase medindo em torno de 20 nm e em seguida as
amostras com e sem tratamento teacutermico foram colocadas em 15 SBF por 7 dias e avaliados
em termos de nucleaccedilatildeo dos cristais
Superfiacutecie tratada por laser tambeacutem pode apresentar melhor fixaccedilatildeo da interface osso-
implante como mostrado (BRAringNEMARK et al 2011) a niacutevel micro e nano escala em
estudos em tiacutebia de coelho com o objetivo de avaliar a resposta biomecacircnica e histoloacutegica de
implantes de titacircnio tratados por laser em comparaccedilatildeo com os implantes apenas usinados
Verificaram que apoacutes 8 semanas tiveram um aumento de 250 no torque de remoccedilatildeo para
superfiacutecies tratadas com laser em relaccedilatildeo as apenas maquinadas Concluiacuteram que existiu uma
melhor fixaccedilatildeo da interface osso-implante promovida por alteraccedilotildees em micro e nano-escala
da topografia da superfiacutecie do implante
Em outro recente experimento ldquoin vivordquo (ORSINI et al 2012) a superfiacutecie tratada
com jateamento e ataque aacutecido (SLA) apresentou maior osteocondutividade quando
comparada com a superfiacutecie natildeo tratada verificando que houve maior deposiccedilatildeo de novo osso
na superfiacutecie de titacircnio
Implantes revestidos com Hidroxiapatiata (HA) reagem de uma maneira direta com
o tecido oacutesseo em cinco fases distintas i) com a dissoluccedilatildeo de HA ii) a precipitaccedilatildeo de
apatita iii) trocas iocircnicas acompanhada por absorccedilatildeo e incorporaccedilatildeo de moleacuteculas bioloacutegicas
iv) a ligaccedilatildeo de ceacutelulas proliferaccedilatildeo e diferenciaccedilatildeo em osteoblastos e v) a formaccedilatildeo da
matriz extra celular e mineralizaccedilatildeo Para que esses efeitos em cascata ocorram a dissoluccedilatildeo
do revestimento de HA representa um passo fundamental Esta dissoluccedilatildeo eacute citada como um
requisito importante para induzir a precipitaccedilatildeo da hiroxiapatita sobre a superfiacutecie do implante
(TAPASH et al 2011) O tratamento quiacutemico dos biomateriais poderaacute apresentar alto impacto
na ativaccedilatildeo plaquetaacuteria Mais especificamente o adesivo sequecircncia peptiacutedica ceacutelula bioativo
Arg-Gli-Asp (RGD) desencadeia a ativaccedilatildeo plaquetaacuteria mediada pelo receptor de integrina
aIIbb3 Deste modo as superfiacutecies tratadas com substacircncias biomimeacutetica (peacuteptidio RGD
imobilizado) poderiam aumentar no iniacutecio ativaccedilatildeo de plaquetas e da cicatrizaccedilatildeo oacutessea junto
ao implante (KAumlMMERER et al 2012)
16
24 Fractais
O termo fractal foi introduzido por Benoit Mandelbrot (MANDELBROT 1983) para
descrever geometria dos sistemas naturais formados pelos processos estocaacutesticos longe do
equiliacutebrio Como exemplos desses sistemas podem-se citar as aacutervores ramificadas linhas
costeiras nuvens poliacutemeros estruturas cardiopulmonares (rede arterial aacutervore
traqueobronquial) etc (MANDELBROT 1983 BASSINGTHWAIGHTE et al 1994) A
diferenccedila entre a geometria fractal e a geometria euclidiana eacute que fractais possuem dimensatildeo
natildeo inteira (fracionaacuteria) e propriedade de auto-similaridade (partes do objeto se assemelham ao
objeto como todo) Os exemplos citados representam fractais estocaacutesticos e possuem a
propriedade de auto-similaridade em sentido estatiacutestico dentro de um intervalo de escala onde
o limite inferior representa a dimensatildeo das componentes elementares (eg partiacuteculas) do
sistema e o limite superior representa a dimensatildeo linear do sistema Durante ultimas deacutecadas o
conceito fractal foi amplamente utilizado para descrever a complexidade dos sistemas
fisioloacutegicos tanto na analise das imagens medicas quanto na analise dos sinais fisioloacutegicos e
mostrou se eficiente em diferenciaccedilatildeo entre os casos saudaacuteveis e patoloacutegicos Os exemplos
incluem osteoporoses (ZAIA et al 2006) enfisema pulmonar (CHUNG e HUANG 2000)
doenccedilas degenerativas neuroloacutegicas (WU et al 2010) alteraccedilotildees em vascularizaccedilatildeo da retina
(STOSIC 2006) doenccedilas cardiovasculares (IVANOV et al 1999) entre outros
O potencial da analise fractal tambeacutem foi explorado na odontologia (SAacuteNCHEZ e
UZCAacuteTEGUI 2011 UPDIKE e NOWZARI 2008) Nos uacuteltimos anos a dimensatildeo fractal foi
utilizada para descrever a rugosidade da superfiacutecie do implante sendo uacutetil para quantificaccedilatildeo
das diferenccedilas entre as superfiacutecies dos implantes obtidas utilizando diversos tratamentos
(PEROTTI et al 2011 LEZZI et al 2012 EHRENFEST et al 2011)
17
3 MATERIAL E MEacuteTODO
Este estudo foi planejado uma anaacutelise multifatorial tendo como objetivo analisar
diferentes tratamentos da superfiacutecie de implante em relaccedilatildeo agrave deposiccedilatildeo de Hidroxiapatita que
eacute considerado um fator relevante pela literatura especializada
31 Modelo experimental
Foi desenvolvido um modelo ldquoin vitrordquo utilizando simulador de fluiacutedos corpoacutereos onde
as amostras foram submergidas por 30 dias e em seguida analisadas por microscopia eletrocircnica
32 Preparos dos Corpos de Provas
O titacircnio foi adquirido atraveacutes da Empresa Tinbrazil barras medindo 6 mm de
diacircmetro por 1 metro de comprimento com laudo de certificaccedilatildeo emitido pela importadora
acima Como sendo titacircnio grau II Ti-6Al-4V conforme a ASTM usados na fabricaccedilatildeo de
implantes dentaacuterios
33 Usinagem
Foi utilizado torno computadorizado marca ROMI com ferramentas de corte
fabricadas em ceracircmica no Departamento de Engenharia Mecacircnica da Universidade Federal
de Pernambuco A vareta foi reduzida em 86 discos medindo 5 mm de diacircmetro e 2 mm de
altura As amostras foram levadas para tratamento de superfiacutecie no laboratoacuterio de
Farmacognosia do Departamento de Ciecircncias Farmacecircuticas da UFPE
34 Limpeza das amostras
As amostras foram lavadas com hexano por 10 minutos em ultrassom O solvente foi
desprezado em recipiente apropriado As amostras foram colocadas em um Becker de vidro
colocados em estufa a 80ordm C por 10 minutos
35 Divisatildeo dos grupos
Os grupos foram divididos seguindo o Planejamento Fatorial de 23
satildeo apresentados na
Tabela 1
18
Tabela 1 ndash Organizaccedilatildeo dos grupos
Jateamento Ataque aacutecido Fosfato de caacutelcio
Grupo A Sim Sim Sim
Grupo B Natildeo Natildeo Natildeo
Grupo C Sim Natildeo Sim
Grupo D Sim Sim Natildeo
Grupo E Natildeo Natildeo Sim
Grupo F Natildeo Sim Natildeo
Grupo G Natildeo Sim Sim
Grupo H Sim Natildeo Natildeo
36 Tratamentos das superfiacutecies
361 Jateamento com Oacutexido de Alumiacutenio
Foi realizado utilizando oacutexido de alumiacutenio com granulaccedilatildeo meacutedia agrave 80 libras com o
jato direcionado a superfiacutecies dos discos por 10 segundos em cada lado
362 Ataque aacutecido
A segunda etapa foi o ataque aacutecido cuja composiccedilatildeo foi aacutecido cloriacutedrico 59 + 1
de aacutecido fluoriacutedrico e 40 de aacutegua destilada acondicionado em recipiente de polietileno ateacute
momento do uso Em um Becker de 50 ml foram colocados 20 ml do aacutecido por um (01)
minuto
363 Fosfato de Caacutelcio
Foi desenvolvida uma pasta contendo proporccedilatildeo de 13 de aacutegua e fosfato de caacutelcio
terciaacuterio No final da segunda etapa o excesso de aacutecido eacute desprezado e a pasta eacute adicionada ao
Becker onde permanece no ultrassom por 20 minutos Apoacutes a lavagem o material foi
colocado em recipiente de vidro seco em estufa a 40 C por 1 hora armazenados em tubos
tipo Ependorf e encaminhados para as anaacutelises
37 Preparaccedilatildeo do Simulador de Fluiacutedos Corpoacutereos (SBF)
Foi preparado conforme meacutetodo de Kokubo e Takadama (2006) no laboratoacuterio de
Farmacognosia Departamento de Ciecircncias Farmacecircuticas da UFPE
19
Tabela 2 - Composiccedilatildeo quiacutemica do SBF proposta por Kokubo e Takadama (2006)
Reagentes Quantidade Pureza
NaCl 8055 g 995
NaHCO3 0355 g 995
Kcl 0225 g 995
K2PO4 3H2O 0231 g 990
MgCl2 6H2O 0311 g 980
10 M- HCl 39 ml -----------
CaCl2 0292 g 950
NaSO4 0072 g 990
Tris 6118 g 990
10 M HCl 0-5ml ------------ Hidroximetil aminometano
38 Meacutetodos de Avaliaccedilatildeo
381 Microscopia Eletrocircnica de Varredura (MEV)
Para analise da superfiacutecie das amostras foi utilizada microcopia eletrocircnica de varredura
(MEV) JEOL 5600 LV (Japan) voltagem de 10 kV do Departamento de Fiacutesica da UFPE
Foram analisadas em arquivos digitais trecircs campos visuais diferentes para cada disco
Para cada grupo foram avaliados 3 discos totalizando nove aacutereas por grupo Em cada campo
foram obtidas imagens de 200x 1000x e 15000x para anaacutelises comparativas
382 Dimensatildeo Fractal
Existem vaacuterios meacutetodos para o caacutelculo de dimensatildeo fractal como contagem de caixas
(ldquobox countingrdquo) meacutetodo massa-raio (ldquomass-radius methodrdquo) e meacutetodo de correlaccedilatildeo
densidade-densidade (ldquodensity-density correlation function methodrdquo) O meacutetodo contagem de
caixas eacute mais utilizado e consiste em cobrir a estrutura com uma grade de caixas com arestas
de tamanho l e contar o nuacutemero N(l) de caixas que conteacutem pelo menos uma partiacutecula do
sistema Reduz-se sucessivamente o tamanho das caixas e mede-se para cada tamanho o
numero de caixas N(l) nos quais existe pelo menos um ponto do sistema A dimensatildeo fractal eacute
definida pela equaccedilatildeo
de onde segue
Assim traccedila-se um graacutefico do logaritmo de N(l) em funccedilatildeo do logaritmo de 1l e determina-se
a dimensatildeo fractal pela inclinaccedilatildeo do graacutefico (BASSINGTHWAIGHTHE et al 1994)
fDllN
~)(
)1log(~)(log lDlN f
20
4 RESULTADOS E DISCUSSAtildeO
A Figura 3 mostra os cristais formados depois submersatildeo dos implantes em Simulador
de Fluiacutedos Corpoacutereos (SBF) por 30 dias obtidas com auxilio da Microscopia Eletrocircnica de
Varredura Observam-se as formas diferentes dos cristais (cristais grandes ou pequenos
distribuiacutedos uniformemente ou agrupados simples ou ramificados) para diferentes
tratamentos da superfiacutecie dos implantes A forma e a distribuiccedilatildeo espacial dos cristais
formados por SBF refletem o processo de osseointegraccedilatildeo e indicam que uma analise das
propriedades geomeacutetricas destas estruturas para vaacuterios tipos de tratamento da superfiacutecie dos
implantes poderia providenciar informaccedilotildees importantes para avaliaccedilatildeo da qualidade do
implante
A dimensatildeo fractal das imagens dos cristais formados por SBF nas superfiacutecies dos
implantes foi calculada para diferentes tratamentos da superfiacutecie As imagens da Figura 3
foram binarizadas como apresentado na Figura 4 e em seguida a dimensatildeo fractal foi
calculada utilizando o pacote FracLac do software gratuito ImageJ com meacutetodo ldquoBox
countingrdquo Os resultados destes caacutelculos satildeo apresentados na Tabela 3
21
Com jateamento Sem jateamento
Com
ata
que
aacutecid
o
Com
fosf
ato d
e caacute
lcio
S
em f
osf
ato d
e caacute
lcio
Sem
ata
que
aacutecid
o
Com
fosf
ato d
e caacute
lcio
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
Figura 3 Imagens das formaccedilotildees cristalinas nas superfiacutecies das amostras A-H
22
Figura 4 Imagens binarizadas das formaccedilotildees cristalinas nas superfiacutecies das
amostras A-H
Com jateamento
Sem jateamento
Com
ata
que
aacutecid
o
C
om
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
ata
que
aacutecid
o
C
om
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
23
Tabela 3 Dimensatildeo Fractal (desvio padratildeo) das imagens binarizadas apresentadas na Fig 4
Com aacutecido Sem aacutecido
Com fosfato
de caacutelcio
Sem fosfato
de caacutelcio
Com fosfato
de caacutelcio
Sem fosfato
de caacutelcio
Com jateamento 1859 (0014) 1930 (0015) 1693 (0011) 1903 (0014)
Sem jateamento 1920 (0015) 1845 (0013) 1881 (0014) 1687 (0012)
Na Tabela 3 observa-se a maior dimensatildeo fractal dos cristais formados na superfiacutecie
dos implantes tratados com aacutecido do que em tratamentos sem aacutecido indicando maior
preenchimento espacial dos cristais Este resultado pode ser explicado pelo fato que o
tratamento com acido produz uma superfiacutecie de maior rugosidade aumentando a aacuterea de
contato que pode causar uma deposiccedilatildeo maior e mais uniforme As superfiacutecies apenas
maquinadas que natildeo receberam nenhum tratamento tambeacutem apresentaram as formaccedilotildees de
cristais apoacutes imersatildeo no SBF por 30 dias poreacutem em quantidades aparentemente menores
resultando em menor dimensatildeo fractal (1687) do que para as superfiacutecies com tratamentos
diferentes
24
5 CONCLUSAtildeO
A dimensatildeo fractal das imagens dos implantes de titacircnio submetidos agraves diferentes
combinaccedilotildees dos tratamentos da superfiacutecie e submersos em Simulador de Fluiacutedos Corpoacutereos
por 30 dias varia entre Df=168 ate Df=193 refletindo a complexidade da formaccedilatildeo cristal
caracterizada por pequenos ou grandes cristais depositados localmente ou de forma uniforme
com geometria simples ou dendritica dependendo da combinaccedilatildeo dos tratamentos A menor
dimensatildeo fractal de Df=168 foi obtida para amostras sem tratamento nenhum enquanto a
maior dimensatildeo fractal de Df=193 foi obtida para amostras com jateamento e ataque aacutecido
(sem fosfato de caacutelcio) Ataque aacutecido foi identificado como uacutenico dos tratamentos que leva
sistematicamente ao aumento da dimensatildeo cristal enquanto o tamanho e a distribuiccedilatildeo
espacial dos cristais formados demonstram grande diversidade sem aparente dependecircncia em
nenhum dos tratamentos Estudos sistemaacuteticos ldquoin vivordquo satildeo necessaacuterios para estabelecer
quais combinaccedilotildees destes tratamentos de superfiacutecie geram implantes mais biologicamente
estaacuteveis e mecanicamente robustos e como estas propriedades podem ser associadas com a
dimensatildeo fractal dos cristais depositados
25
REFEREcircNCIAS
BARROS NETO B SCHARMINIO I E BRUNS R E Como Fazer experimentos
Pesquisa e desenvolvimento na ciecircncia e na Induacutestria 2 ed- Campinas-SP Editora
Unicamp 2003
BASSINTHWAITGHT JB LIEBOVITCH LS BRUCE JW Fractal physiology New
York Oxford American Physiological Society 1994
BRAringNEMARK R et al Bone response to laser-induced micro- and nano-size titanium
surface features Nanomedicine v 7 n 2 p 220-227 2011
BRAringNEMARK PI et al Osseointegreated implants in the treatment of edentulous jaw
Experience from a 10- year period Scand J Plast Reconst Surg Suppl v 16 p 1-132
1977
CARNEIRO-CAMPOS LE et al The effect of titanium topography features on mesenchymal
human stromal cells adhesion Clin Oral Implants Res v 21 n 2 p 251-254 2010
CHUNG H-W HUANG Y-H Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the
Diagnosis of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology v 174 p
1055-1059 2000
EHRENFEST D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol v 37 p 506-509 2011
GAO L et al MicroNanostructural Porous Surface on Titanium and Bioactivity J Biomed
Mater Res Part B Appl Biomater v 89B n 2 p 335ndash341 2009
GOUVEIA DS Obtenccedilatildeo de poacutes nanomeacutetricos de hidroxiapatita sintetizados com
magneacutesio utilizando ultra-som Tese Instituto de Pesquisas Energeacuteticas e Nucleares S
Paulo 2008
HAMLET S et al The effect of hydrophilic titanium surface modification on macrophage
inflammatory cytokine gene expression Clin Oral Implants Res v 23 n 5 p 584-90
2012
IVANOV PCH et al Multifractality in Human Heartbeat Dynamics Nature v 399 p
461-465 1999
KAumlMMERER PW et al Early implant healing promotion of platelet activation and
cytokine release by topographical chemical and biomimetical titanium surface modifications
in vitro Clin Oral Implants Res v 23 n4 p 504-10 2012
26
KOKUBO TTAKADAMA H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
BIOMATERIALS v 27 n 15 p 2907-2915 2006
LEZZIG et al Implant surface topographies analyzed using fractal dimension Implant
Dent v 20 p 131-138 2012
MANDELBROT BB How long is the coast of Britain Statistical self-similarity and
fractional dimension Science 156 1967 636-638
MANDELBROT BB The Fractal Geometry of Nature New York 1983
MARQUES C Tratamento de superfiacutecies de implantes de titacircnio Dissertaccedilatildeo de
Mestrado apresentada ao Curso de Mestrado em Ciecircncia dos Materiais do Instituto Militar de
Engenharia (IME) 2007
MISCH CE Misch bone density classification In Misch CE ed Contemporary Implant
Densitry 113-114 St Luis Mosby Inc 2009
NOVAES ABJR et al Influence of Implant Surfaces on Osseointegration Braz Dent J v
21 n 6 p 471-481 2010
ORSINI E et al Early Healing Events around Titanium Implant Devices with Different
Surface Microtopography A Pilot Study in an In Vivo Rabbit Model The Scientific World
Journal 349042 2012
PARK S et al The Effect of Fluoride Treatment on Titanium Treated with Anodic Spark
Oxidation Metals and Materials International v 13 n 2 p 117-122 2007
PERROTTI V et al Fractal Analysis A Novel Method to Assess Roughness Organization of
Implant Surface Topography International Journal of Periodontics amp Restorative
Dentistry v 31 n 6 p 633-639 2011
SAacuteNCHEZ I UZCAacuteTEGUI G Fractals in dentistry Journal of Dentistry v 39 n 4 p
273-292 2011
STOSIC T STOSIC B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels IEEE
Transactions on Medical Imaging v 25 p 1101-1107 2006
SULTANA R et al Effects of heat treatment on the bioactivity of surface-modified titanium
in calcium solution Biomed Mater Eng v 19 n 2 p 193-204 2009
TAPASH RR NARAYANAN R KIM K-H Ion implantation of titanium based
biomaterials Progress in Materials Science v 56 n 8 p 1137-1177 2011
27
UPDIKE SX NOWZARI H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res v 43 n 6 p 658-664 2008
WENNERBERG A ALBREKTSSON T Effects of titanium surface topography on bone
integration a systematic review Clin Oral Implants Res v 20 n 4 p 172-84 2009
WUY-T et al Fractal dimension analysis for quantifying cerebellar morphological change
of multiple system atrophy of the cerebellar type (MSA-C) NeuroImage v 49 n 1 p 539-
551 2010
ZAIA A et al MR imaging and osteoporosis fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute
IEEE Trans Inf Technol Biomed v 10 n 3 p 484-489 2006
ZHANG F et al Cell response of titanium implant with a roughened surface containing
titanium hydride an in vitro study J Oral Maxillofac Surg v 68 n 5 p 1131-1139 2010
28
APEcircNDICE
Artigo submetido agrave publicaccedilatildeo na revista
Fractal measure and microscopic modeling of osseointegration
Leonardo Cavalcanti Bezerra dos Santos1 Alessandra de Albuquerque Tavares Carvalho
1
Borko Stosic2 Tatijana Stosic
2 Paulo Jose Duarte Neto
2
1Departamento de Cliacutenica e Odontologia Preventiva Universidade Federal de Pernambuco
Quarta Travessa Artur de Saacute sn Cidade Universitaacuteria 50670-901 Recife PE Brazil
2Departamento de Estatiacutestica e Informaacutetica Universidade Federal Rural de Pernambuco
Rua Dom Manoel de Medeiros sn Dois Irmatildeos 52171-900 Recife PE Brazil
Abstract
In this work the process of osseointegration on titanium implant surfaces with
different physicochemical treatment subjected to a simulated corporal fluid
submersion is evaluated using the concept of fractal dimension It is found that
different treatments lead to rather different calcium phosphate crystal growth
patterns with fractal dimension ranging from Df=168 to Df=193 The
observed crystal patterns may be explained by a general deposition- diffusion-
aggregation growth mechanism where diffusing particle sticking probability
plays a fundamental role
Key words dental implants osseointegration fractal dimension
Introduction
Practical techniques enhancing implant osseointegration represent a fundamental
research topic not only in dentistry but also in other diverse areas of medicine and veterinary
sciences where bone implants or bone restoration is applied [1-3] While great advances in
this direction have undoubtedly been made over the past decades the full understanding is
still lacking on the effects of different implant surface physicochemical treatments as well as
on the microscopic mechanisms of the posterior osseointegration process [4]
Fractal dimension is a novel concept that has been increasingly employed in diverse
areas of knowledge for quantifying the complexity of natural phenomena ranging from
coastlines [5] and shape of volcanic ash particles [6] bronchial tree [7] and neurons [8]
Fractals are in fact commonly found in nature being characterized by scale invariance and
29
self-similarity During the last decades fractal analysis was used in studying diverse
phenomena in physiology and medicine including pulmonary emphysema [9] osteoporoses
[10] retinal blood vessels [11] and heart rate [12] The potential of fractal analysis was also
explored in dentistry [1314] Recently fractal dimension was used to quantify the surface
roughness of dental implants and shown to be promising to differentiate between topological
properties of dental implant surfaces obtained with different treatments [151617]
In this work we follow up on recent studies [15-17] as to how one may employ fractal
analysis to assess roughness organization of implant surface topology Rather than
concentrating on the implant surface properties subject to different physicochemical treatment
processes [15] here we put the emphasis on the results of simulated body fluid submersion
representing a step forward in understanding of implant osseointegration
Materials and Methods
Machined titanium implant samples were first subjected to different combinations of
a) sand blasting with aluminum oxide b) treatment with hydrofluoric acid and c) treatment
with calcium phosphate [18] after which they were submersed in a simulated body fluid [19]
for thirty days Magnified images of these samples were then acquired through scanning
electron microscopy as shown in Fig1 and subjected to image analysis
As opposed to fractal analysis performed in [15] to find the fractal dimension here we
only binarize the images as shown in Fig2 without skeletonization since we are interested in
crystal formation and it was found that skeletonization introduces artefacts (local networks of
lines) not apparent in the original crystal structure There are various methods for fractal
dimension calculation among which the box-counting method is perhaps the most widely
used because of its simplicity and robustness [20] It proceeds as follows Cover the structure
with a grid of size r and count the number of nonempty grid boxes )(rn Repeat this
procedure for different grid size for fractal self-similar structures 0~)(D
rrn
Box-counting
dimension is defined as
)1log(
)(loglim
0 r
rnD
rf
and can be estimated as the slope of the linear regression of )(log rn versus )1log( r We
calculate fractal dimension using the box counting method implemented in the FracLac
Package of open source software ImageJ
30
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid
tre
atm
ent
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 1 Electron microscope images of samples with different treatment after
submersion in simulated body fluid
31
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid t
reat
men
t
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 2 Same images as in Fig1 after binarization
32
Results and Discussion
It is seen on Fig1 that different combinations of implant surface treatment lead to
rather different crystal pattern formation during the simulated body fluid submersion No clear
conclusions can be drawn as to the size of spatial distribution of formed crystals
corresponding to any single treatment rather it is the combinations of these procedures that
lead to specific resulting structures Large and small crystals uniformly or locally deposited
of simple or dendritic shape are found for different treatment combinations and further in
vivo studies are necessary to determine which of these provide more robust implants with
best mechanical properties
In line with the previous study [15] that has motivated the current work we calculate
the fractal dimension of binarized images shown in Fig2 with the results presented in Table
1 The obtained fractal dimension values vary between Df=168 and Df=193 indicating the
potential of this method to quantify spatial complexity of formed crystals for different implant
surface treatments It is seen from Table 1 that in general the fractal dimension of implant
surface after submersion in SBF tends to be greater in the cases of treatment with acid
(keeping the same combination of sand blasting and calcium phosphate coating) that reflects
the fact that acid etching produces micro pits on titanium surface that greatly enhance
osseointegration [4] The highest value of fractal dimension (193) is obtained for the implant
treated by sand blasting and acid etching indicating that the surface roughness produced by
this treatment results in more uniform and more space filling crystal deposits The fractal
dimension of surfaces treated only by sand blasting acid etching and calcium phosphate are
1903 1845 and 1881 respectively and they are significantly higher than the fractal
dimension of untreated surface (1687) confirming the role of implant surface chemistry and
topology in the process of osseointegration Although our results show that surface topology
of treated implants has higher fractal dimension than that of untreated implants it is still not
clear which treatment or combination of treatments produces the best surfaces for
osseointegration It is also seen from Table 1 that the fractal dimension is higher for all of the
treated surfaces in comparison with the surface without any treatments (with the smallest
fractal dimension value) which reflects the fact that all these treatments produce surface
effects that favorably influence the complexity of the final crystal structure On the other
hand there is no clear evidence as to how these values may be associated with the quality of
implants without further in vivo experiments
33
Table 1 Fractal dimension (standard deviation) of binarized images shown in Fig2
Acid treatment No acid
Calcium
phosphate
No calcium
phosphate
Calcium
phosphate
No calcium
Phosphate
Sand blasted 1859 (0014) 1930 (0015) 1693 (0011) 1903 (0014)
No sand blasting 1920 (0015) 1845 (0013) 1881 (0014) 1687 (0012)
The current study suggests that a general Deposition Difusion Aggregation (DDA)
model [21] may be used to describe crystal formation in the different scenarios covered in the
present work One may perceive that the molecules present in the solution deposit on the
implant surface and move along this surface until they reach other such molecules andor
already crystallized formations where they become incorporated into the crystal structure
The concentration of the (in the current experiment simulated corporal) fluid determines the
flux of deposition and the mobility of the molecules (and perhaps larger molecular
agglomerates) is governed by the topology (roughness) of the implant surface It is well
known [21] that the flux and mobility of aggregate particles lead to rather different deposition
patterns ranging from many uniformly distributed small DLA (Diffusion Limited
Aggregation) like crystals to large dendritic structures and the DDA model apparently
represents an excellent candidate to describe the diversity of observed crystal patterns seen
on the electron microscope images of Fig 1
Conclusion
We apply fractal analysis on binarized scanning electron microscopy images of the
surface of titanium implants that were first subjected to different treatment combinations of i)
sand blasting ii) acid etching and iii) exposition to calcium phosphate and were then
submersed in a simulated corporal fluid for thirty days The obtained fractal dimension values
vary between Df=168 to Df=193 reflecting the complexity and space filling property of the
final crystal structure characterized by large and small crystals uniformly or locally
deposited of simple or dendritic shape that were found for different treatment combinations
Further in vivo studies are necessary to determine how these values may be associated with
the quality of implants
34
References
[1] Albrektsson T Sennerby L Wennerberg A State of the art of oral implants Periodontol
2000 2008 47 15-26
[2] Wazen JJ Gupta R Ghossaini S Spitzer J Farrugia M Tjellstrom A
Osseointegration timing for Baha system loading Laryngoscope 2007 117 794-796
[3] Palmquist A Jarmar T Emanuelsson L Braringnemark R Engqvist H Thomsen P
Forearm bone-anchored amputationprosthesis a case study on the osseointegration Acta
Orthop 2008 79 78-85
[4] Le Gueacutehennec L Soueidan A Layrolle P Amouriq Y Surface treatments of titanium
dental implants for rapid osseointegration Dental Materiasl 2007 23 844-854
[5] Mandelbrot BB The Fractal Geometry of Nature New York Freeman 1983 25
[6]Dellino PLiotino G The fractal and multifractal dimension of volcanic ash particles
contour a test study on the utility and volcanological relevance Journal of Volcanology and
Geothermal Research 2002 113 1-18
[7] Majumdar A Alencar AM Buldyrev SV Hantos Z Lutchen KR Stanley HE Suki B
Relating airway diameter distributions to regular branching asymmetry in the lung Phys Rev Lett 2005 95 168101
[8] Jelinek HF Fernandez E Neurons and fractals how reliable and useful are calculations of
fractal dimensions Journal of Neuroscience Methods 1998 81 9 ndash 18
[9] Chung HW HUANG YH Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the Diagnosis
of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology 2000 174 1055-1059
[10] Zaia A Eleonori R Maponi P Rossi R Murri R MR imaging and osteoporosis
fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute IEEE Trans Inf Technol Biomed 2006 10
484-489
[11] Stosic T Stosic B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels EEE Transactions
on MIedical Imaging 2006 25 1101-1107
[12] Goldberger AL Amaral LAN Hausdorff JM Ivanov PCh Peng CK Stanley
HE Fractal dynamics in physiology Alterations with disease and aging PNAS 2002 99
2466-2472
[13] Saacutenchez I Uzcaacutetegui G Fractals in dentistry Journal of Dentistry 2011 39 273-292
[14] Updike SX Nowzari H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res 2008 43 658-664
[15] Perotti V Aprile G Degidi M Piatelli A Lezzi G Fractal analysis a novel method to
assess roughness organization of implant surface topography Int J Peridontic Restorative
Dent 2011 31 633-639
[16] Ehrenfest D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol 2011 37 506-509
35
[17] Lezzi G Aprile G Tripodi D Scarano A Piatelli A Perotti V Implant surface
topographies analyzed using fractal dimension Implant Dent 2012 20 131-138
[18] Guo CY Tang ATH Matinlinna JP Insights into surface treatment methods of titanium
dental implants Journal of Adhesion Science amp Technology 2012 26 189ndash205
[19] Kokubo T Takadama H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
Biomaterials 2006 27 2907-2915
[20] Theiller J Estimating fractal dimension J Opt Soc Am 1990 7 1055-1073
[21] P Jensen A-L Barabaacutesi H Larralde S Havlin H E Stanley Model incorporating
deposition diffusion and aggregation in submonolayer nanostructures Phys Rev E (1994)
50 618ndash621
2
3
4
UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO
REITOR
Prof Dr Aniacutesio Brasileiro de Freitas Dourado
VICE-REITOR
Prof Dr Silvio Romero de Barros Marques
PROacute-REITOR DA POacuteS-GRADUACcedilAtildeO
Prof Dr Francisco de Souza Ramos
CENTRO DE CIEcircNCIAS DA SAUacuteDE
DIRETOR
Prof Dr Nicodemos Teles de Pontes Filho
COORDENADORA DO PROGRAMA DE POacuteS-GRADUACcedilAtildeO EM ODONTOLOGIA
ProfaDra Jurema Freire Lisboa de Castro
PROGRAMA DE POacuteS-GRADUACcedilAtildeO EM ODONTOLOGIA COM AacuteREA DE CONCETRACcedilAtildeO EM
CLINICA INTGRADA
COLEGIADO
MEMBROS PERMANENTES
Profa Dra Alessandra Albuquerque T Carvalho
Prof Dr Anderson Stevens Leocircnidas Gomes
ProfDr Arnaldo de Franccedila Caldas Junior
Prof Dr Carlos Menezes Aguiar
ProfDr Danyel Elias da Cruz Perez
Prof Dr Edvaldo Rodrigues de Almeida
ProfaDra Flavia Maria de Moraes Ramos Perez
Prof Dr Jair Carneiro Leatildeo
Profa Dra Jurema Freire Lisboa de Castro
Profa Dra Liriane Baratella Evecircncio
ProfDr Luiz Alcino Monteiro Gueiros
ProfDra Maria Luiza dos Anjos Pontual
ProfDr Paulo Saacutevio Angeiras Goes
Profa Dra Renata Cimotildees Jovino Silveira
ProfaDra Silvia Regina Jamelli
ProfDra Simone Guimaraes Farias Gomes
ProfDr Tibeacuterio Ceacutesar Uchoa Matheus
MEMBRO COLABORADOR
Prof Dr Claacuteudio Heliomar Vicente da Silva
Profa Dra Luacutecia Carneiro de Souza Beatrice
SECRETARIA
Oziclere Sena de Arauacutejo
5
Dedico esta e demais conquistas Em primeiro lugar a Deus que iluminou o meu caminho
durante esta caminhada
Aos meus Pais Damiatildeo e Elvira (in memorian) meus irmatildeos em especial Liacutevio (in
memorian) meus primos Petrocircnio e Gilson Bezerra dos Santos que sempre me guiaram nos
estudos e no respeito aos seres Humanos
Aos meus filhos Luciane Felipe Gabriel e Eduardo que com suas energias
ajudaram-me a transformar o amor incondicional em forccedila para vencer os obstaacuteculos do dia a
dia
6
ldquoTenho a impressatildeo de ter sido uma crianccedila brincando a beira mar divertindo-me em
descobrir uma pedrinha mais lisa ou uma concha mais bonita que as outras enquanto o
imenso oceano da verdade continua misterioso diante dos meus olhosrdquo (Isaac Newton)
7
AGRADECIMENTOS
Agrave professora Dra Alessandra de Albuquerque Tavares Carvalho pela paciecircncia na orientaccedilatildeo
e incentivo que tornaram possiacutevel a conclusatildeo desta Tese
Ao Prof Dr Borko Stosic e sua esposa Profa Dra Tatijana Stosic Fiacutesicos e Coordenadores
do Departamento de Estatiacutestica e Informaacutetica da UFRPE Pelos ensinamentos dos princiacutepios
fundamentais da natureza e delinearam este trabalho
Ao Amigo Bioacutelogo Sergio Santos do Departamento de Fiacutesica da UFPE cuja colaboraccedilatildeo foi
imprescindiacutevel para conclusatildeo desses estudos
Ao Professor Dr Severino Alves Junior Coordenador do Laboratoacuterio de Terras raras do
Departamento de Quiacutemica da UFPE Pela dedicaccedilatildeo e orientaccedilatildeo do modelo experimental
Rodrigo Viana e Alice Macedo alunos do Doutorado em Quiacutemica da UFPE pela colaboraccedilatildeo
nesses estudos
AO ProfDr Breno de Albuquerque Mello pelas orientaccedilotildees iniciais deste trabalho e pela
minha formaccedilatildeo baacutesica de Materiais Dentaacuterios
Prof DrThiago Rolin do Departamento de Engenharia Mecacircnica pela gentileza e orientaccedilatildeo
nos processos de usinagem
Aos professores e funcionaacuterios do Departamento de Ciecircncias Farmacecircuticas em especial ao
Professor Dr Luiz Alberto Lira Soares e alunos do Mestrado Marco Aureacutelio Moraes Galvatildeo e
Magda Rhayanny Assunccedilatildeo Ferreira
Aos colegas e funcionaacuterios dos Departamentos que compotildeem o Curso de Odontologia da
UFPE
8
RESUMO
Os dados disponiacuteveis de estudos com animais e em seres humanos sugerem que a topografia
da superfiacutecie melhorada estaacute associada ao aumento da biocompatibilidade e do contato osso-
implante ocasionando um maior intertravamento e dessa forma contribuindo para uma
obtenccedilatildeo de uma osseointegraccedilatildeo mais raacutepida e duradoura Com objetivo de comparar os
diferentes meacutetodos de tratamento de superfiacutecie dos implantes no trabalho atual foi avaliada a
dimensatildeo fractal dos cristais formados ao longo da imersatildeo no simulador de fluiacutedos corpoacutereos
(SBF) dos implantes de titacircnio previamente sujeitos agraves diferentes combinaccedilotildees de tratamento
de superfiacutecie com i) jateamento ii) ataque aacutecido e iii) fosfato de caacutelcio representando um
meacutetodo de tratamento de superfiacutecie desenvolvido na Universidade Federal de Pernambuco
(UFPE) Foram confeccionados 48 discos medindo 5 mm diacircmetro por 2 mm de altura no
Departamento de Engenharia Mecacircnica divididos em oito grupos contendo seis discos cada
Cada grupo A recebeu o tratamento completo composto por jateamento aacutecido e fosfato de
caacutelcio o grupo B foi o controle (apenas maquinado) enquanto os outros grupos receberam
tratamentos parciais seguindo modelo experimental com anaacutelises multi fatoriais A formaccedilatildeo
de cristais ocorreu em todos os grupos poreacutem com formaccedilotildees cristais dos diferentes
tamanhos e formas bem como diferente distribuiccedilatildeo espacial As amostras com ataque acido
mostraram aumento da dimensatildeo fractal indicando maior preenchimento espacial das
formaccedilotildees cristais Por outro lado o tamanho dos cristais formados sua forma em termos da
compacidade e niacutevel de ramificaccedilatildeo e sua distribuiccedilatildeo espacial natildeo podem ser vinculados
aos tratamentos especiacuteficos Estudos futuros experimentais ldquoin vivordquo satildeo necessaacuterios para
elucidar a associaccedilatildeo entre a dimensatildeo fractal observada no trabalho atual e as propriedades
mecacircnicas e bioloacutegicas dos implantes realizados com estes procedimentos diferentes
Palavras chaves osseointegraccedilatildeo implantes biomateriais
9
ABSTRACT
The data available from animal and human subject studies suggest that enhancing the implant
surface topography is associated with increase of biocompatibility and the bone-implant
interface leading to their better interlock and therefore contributing to more rapid and more
lasting osseointegration With the objective of comparison of different implant surface
treatments the current study was conducted to evaluate the fractal dimension of crystal
structures formed during submersion in a corporal fluid simulator (CFS) of titanium implants
previously subjected to different combinations of surface treatment consisting of i) sand
blasting ii) acid attack and iii) calcium phosphate the combination of all three representing a
surface treatment method developed at the Federal University of Pernambuco (UFPE) A total
of 48 discs of diameter 5mm and heights 2mm were fabricated at the Department of
Mechanical Engineering divided in eight groups of six discs each Group A received the full
treatment composed of sand blasting acid and calcium phosphate group B was control (only
machined) and the other groups received partial treatments following the experimental multi
factor model Crystal formation occurred in all the groups however with crystal formations of
different size and form as well as different spatial distribution Samples with acid attack
demonstrated higher fractal dimension indicating a higher space filling of crystals formations
On the other hand the size of crystals their form in terms of compactness and ramification
level as well as their spatial distribution could not be associated with specific treatments
Further experimental ldquoin vivordquo studies are necessary to shed light on the association between
the fractal dimension observed in the current work and the mechanical and biological
properties of implants implemented using these different procedures
Key words osseointegration implants biomaterials
10
SUMAacuteRIO
1 INTRODUCcedilAtildeO 10
2 REVISAtildeO DA LITERATURA 12
21 Biocompatibilidade 12
22 Estrutura oacutessea 12
23 Titacircnio e a hidroxiapatita 12
24 Fractais 15
3 MATERIAL E MEacuteTODOhellip 16
31 Modelo experimental 16
32 Preparos dos corpos de Provas 16
33 Usinagem 16
34 Limpeza das amostras 16
35 Divisatildeo dos grupos 16
36 Tratamentos das superfiacutecies 17
361 Jateamento com oacutexido de Alumiacutenio 17
362 Ataque aacutecido 17
363 Fosfato de Caacutelcio 17
37 Preparaccedilatildeo do simulador de Fluiacutedos Corpoacutereos (SBF) 17
38 Meacutetodos de Avaliaccedilatildeo 18
381 Microscopia Eletrocircnica de Varredura (MEV) 18
382 Dimensatildeo Fractal 18
4 RESULTADOS E DISCUSSAtildeO 19
5 CONCLUSAtildeO 23
REFEREcircNCIAS 24
APEcircNDICE - Artigo submetido aacute publicaccedilatildeo na revista 27
11
1 INTRODUCcedilAtildeO
A osseointegraccedilatildeo representa um fator fundamental para o sucesso de implantes
dentaacuterios tendo como base o estabelecimento da estabilidade mecacircnica primaacuteria e fixaccedilatildeo
bioloacutegica posterior Ela poderaacute ser influenciada por vaacuterios fatores como arquitetura oacutessea
original e sua densidade o desenho do implante e o tratamento de superfiacutecie (ORSINI et al
2012)
O processo de tratamento de superfiacutecie eacute realizado apoacutes a usinagem depois de
remover resiacuteduos como oacuteleo e outros contaminantes As superfiacutecies com capacidade
osteoindutora preparadas com um processo que vai aleacutem de uma simples limpeza satildeo
comumente chamadas de ativas Os dados disponiacuteveis de estudos com animais e em seres
humanos sugerem que a topografia da superfiacutecie melhorada estaacute associada ao aumento da
biocompatibilidade e do contato osso-implante ocasionando um maior intertravamento com o
osso e dessa forma contribuindo para uma obtenccedilatildeo de uma integraccedilatildeo mais raacutepida e
duradoura
Vaacuterios meacutetodos para modificar a topografia das superfiacutecies dos implantes jaacute foram
introduzidos como revestimento com hidroxiapatita que usa o processo conhecido como
Titacircnio Plasma spray (TPS) abrasotildees com jateamento com oxido de titacircnio ou oxido de
alumiacutenio pulverizaccedilatildeo catoacutedica com fosfato de Caacutelcio anodizaccedilatildeo aleacutem do Laser Nd-Yag
segundo Braringnemark et al (2011) e diferentes meacutetodos quiacutemicos e bioloacutegicos como a adiccedilatildeo
de peptiacutedeos ( KAumlMMERER et al 2012)
O ataque aacutecido foi citado por vaacuterios autores como mecanismo uacutetil para promover
micro ranhuras que aumentariam a aacuterea de contato permitindo deposiccedilatildeo da matriz oacutessea
secretada pelos osteoblastos e posterior calcificaccedilatildeo Efeito sobre a densidade oacutessea foi
observado em estudos com diferentes superfiacutecies quando peptiacutedeos foram adicionados
(HAMLET et al 2012) Os aacutecidos mais utilizados satildeo cloriacutedrico sulfuacuterico fosfoacuterico e o
fluoriacutedrico onde dependendo da composiccedilatildeo tempo de contato e temperatura os resultados
poderatildeo ser diferentes O tratamento com aacutecidos na superfiacutecie de titacircnio em estudos com
cultura de ceacutelulas confirmou presenccedila de titacircnia anastase e maior proliferaccedilatildeo celular
(ZHANG et al 2010) O efeito da temperatura na formaccedilatildeo de cristais foi maior quando o
titacircnio foi submetido a tratamento teacutermico entre 400 e a 600ordm C (SULTANA et al 2009)
12
Os implantes satildeo avaliados macroscopicamente quanto a seu desenho enquanto para
a caracterizaccedilatildeo da topografia usa-se a microscopia eletrocircnica de varredura (MEV) a niacuteveis
micromeacutetricos e sub micromeacutetricos (PERROTTI et al 2011 CARNEIRO-CAMPOS et al
2010) e para a caracterizaccedilatildeo da composiccedilatildeo atocircmica usam-se Raios X (EDS) e a
cristalografia (PARK et al 2007 WENNERBERG et al 2009 NOVAES et al 2010 GAO
et al 2009)
Pelo menos cinco efeitos poderatildeo ser atribuiacutedos agrave formaccedilatildeo das rugosidades i) o
aumento da superfiacutecie junto ao osso adjacente ii) melhoria da fixaccedilatildeo celular ao titacircnio iii)
aumento da quantidade de osso junto ao implante iv) aumento da interaccedilatildeo biomecacircnica entre
o osso e o implante e v) processos inflamatoacuterios Peri implantares quando a rugosidade
apresenta-se na aacuterea trans mucosa (PERROTTI et al 2011) Poreacutem ainda natildeo existe
consenso geral tanto na literatura cientiacutefica quanto na pratica sobre quais tratamentos de
superfiacutecie de implantes resultariam em melhor e mais raacutepida osseointegraccedilatildeo e quais as
melhores propriedades dos implantes em relaccedilatildeo destes efeitos individuais Para contribuir
para o melhor entendimento desta questatildeo o objetivo deste estudo foi analisar ldquoin vitrordquo como
o tratamento da superfiacutecie no processo de fabricaccedilatildeo de implantes afetaria o processo de
formaccedilatildeo de cristais apoacutes imersatildeo no simulador de fluiacutedos corpoacutereos (SBF) Implantes de
titacircnio foram sujeitos agraves diferentes combinaccedilotildees de tratamento de superfiacutecie com i)
jateamento ii) ataque aacutecido e iii) fosfato de caacutelcio e depois de imersatildeo no SBF por 30 dias as
imagens da superfiacutecie obtidas por microscopia eletrocircnica foram sujeitas a analise fractal
13
2 REVISAtildeO DA LITERATURA
Osseointegraccedilatildeo eacute a uniatildeo estrutural e funcional entre o implante e o tecido oacutesseo
quando submetido a uma carga funcional (BRANEMARCK et al 1977) Vaacuterios fatores
poderatildeo interferir na forma e no tempo dessa integraccedilatildeo
21 Biocompatibilidade
Os materiais utilizados para fabricaccedilatildeo de implantes devem ter uma boa resistecircncia
mecacircnica elevada estabilidade quiacutemica excelente resistecircncia agrave corrosatildeo e
biocompatibilidade O titacircnio eacute usado extensivamente nos ossos como sistemas de ancoragem
implantes dentaacuterios e ortopeacutedicos bem como aplicaccedilotildees de osteossiacutentese (MARQUES 2007)
Nos implantes a cicatrizaccedilatildeo oacutessea sem a presenccedila de fibroses eacute desejaacutevel Fatores
relacionados agrave teacutecnica ciruacutergica desenho do implante com o seu respectivo tratamento de
superfiacutecie e fatores ligados ao paciente satildeo variaacuteveis que poderatildeo influenciar na sua
integraccedilatildeo
22 Estrutura oacutessea
A densidade oacutessea eacute um fator importante na longevidade dos implantes independente
da regiatildeo na arcada dentaacuteria baseado em caracteriacutesticas macroscoacutepicas da cortical e do
trabeculado oacutesseo (Misch 1998) classificou em cinco tipos de osso
D1 Osso cortical denso (gt 1250 UH)
D2 Apresenta cortical denso e osso trabeculado grosso (850 a 1250 UH)
D3 Cortical oacutessea fina e trabeculado fino (350 a 850 UH)
D4 Osso trabecular fino (150 a 350 UH)
D5 Osso natildeo-mineralizado imaturo (lt 150 UH)
onde UH satildeo unidades da escala de Hounsfield (com valores -1000 para ar 0 para aacutegua e
3000 para dentes)
23 Titacircnio e a hidroxiapatita
Verick (2003) verificou o meacutetodo de biomimetizaccedilatildeo de superfiacutecie de titacircnio
comercialmente puro (Ti-cp) tratado com hidroacutexido de soacutedio e colocado no SBF super
saturado e observou apoacutes 24 horas alguns tipos de apatitas precipitadas sobre o substrato
14
juntamente com a fase cristalina da hidroxiapatita e comparou com o difratograma de uma
mandiacutebula humana onde observou-se a semelhanccedila dos picos Concluiu que no processo de
nucleaccedilatildeo lento a fase majoritaacuteria encontrada foi a hidroxiapatita As outras fases presentes
apareceram em pequenas quantidades sendo a proacutexima fase da maior presenccedila fosfato
octacaacutelcico
Titacircnio comercialmente puro e suas ligas como Ti-6Al-4V satildeo usadas em cirurgias
ortopeacutedicas O moacutedulo de elasticidade do titacircnio e da liga Ti6Al4V variaria entre 100 e
120GPa e do osso entre 10 e 30GPa A diferenccedila do moacutedulo de elasticidade da proacutetese e do
osso seria desfavoraacutevel para o remodelamento oacutesseo Para resolver este problema e melhorar
as propriedades mecacircnicas e bioloacutegicas novas ligas de titacircnio foram desenvolvidas para
aplicaccedilotildees biomeacutedicas O meacutetodo normal para se conseguir um melhor desempenho das ligas
de titacircnio quanto agraves propriedades mecacircnicas e bioloacutegicas seria modificar sua composiccedilatildeo
Alguns elementos como NbTa Mo e Zr Fe Cr e Sn usualmente adicionados nas ligas de
titacircnio para formar completa ou parcialmente a estrutura que possuem baixo moacutedulo de
elasticidade e contribuem para diminuir a diferenccedila entre o moacutedulo de elasticidade da liga e
do osso Aleacutem disso certos elementos de liga como Cu Co Ni e Si satildeo utilizados para
aumentar a resistecircncia mecacircnica das ligas Nos estudos comparativos com quatro superfiacutecies
tratadas com aacutecidos fluoretos e apenas usinada as anodizadas mostraram melhores resultados
de deposiccedilatildeo de iacuteons (MARQUES 2007)
A Hidroxiapatita sintetizada eacute um dos materiais mais atrativos para uso como
biomaterial devido a sua similaridade composicional e bioloacutegica com a fase inorgacircnica do
osso humano A estrutura da HA permite substituiccedilotildees catiocircnicas e aniocircnicas isomorfas com
facilidade as quais poderatildeo alterar a cristalinidade a morfologia e os paracircmetros de rede A
estabilidade a bioatividade e a biocompatibilidade do material obtido Tais caracteriacutesticas
positivas podem ser explicadas pela natureza quiacutemica por serem formados basicamente por
iacuteons caacutelcio e fosfato participam ativamente do equiliacutebrio iocircnico entre o fluido bioloacutegico e a
ceracircmica Uma forma conveniente de classificar os vaacuterios fosfatos de caacutelcio eacute pela sua razatildeo
molar CaP que pode variar de 05 a 20 A solubilidade eacute uma das mais importantes
propriedades dos compostos de fosfato de caacutelcio Esta biocompatibilidade favorece o
crescimento oacutesseo para os locais em que a HA se encontra Estabelecendo ligaccedilotildees de
natureza quiacutemica entre ela e o tecido oacutesseo (bioativo) permitindo a proliferaccedilatildeo de
fibroblastos osteoblastos e outras ceacutelulas oacutesseas as quais natildeo a distinguem da superfiacutecie
oacutessea o que indica a grande similaridade quiacutemica superficial (GOUVEIA 2008)
15
O tratamento teacutermico da superfiacutecie pode induzir aumento da nucleaccedilatildeo dos cristais de
hidroxiapatita como mostrado pelo Ling e colaboradores (GAO et al 2009) As superfiacutecies
tratadas com ataque aacutecido e anodizaccedilatildeo foram submetidas a tratamento teacutermico a 450ordm C por 6
horas Foram observados cristais de anatase medindo em torno de 20 nm e em seguida as
amostras com e sem tratamento teacutermico foram colocadas em 15 SBF por 7 dias e avaliados
em termos de nucleaccedilatildeo dos cristais
Superfiacutecie tratada por laser tambeacutem pode apresentar melhor fixaccedilatildeo da interface osso-
implante como mostrado (BRAringNEMARK et al 2011) a niacutevel micro e nano escala em
estudos em tiacutebia de coelho com o objetivo de avaliar a resposta biomecacircnica e histoloacutegica de
implantes de titacircnio tratados por laser em comparaccedilatildeo com os implantes apenas usinados
Verificaram que apoacutes 8 semanas tiveram um aumento de 250 no torque de remoccedilatildeo para
superfiacutecies tratadas com laser em relaccedilatildeo as apenas maquinadas Concluiacuteram que existiu uma
melhor fixaccedilatildeo da interface osso-implante promovida por alteraccedilotildees em micro e nano-escala
da topografia da superfiacutecie do implante
Em outro recente experimento ldquoin vivordquo (ORSINI et al 2012) a superfiacutecie tratada
com jateamento e ataque aacutecido (SLA) apresentou maior osteocondutividade quando
comparada com a superfiacutecie natildeo tratada verificando que houve maior deposiccedilatildeo de novo osso
na superfiacutecie de titacircnio
Implantes revestidos com Hidroxiapatiata (HA) reagem de uma maneira direta com
o tecido oacutesseo em cinco fases distintas i) com a dissoluccedilatildeo de HA ii) a precipitaccedilatildeo de
apatita iii) trocas iocircnicas acompanhada por absorccedilatildeo e incorporaccedilatildeo de moleacuteculas bioloacutegicas
iv) a ligaccedilatildeo de ceacutelulas proliferaccedilatildeo e diferenciaccedilatildeo em osteoblastos e v) a formaccedilatildeo da
matriz extra celular e mineralizaccedilatildeo Para que esses efeitos em cascata ocorram a dissoluccedilatildeo
do revestimento de HA representa um passo fundamental Esta dissoluccedilatildeo eacute citada como um
requisito importante para induzir a precipitaccedilatildeo da hiroxiapatita sobre a superfiacutecie do implante
(TAPASH et al 2011) O tratamento quiacutemico dos biomateriais poderaacute apresentar alto impacto
na ativaccedilatildeo plaquetaacuteria Mais especificamente o adesivo sequecircncia peptiacutedica ceacutelula bioativo
Arg-Gli-Asp (RGD) desencadeia a ativaccedilatildeo plaquetaacuteria mediada pelo receptor de integrina
aIIbb3 Deste modo as superfiacutecies tratadas com substacircncias biomimeacutetica (peacuteptidio RGD
imobilizado) poderiam aumentar no iniacutecio ativaccedilatildeo de plaquetas e da cicatrizaccedilatildeo oacutessea junto
ao implante (KAumlMMERER et al 2012)
16
24 Fractais
O termo fractal foi introduzido por Benoit Mandelbrot (MANDELBROT 1983) para
descrever geometria dos sistemas naturais formados pelos processos estocaacutesticos longe do
equiliacutebrio Como exemplos desses sistemas podem-se citar as aacutervores ramificadas linhas
costeiras nuvens poliacutemeros estruturas cardiopulmonares (rede arterial aacutervore
traqueobronquial) etc (MANDELBROT 1983 BASSINGTHWAIGHTE et al 1994) A
diferenccedila entre a geometria fractal e a geometria euclidiana eacute que fractais possuem dimensatildeo
natildeo inteira (fracionaacuteria) e propriedade de auto-similaridade (partes do objeto se assemelham ao
objeto como todo) Os exemplos citados representam fractais estocaacutesticos e possuem a
propriedade de auto-similaridade em sentido estatiacutestico dentro de um intervalo de escala onde
o limite inferior representa a dimensatildeo das componentes elementares (eg partiacuteculas) do
sistema e o limite superior representa a dimensatildeo linear do sistema Durante ultimas deacutecadas o
conceito fractal foi amplamente utilizado para descrever a complexidade dos sistemas
fisioloacutegicos tanto na analise das imagens medicas quanto na analise dos sinais fisioloacutegicos e
mostrou se eficiente em diferenciaccedilatildeo entre os casos saudaacuteveis e patoloacutegicos Os exemplos
incluem osteoporoses (ZAIA et al 2006) enfisema pulmonar (CHUNG e HUANG 2000)
doenccedilas degenerativas neuroloacutegicas (WU et al 2010) alteraccedilotildees em vascularizaccedilatildeo da retina
(STOSIC 2006) doenccedilas cardiovasculares (IVANOV et al 1999) entre outros
O potencial da analise fractal tambeacutem foi explorado na odontologia (SAacuteNCHEZ e
UZCAacuteTEGUI 2011 UPDIKE e NOWZARI 2008) Nos uacuteltimos anos a dimensatildeo fractal foi
utilizada para descrever a rugosidade da superfiacutecie do implante sendo uacutetil para quantificaccedilatildeo
das diferenccedilas entre as superfiacutecies dos implantes obtidas utilizando diversos tratamentos
(PEROTTI et al 2011 LEZZI et al 2012 EHRENFEST et al 2011)
17
3 MATERIAL E MEacuteTODO
Este estudo foi planejado uma anaacutelise multifatorial tendo como objetivo analisar
diferentes tratamentos da superfiacutecie de implante em relaccedilatildeo agrave deposiccedilatildeo de Hidroxiapatita que
eacute considerado um fator relevante pela literatura especializada
31 Modelo experimental
Foi desenvolvido um modelo ldquoin vitrordquo utilizando simulador de fluiacutedos corpoacutereos onde
as amostras foram submergidas por 30 dias e em seguida analisadas por microscopia eletrocircnica
32 Preparos dos Corpos de Provas
O titacircnio foi adquirido atraveacutes da Empresa Tinbrazil barras medindo 6 mm de
diacircmetro por 1 metro de comprimento com laudo de certificaccedilatildeo emitido pela importadora
acima Como sendo titacircnio grau II Ti-6Al-4V conforme a ASTM usados na fabricaccedilatildeo de
implantes dentaacuterios
33 Usinagem
Foi utilizado torno computadorizado marca ROMI com ferramentas de corte
fabricadas em ceracircmica no Departamento de Engenharia Mecacircnica da Universidade Federal
de Pernambuco A vareta foi reduzida em 86 discos medindo 5 mm de diacircmetro e 2 mm de
altura As amostras foram levadas para tratamento de superfiacutecie no laboratoacuterio de
Farmacognosia do Departamento de Ciecircncias Farmacecircuticas da UFPE
34 Limpeza das amostras
As amostras foram lavadas com hexano por 10 minutos em ultrassom O solvente foi
desprezado em recipiente apropriado As amostras foram colocadas em um Becker de vidro
colocados em estufa a 80ordm C por 10 minutos
35 Divisatildeo dos grupos
Os grupos foram divididos seguindo o Planejamento Fatorial de 23
satildeo apresentados na
Tabela 1
18
Tabela 1 ndash Organizaccedilatildeo dos grupos
Jateamento Ataque aacutecido Fosfato de caacutelcio
Grupo A Sim Sim Sim
Grupo B Natildeo Natildeo Natildeo
Grupo C Sim Natildeo Sim
Grupo D Sim Sim Natildeo
Grupo E Natildeo Natildeo Sim
Grupo F Natildeo Sim Natildeo
Grupo G Natildeo Sim Sim
Grupo H Sim Natildeo Natildeo
36 Tratamentos das superfiacutecies
361 Jateamento com Oacutexido de Alumiacutenio
Foi realizado utilizando oacutexido de alumiacutenio com granulaccedilatildeo meacutedia agrave 80 libras com o
jato direcionado a superfiacutecies dos discos por 10 segundos em cada lado
362 Ataque aacutecido
A segunda etapa foi o ataque aacutecido cuja composiccedilatildeo foi aacutecido cloriacutedrico 59 + 1
de aacutecido fluoriacutedrico e 40 de aacutegua destilada acondicionado em recipiente de polietileno ateacute
momento do uso Em um Becker de 50 ml foram colocados 20 ml do aacutecido por um (01)
minuto
363 Fosfato de Caacutelcio
Foi desenvolvida uma pasta contendo proporccedilatildeo de 13 de aacutegua e fosfato de caacutelcio
terciaacuterio No final da segunda etapa o excesso de aacutecido eacute desprezado e a pasta eacute adicionada ao
Becker onde permanece no ultrassom por 20 minutos Apoacutes a lavagem o material foi
colocado em recipiente de vidro seco em estufa a 40 C por 1 hora armazenados em tubos
tipo Ependorf e encaminhados para as anaacutelises
37 Preparaccedilatildeo do Simulador de Fluiacutedos Corpoacutereos (SBF)
Foi preparado conforme meacutetodo de Kokubo e Takadama (2006) no laboratoacuterio de
Farmacognosia Departamento de Ciecircncias Farmacecircuticas da UFPE
19
Tabela 2 - Composiccedilatildeo quiacutemica do SBF proposta por Kokubo e Takadama (2006)
Reagentes Quantidade Pureza
NaCl 8055 g 995
NaHCO3 0355 g 995
Kcl 0225 g 995
K2PO4 3H2O 0231 g 990
MgCl2 6H2O 0311 g 980
10 M- HCl 39 ml -----------
CaCl2 0292 g 950
NaSO4 0072 g 990
Tris 6118 g 990
10 M HCl 0-5ml ------------ Hidroximetil aminometano
38 Meacutetodos de Avaliaccedilatildeo
381 Microscopia Eletrocircnica de Varredura (MEV)
Para analise da superfiacutecie das amostras foi utilizada microcopia eletrocircnica de varredura
(MEV) JEOL 5600 LV (Japan) voltagem de 10 kV do Departamento de Fiacutesica da UFPE
Foram analisadas em arquivos digitais trecircs campos visuais diferentes para cada disco
Para cada grupo foram avaliados 3 discos totalizando nove aacutereas por grupo Em cada campo
foram obtidas imagens de 200x 1000x e 15000x para anaacutelises comparativas
382 Dimensatildeo Fractal
Existem vaacuterios meacutetodos para o caacutelculo de dimensatildeo fractal como contagem de caixas
(ldquobox countingrdquo) meacutetodo massa-raio (ldquomass-radius methodrdquo) e meacutetodo de correlaccedilatildeo
densidade-densidade (ldquodensity-density correlation function methodrdquo) O meacutetodo contagem de
caixas eacute mais utilizado e consiste em cobrir a estrutura com uma grade de caixas com arestas
de tamanho l e contar o nuacutemero N(l) de caixas que conteacutem pelo menos uma partiacutecula do
sistema Reduz-se sucessivamente o tamanho das caixas e mede-se para cada tamanho o
numero de caixas N(l) nos quais existe pelo menos um ponto do sistema A dimensatildeo fractal eacute
definida pela equaccedilatildeo
de onde segue
Assim traccedila-se um graacutefico do logaritmo de N(l) em funccedilatildeo do logaritmo de 1l e determina-se
a dimensatildeo fractal pela inclinaccedilatildeo do graacutefico (BASSINGTHWAIGHTHE et al 1994)
fDllN
~)(
)1log(~)(log lDlN f
20
4 RESULTADOS E DISCUSSAtildeO
A Figura 3 mostra os cristais formados depois submersatildeo dos implantes em Simulador
de Fluiacutedos Corpoacutereos (SBF) por 30 dias obtidas com auxilio da Microscopia Eletrocircnica de
Varredura Observam-se as formas diferentes dos cristais (cristais grandes ou pequenos
distribuiacutedos uniformemente ou agrupados simples ou ramificados) para diferentes
tratamentos da superfiacutecie dos implantes A forma e a distribuiccedilatildeo espacial dos cristais
formados por SBF refletem o processo de osseointegraccedilatildeo e indicam que uma analise das
propriedades geomeacutetricas destas estruturas para vaacuterios tipos de tratamento da superfiacutecie dos
implantes poderia providenciar informaccedilotildees importantes para avaliaccedilatildeo da qualidade do
implante
A dimensatildeo fractal das imagens dos cristais formados por SBF nas superfiacutecies dos
implantes foi calculada para diferentes tratamentos da superfiacutecie As imagens da Figura 3
foram binarizadas como apresentado na Figura 4 e em seguida a dimensatildeo fractal foi
calculada utilizando o pacote FracLac do software gratuito ImageJ com meacutetodo ldquoBox
countingrdquo Os resultados destes caacutelculos satildeo apresentados na Tabela 3
21
Com jateamento Sem jateamento
Com
ata
que
aacutecid
o
Com
fosf
ato d
e caacute
lcio
S
em f
osf
ato d
e caacute
lcio
Sem
ata
que
aacutecid
o
Com
fosf
ato d
e caacute
lcio
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
Figura 3 Imagens das formaccedilotildees cristalinas nas superfiacutecies das amostras A-H
22
Figura 4 Imagens binarizadas das formaccedilotildees cristalinas nas superfiacutecies das
amostras A-H
Com jateamento
Sem jateamento
Com
ata
que
aacutecid
o
C
om
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
ata
que
aacutecid
o
C
om
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
23
Tabela 3 Dimensatildeo Fractal (desvio padratildeo) das imagens binarizadas apresentadas na Fig 4
Com aacutecido Sem aacutecido
Com fosfato
de caacutelcio
Sem fosfato
de caacutelcio
Com fosfato
de caacutelcio
Sem fosfato
de caacutelcio
Com jateamento 1859 (0014) 1930 (0015) 1693 (0011) 1903 (0014)
Sem jateamento 1920 (0015) 1845 (0013) 1881 (0014) 1687 (0012)
Na Tabela 3 observa-se a maior dimensatildeo fractal dos cristais formados na superfiacutecie
dos implantes tratados com aacutecido do que em tratamentos sem aacutecido indicando maior
preenchimento espacial dos cristais Este resultado pode ser explicado pelo fato que o
tratamento com acido produz uma superfiacutecie de maior rugosidade aumentando a aacuterea de
contato que pode causar uma deposiccedilatildeo maior e mais uniforme As superfiacutecies apenas
maquinadas que natildeo receberam nenhum tratamento tambeacutem apresentaram as formaccedilotildees de
cristais apoacutes imersatildeo no SBF por 30 dias poreacutem em quantidades aparentemente menores
resultando em menor dimensatildeo fractal (1687) do que para as superfiacutecies com tratamentos
diferentes
24
5 CONCLUSAtildeO
A dimensatildeo fractal das imagens dos implantes de titacircnio submetidos agraves diferentes
combinaccedilotildees dos tratamentos da superfiacutecie e submersos em Simulador de Fluiacutedos Corpoacutereos
por 30 dias varia entre Df=168 ate Df=193 refletindo a complexidade da formaccedilatildeo cristal
caracterizada por pequenos ou grandes cristais depositados localmente ou de forma uniforme
com geometria simples ou dendritica dependendo da combinaccedilatildeo dos tratamentos A menor
dimensatildeo fractal de Df=168 foi obtida para amostras sem tratamento nenhum enquanto a
maior dimensatildeo fractal de Df=193 foi obtida para amostras com jateamento e ataque aacutecido
(sem fosfato de caacutelcio) Ataque aacutecido foi identificado como uacutenico dos tratamentos que leva
sistematicamente ao aumento da dimensatildeo cristal enquanto o tamanho e a distribuiccedilatildeo
espacial dos cristais formados demonstram grande diversidade sem aparente dependecircncia em
nenhum dos tratamentos Estudos sistemaacuteticos ldquoin vivordquo satildeo necessaacuterios para estabelecer
quais combinaccedilotildees destes tratamentos de superfiacutecie geram implantes mais biologicamente
estaacuteveis e mecanicamente robustos e como estas propriedades podem ser associadas com a
dimensatildeo fractal dos cristais depositados
25
REFEREcircNCIAS
BARROS NETO B SCHARMINIO I E BRUNS R E Como Fazer experimentos
Pesquisa e desenvolvimento na ciecircncia e na Induacutestria 2 ed- Campinas-SP Editora
Unicamp 2003
BASSINTHWAITGHT JB LIEBOVITCH LS BRUCE JW Fractal physiology New
York Oxford American Physiological Society 1994
BRAringNEMARK R et al Bone response to laser-induced micro- and nano-size titanium
surface features Nanomedicine v 7 n 2 p 220-227 2011
BRAringNEMARK PI et al Osseointegreated implants in the treatment of edentulous jaw
Experience from a 10- year period Scand J Plast Reconst Surg Suppl v 16 p 1-132
1977
CARNEIRO-CAMPOS LE et al The effect of titanium topography features on mesenchymal
human stromal cells adhesion Clin Oral Implants Res v 21 n 2 p 251-254 2010
CHUNG H-W HUANG Y-H Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the
Diagnosis of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology v 174 p
1055-1059 2000
EHRENFEST D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol v 37 p 506-509 2011
GAO L et al MicroNanostructural Porous Surface on Titanium and Bioactivity J Biomed
Mater Res Part B Appl Biomater v 89B n 2 p 335ndash341 2009
GOUVEIA DS Obtenccedilatildeo de poacutes nanomeacutetricos de hidroxiapatita sintetizados com
magneacutesio utilizando ultra-som Tese Instituto de Pesquisas Energeacuteticas e Nucleares S
Paulo 2008
HAMLET S et al The effect of hydrophilic titanium surface modification on macrophage
inflammatory cytokine gene expression Clin Oral Implants Res v 23 n 5 p 584-90
2012
IVANOV PCH et al Multifractality in Human Heartbeat Dynamics Nature v 399 p
461-465 1999
KAumlMMERER PW et al Early implant healing promotion of platelet activation and
cytokine release by topographical chemical and biomimetical titanium surface modifications
in vitro Clin Oral Implants Res v 23 n4 p 504-10 2012
26
KOKUBO TTAKADAMA H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
BIOMATERIALS v 27 n 15 p 2907-2915 2006
LEZZIG et al Implant surface topographies analyzed using fractal dimension Implant
Dent v 20 p 131-138 2012
MANDELBROT BB How long is the coast of Britain Statistical self-similarity and
fractional dimension Science 156 1967 636-638
MANDELBROT BB The Fractal Geometry of Nature New York 1983
MARQUES C Tratamento de superfiacutecies de implantes de titacircnio Dissertaccedilatildeo de
Mestrado apresentada ao Curso de Mestrado em Ciecircncia dos Materiais do Instituto Militar de
Engenharia (IME) 2007
MISCH CE Misch bone density classification In Misch CE ed Contemporary Implant
Densitry 113-114 St Luis Mosby Inc 2009
NOVAES ABJR et al Influence of Implant Surfaces on Osseointegration Braz Dent J v
21 n 6 p 471-481 2010
ORSINI E et al Early Healing Events around Titanium Implant Devices with Different
Surface Microtopography A Pilot Study in an In Vivo Rabbit Model The Scientific World
Journal 349042 2012
PARK S et al The Effect of Fluoride Treatment on Titanium Treated with Anodic Spark
Oxidation Metals and Materials International v 13 n 2 p 117-122 2007
PERROTTI V et al Fractal Analysis A Novel Method to Assess Roughness Organization of
Implant Surface Topography International Journal of Periodontics amp Restorative
Dentistry v 31 n 6 p 633-639 2011
SAacuteNCHEZ I UZCAacuteTEGUI G Fractals in dentistry Journal of Dentistry v 39 n 4 p
273-292 2011
STOSIC T STOSIC B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels IEEE
Transactions on Medical Imaging v 25 p 1101-1107 2006
SULTANA R et al Effects of heat treatment on the bioactivity of surface-modified titanium
in calcium solution Biomed Mater Eng v 19 n 2 p 193-204 2009
TAPASH RR NARAYANAN R KIM K-H Ion implantation of titanium based
biomaterials Progress in Materials Science v 56 n 8 p 1137-1177 2011
27
UPDIKE SX NOWZARI H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res v 43 n 6 p 658-664 2008
WENNERBERG A ALBREKTSSON T Effects of titanium surface topography on bone
integration a systematic review Clin Oral Implants Res v 20 n 4 p 172-84 2009
WUY-T et al Fractal dimension analysis for quantifying cerebellar morphological change
of multiple system atrophy of the cerebellar type (MSA-C) NeuroImage v 49 n 1 p 539-
551 2010
ZAIA A et al MR imaging and osteoporosis fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute
IEEE Trans Inf Technol Biomed v 10 n 3 p 484-489 2006
ZHANG F et al Cell response of titanium implant with a roughened surface containing
titanium hydride an in vitro study J Oral Maxillofac Surg v 68 n 5 p 1131-1139 2010
28
APEcircNDICE
Artigo submetido agrave publicaccedilatildeo na revista
Fractal measure and microscopic modeling of osseointegration
Leonardo Cavalcanti Bezerra dos Santos1 Alessandra de Albuquerque Tavares Carvalho
1
Borko Stosic2 Tatijana Stosic
2 Paulo Jose Duarte Neto
2
1Departamento de Cliacutenica e Odontologia Preventiva Universidade Federal de Pernambuco
Quarta Travessa Artur de Saacute sn Cidade Universitaacuteria 50670-901 Recife PE Brazil
2Departamento de Estatiacutestica e Informaacutetica Universidade Federal Rural de Pernambuco
Rua Dom Manoel de Medeiros sn Dois Irmatildeos 52171-900 Recife PE Brazil
Abstract
In this work the process of osseointegration on titanium implant surfaces with
different physicochemical treatment subjected to a simulated corporal fluid
submersion is evaluated using the concept of fractal dimension It is found that
different treatments lead to rather different calcium phosphate crystal growth
patterns with fractal dimension ranging from Df=168 to Df=193 The
observed crystal patterns may be explained by a general deposition- diffusion-
aggregation growth mechanism where diffusing particle sticking probability
plays a fundamental role
Key words dental implants osseointegration fractal dimension
Introduction
Practical techniques enhancing implant osseointegration represent a fundamental
research topic not only in dentistry but also in other diverse areas of medicine and veterinary
sciences where bone implants or bone restoration is applied [1-3] While great advances in
this direction have undoubtedly been made over the past decades the full understanding is
still lacking on the effects of different implant surface physicochemical treatments as well as
on the microscopic mechanisms of the posterior osseointegration process [4]
Fractal dimension is a novel concept that has been increasingly employed in diverse
areas of knowledge for quantifying the complexity of natural phenomena ranging from
coastlines [5] and shape of volcanic ash particles [6] bronchial tree [7] and neurons [8]
Fractals are in fact commonly found in nature being characterized by scale invariance and
29
self-similarity During the last decades fractal analysis was used in studying diverse
phenomena in physiology and medicine including pulmonary emphysema [9] osteoporoses
[10] retinal blood vessels [11] and heart rate [12] The potential of fractal analysis was also
explored in dentistry [1314] Recently fractal dimension was used to quantify the surface
roughness of dental implants and shown to be promising to differentiate between topological
properties of dental implant surfaces obtained with different treatments [151617]
In this work we follow up on recent studies [15-17] as to how one may employ fractal
analysis to assess roughness organization of implant surface topology Rather than
concentrating on the implant surface properties subject to different physicochemical treatment
processes [15] here we put the emphasis on the results of simulated body fluid submersion
representing a step forward in understanding of implant osseointegration
Materials and Methods
Machined titanium implant samples were first subjected to different combinations of
a) sand blasting with aluminum oxide b) treatment with hydrofluoric acid and c) treatment
with calcium phosphate [18] after which they were submersed in a simulated body fluid [19]
for thirty days Magnified images of these samples were then acquired through scanning
electron microscopy as shown in Fig1 and subjected to image analysis
As opposed to fractal analysis performed in [15] to find the fractal dimension here we
only binarize the images as shown in Fig2 without skeletonization since we are interested in
crystal formation and it was found that skeletonization introduces artefacts (local networks of
lines) not apparent in the original crystal structure There are various methods for fractal
dimension calculation among which the box-counting method is perhaps the most widely
used because of its simplicity and robustness [20] It proceeds as follows Cover the structure
with a grid of size r and count the number of nonempty grid boxes )(rn Repeat this
procedure for different grid size for fractal self-similar structures 0~)(D
rrn
Box-counting
dimension is defined as
)1log(
)(loglim
0 r
rnD
rf
and can be estimated as the slope of the linear regression of )(log rn versus )1log( r We
calculate fractal dimension using the box counting method implemented in the FracLac
Package of open source software ImageJ
30
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid
tre
atm
ent
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 1 Electron microscope images of samples with different treatment after
submersion in simulated body fluid
31
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid t
reat
men
t
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 2 Same images as in Fig1 after binarization
32
Results and Discussion
It is seen on Fig1 that different combinations of implant surface treatment lead to
rather different crystal pattern formation during the simulated body fluid submersion No clear
conclusions can be drawn as to the size of spatial distribution of formed crystals
corresponding to any single treatment rather it is the combinations of these procedures that
lead to specific resulting structures Large and small crystals uniformly or locally deposited
of simple or dendritic shape are found for different treatment combinations and further in
vivo studies are necessary to determine which of these provide more robust implants with
best mechanical properties
In line with the previous study [15] that has motivated the current work we calculate
the fractal dimension of binarized images shown in Fig2 with the results presented in Table
1 The obtained fractal dimension values vary between Df=168 and Df=193 indicating the
potential of this method to quantify spatial complexity of formed crystals for different implant
surface treatments It is seen from Table 1 that in general the fractal dimension of implant
surface after submersion in SBF tends to be greater in the cases of treatment with acid
(keeping the same combination of sand blasting and calcium phosphate coating) that reflects
the fact that acid etching produces micro pits on titanium surface that greatly enhance
osseointegration [4] The highest value of fractal dimension (193) is obtained for the implant
treated by sand blasting and acid etching indicating that the surface roughness produced by
this treatment results in more uniform and more space filling crystal deposits The fractal
dimension of surfaces treated only by sand blasting acid etching and calcium phosphate are
1903 1845 and 1881 respectively and they are significantly higher than the fractal
dimension of untreated surface (1687) confirming the role of implant surface chemistry and
topology in the process of osseointegration Although our results show that surface topology
of treated implants has higher fractal dimension than that of untreated implants it is still not
clear which treatment or combination of treatments produces the best surfaces for
osseointegration It is also seen from Table 1 that the fractal dimension is higher for all of the
treated surfaces in comparison with the surface without any treatments (with the smallest
fractal dimension value) which reflects the fact that all these treatments produce surface
effects that favorably influence the complexity of the final crystal structure On the other
hand there is no clear evidence as to how these values may be associated with the quality of
implants without further in vivo experiments
33
Table 1 Fractal dimension (standard deviation) of binarized images shown in Fig2
Acid treatment No acid
Calcium
phosphate
No calcium
phosphate
Calcium
phosphate
No calcium
Phosphate
Sand blasted 1859 (0014) 1930 (0015) 1693 (0011) 1903 (0014)
No sand blasting 1920 (0015) 1845 (0013) 1881 (0014) 1687 (0012)
The current study suggests that a general Deposition Difusion Aggregation (DDA)
model [21] may be used to describe crystal formation in the different scenarios covered in the
present work One may perceive that the molecules present in the solution deposit on the
implant surface and move along this surface until they reach other such molecules andor
already crystallized formations where they become incorporated into the crystal structure
The concentration of the (in the current experiment simulated corporal) fluid determines the
flux of deposition and the mobility of the molecules (and perhaps larger molecular
agglomerates) is governed by the topology (roughness) of the implant surface It is well
known [21] that the flux and mobility of aggregate particles lead to rather different deposition
patterns ranging from many uniformly distributed small DLA (Diffusion Limited
Aggregation) like crystals to large dendritic structures and the DDA model apparently
represents an excellent candidate to describe the diversity of observed crystal patterns seen
on the electron microscope images of Fig 1
Conclusion
We apply fractal analysis on binarized scanning electron microscopy images of the
surface of titanium implants that were first subjected to different treatment combinations of i)
sand blasting ii) acid etching and iii) exposition to calcium phosphate and were then
submersed in a simulated corporal fluid for thirty days The obtained fractal dimension values
vary between Df=168 to Df=193 reflecting the complexity and space filling property of the
final crystal structure characterized by large and small crystals uniformly or locally
deposited of simple or dendritic shape that were found for different treatment combinations
Further in vivo studies are necessary to determine how these values may be associated with
the quality of implants
34
References
[1] Albrektsson T Sennerby L Wennerberg A State of the art of oral implants Periodontol
2000 2008 47 15-26
[2] Wazen JJ Gupta R Ghossaini S Spitzer J Farrugia M Tjellstrom A
Osseointegration timing for Baha system loading Laryngoscope 2007 117 794-796
[3] Palmquist A Jarmar T Emanuelsson L Braringnemark R Engqvist H Thomsen P
Forearm bone-anchored amputationprosthesis a case study on the osseointegration Acta
Orthop 2008 79 78-85
[4] Le Gueacutehennec L Soueidan A Layrolle P Amouriq Y Surface treatments of titanium
dental implants for rapid osseointegration Dental Materiasl 2007 23 844-854
[5] Mandelbrot BB The Fractal Geometry of Nature New York Freeman 1983 25
[6]Dellino PLiotino G The fractal and multifractal dimension of volcanic ash particles
contour a test study on the utility and volcanological relevance Journal of Volcanology and
Geothermal Research 2002 113 1-18
[7] Majumdar A Alencar AM Buldyrev SV Hantos Z Lutchen KR Stanley HE Suki B
Relating airway diameter distributions to regular branching asymmetry in the lung Phys Rev Lett 2005 95 168101
[8] Jelinek HF Fernandez E Neurons and fractals how reliable and useful are calculations of
fractal dimensions Journal of Neuroscience Methods 1998 81 9 ndash 18
[9] Chung HW HUANG YH Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the Diagnosis
of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology 2000 174 1055-1059
[10] Zaia A Eleonori R Maponi P Rossi R Murri R MR imaging and osteoporosis
fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute IEEE Trans Inf Technol Biomed 2006 10
484-489
[11] Stosic T Stosic B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels EEE Transactions
on MIedical Imaging 2006 25 1101-1107
[12] Goldberger AL Amaral LAN Hausdorff JM Ivanov PCh Peng CK Stanley
HE Fractal dynamics in physiology Alterations with disease and aging PNAS 2002 99
2466-2472
[13] Saacutenchez I Uzcaacutetegui G Fractals in dentistry Journal of Dentistry 2011 39 273-292
[14] Updike SX Nowzari H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res 2008 43 658-664
[15] Perotti V Aprile G Degidi M Piatelli A Lezzi G Fractal analysis a novel method to
assess roughness organization of implant surface topography Int J Peridontic Restorative
Dent 2011 31 633-639
[16] Ehrenfest D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol 2011 37 506-509
35
[17] Lezzi G Aprile G Tripodi D Scarano A Piatelli A Perotti V Implant surface
topographies analyzed using fractal dimension Implant Dent 2012 20 131-138
[18] Guo CY Tang ATH Matinlinna JP Insights into surface treatment methods of titanium
dental implants Journal of Adhesion Science amp Technology 2012 26 189ndash205
[19] Kokubo T Takadama H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
Biomaterials 2006 27 2907-2915
[20] Theiller J Estimating fractal dimension J Opt Soc Am 1990 7 1055-1073
[21] P Jensen A-L Barabaacutesi H Larralde S Havlin H E Stanley Model incorporating
deposition diffusion and aggregation in submonolayer nanostructures Phys Rev E (1994)
50 618ndash621
3
4
UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO
REITOR
Prof Dr Aniacutesio Brasileiro de Freitas Dourado
VICE-REITOR
Prof Dr Silvio Romero de Barros Marques
PROacute-REITOR DA POacuteS-GRADUACcedilAtildeO
Prof Dr Francisco de Souza Ramos
CENTRO DE CIEcircNCIAS DA SAUacuteDE
DIRETOR
Prof Dr Nicodemos Teles de Pontes Filho
COORDENADORA DO PROGRAMA DE POacuteS-GRADUACcedilAtildeO EM ODONTOLOGIA
ProfaDra Jurema Freire Lisboa de Castro
PROGRAMA DE POacuteS-GRADUACcedilAtildeO EM ODONTOLOGIA COM AacuteREA DE CONCETRACcedilAtildeO EM
CLINICA INTGRADA
COLEGIADO
MEMBROS PERMANENTES
Profa Dra Alessandra Albuquerque T Carvalho
Prof Dr Anderson Stevens Leocircnidas Gomes
ProfDr Arnaldo de Franccedila Caldas Junior
Prof Dr Carlos Menezes Aguiar
ProfDr Danyel Elias da Cruz Perez
Prof Dr Edvaldo Rodrigues de Almeida
ProfaDra Flavia Maria de Moraes Ramos Perez
Prof Dr Jair Carneiro Leatildeo
Profa Dra Jurema Freire Lisboa de Castro
Profa Dra Liriane Baratella Evecircncio
ProfDr Luiz Alcino Monteiro Gueiros
ProfDra Maria Luiza dos Anjos Pontual
ProfDr Paulo Saacutevio Angeiras Goes
Profa Dra Renata Cimotildees Jovino Silveira
ProfaDra Silvia Regina Jamelli
ProfDra Simone Guimaraes Farias Gomes
ProfDr Tibeacuterio Ceacutesar Uchoa Matheus
MEMBRO COLABORADOR
Prof Dr Claacuteudio Heliomar Vicente da Silva
Profa Dra Luacutecia Carneiro de Souza Beatrice
SECRETARIA
Oziclere Sena de Arauacutejo
5
Dedico esta e demais conquistas Em primeiro lugar a Deus que iluminou o meu caminho
durante esta caminhada
Aos meus Pais Damiatildeo e Elvira (in memorian) meus irmatildeos em especial Liacutevio (in
memorian) meus primos Petrocircnio e Gilson Bezerra dos Santos que sempre me guiaram nos
estudos e no respeito aos seres Humanos
Aos meus filhos Luciane Felipe Gabriel e Eduardo que com suas energias
ajudaram-me a transformar o amor incondicional em forccedila para vencer os obstaacuteculos do dia a
dia
6
ldquoTenho a impressatildeo de ter sido uma crianccedila brincando a beira mar divertindo-me em
descobrir uma pedrinha mais lisa ou uma concha mais bonita que as outras enquanto o
imenso oceano da verdade continua misterioso diante dos meus olhosrdquo (Isaac Newton)
7
AGRADECIMENTOS
Agrave professora Dra Alessandra de Albuquerque Tavares Carvalho pela paciecircncia na orientaccedilatildeo
e incentivo que tornaram possiacutevel a conclusatildeo desta Tese
Ao Prof Dr Borko Stosic e sua esposa Profa Dra Tatijana Stosic Fiacutesicos e Coordenadores
do Departamento de Estatiacutestica e Informaacutetica da UFRPE Pelos ensinamentos dos princiacutepios
fundamentais da natureza e delinearam este trabalho
Ao Amigo Bioacutelogo Sergio Santos do Departamento de Fiacutesica da UFPE cuja colaboraccedilatildeo foi
imprescindiacutevel para conclusatildeo desses estudos
Ao Professor Dr Severino Alves Junior Coordenador do Laboratoacuterio de Terras raras do
Departamento de Quiacutemica da UFPE Pela dedicaccedilatildeo e orientaccedilatildeo do modelo experimental
Rodrigo Viana e Alice Macedo alunos do Doutorado em Quiacutemica da UFPE pela colaboraccedilatildeo
nesses estudos
AO ProfDr Breno de Albuquerque Mello pelas orientaccedilotildees iniciais deste trabalho e pela
minha formaccedilatildeo baacutesica de Materiais Dentaacuterios
Prof DrThiago Rolin do Departamento de Engenharia Mecacircnica pela gentileza e orientaccedilatildeo
nos processos de usinagem
Aos professores e funcionaacuterios do Departamento de Ciecircncias Farmacecircuticas em especial ao
Professor Dr Luiz Alberto Lira Soares e alunos do Mestrado Marco Aureacutelio Moraes Galvatildeo e
Magda Rhayanny Assunccedilatildeo Ferreira
Aos colegas e funcionaacuterios dos Departamentos que compotildeem o Curso de Odontologia da
UFPE
8
RESUMO
Os dados disponiacuteveis de estudos com animais e em seres humanos sugerem que a topografia
da superfiacutecie melhorada estaacute associada ao aumento da biocompatibilidade e do contato osso-
implante ocasionando um maior intertravamento e dessa forma contribuindo para uma
obtenccedilatildeo de uma osseointegraccedilatildeo mais raacutepida e duradoura Com objetivo de comparar os
diferentes meacutetodos de tratamento de superfiacutecie dos implantes no trabalho atual foi avaliada a
dimensatildeo fractal dos cristais formados ao longo da imersatildeo no simulador de fluiacutedos corpoacutereos
(SBF) dos implantes de titacircnio previamente sujeitos agraves diferentes combinaccedilotildees de tratamento
de superfiacutecie com i) jateamento ii) ataque aacutecido e iii) fosfato de caacutelcio representando um
meacutetodo de tratamento de superfiacutecie desenvolvido na Universidade Federal de Pernambuco
(UFPE) Foram confeccionados 48 discos medindo 5 mm diacircmetro por 2 mm de altura no
Departamento de Engenharia Mecacircnica divididos em oito grupos contendo seis discos cada
Cada grupo A recebeu o tratamento completo composto por jateamento aacutecido e fosfato de
caacutelcio o grupo B foi o controle (apenas maquinado) enquanto os outros grupos receberam
tratamentos parciais seguindo modelo experimental com anaacutelises multi fatoriais A formaccedilatildeo
de cristais ocorreu em todos os grupos poreacutem com formaccedilotildees cristais dos diferentes
tamanhos e formas bem como diferente distribuiccedilatildeo espacial As amostras com ataque acido
mostraram aumento da dimensatildeo fractal indicando maior preenchimento espacial das
formaccedilotildees cristais Por outro lado o tamanho dos cristais formados sua forma em termos da
compacidade e niacutevel de ramificaccedilatildeo e sua distribuiccedilatildeo espacial natildeo podem ser vinculados
aos tratamentos especiacuteficos Estudos futuros experimentais ldquoin vivordquo satildeo necessaacuterios para
elucidar a associaccedilatildeo entre a dimensatildeo fractal observada no trabalho atual e as propriedades
mecacircnicas e bioloacutegicas dos implantes realizados com estes procedimentos diferentes
Palavras chaves osseointegraccedilatildeo implantes biomateriais
9
ABSTRACT
The data available from animal and human subject studies suggest that enhancing the implant
surface topography is associated with increase of biocompatibility and the bone-implant
interface leading to their better interlock and therefore contributing to more rapid and more
lasting osseointegration With the objective of comparison of different implant surface
treatments the current study was conducted to evaluate the fractal dimension of crystal
structures formed during submersion in a corporal fluid simulator (CFS) of titanium implants
previously subjected to different combinations of surface treatment consisting of i) sand
blasting ii) acid attack and iii) calcium phosphate the combination of all three representing a
surface treatment method developed at the Federal University of Pernambuco (UFPE) A total
of 48 discs of diameter 5mm and heights 2mm were fabricated at the Department of
Mechanical Engineering divided in eight groups of six discs each Group A received the full
treatment composed of sand blasting acid and calcium phosphate group B was control (only
machined) and the other groups received partial treatments following the experimental multi
factor model Crystal formation occurred in all the groups however with crystal formations of
different size and form as well as different spatial distribution Samples with acid attack
demonstrated higher fractal dimension indicating a higher space filling of crystals formations
On the other hand the size of crystals their form in terms of compactness and ramification
level as well as their spatial distribution could not be associated with specific treatments
Further experimental ldquoin vivordquo studies are necessary to shed light on the association between
the fractal dimension observed in the current work and the mechanical and biological
properties of implants implemented using these different procedures
Key words osseointegration implants biomaterials
10
SUMAacuteRIO
1 INTRODUCcedilAtildeO 10
2 REVISAtildeO DA LITERATURA 12
21 Biocompatibilidade 12
22 Estrutura oacutessea 12
23 Titacircnio e a hidroxiapatita 12
24 Fractais 15
3 MATERIAL E MEacuteTODOhellip 16
31 Modelo experimental 16
32 Preparos dos corpos de Provas 16
33 Usinagem 16
34 Limpeza das amostras 16
35 Divisatildeo dos grupos 16
36 Tratamentos das superfiacutecies 17
361 Jateamento com oacutexido de Alumiacutenio 17
362 Ataque aacutecido 17
363 Fosfato de Caacutelcio 17
37 Preparaccedilatildeo do simulador de Fluiacutedos Corpoacutereos (SBF) 17
38 Meacutetodos de Avaliaccedilatildeo 18
381 Microscopia Eletrocircnica de Varredura (MEV) 18
382 Dimensatildeo Fractal 18
4 RESULTADOS E DISCUSSAtildeO 19
5 CONCLUSAtildeO 23
REFEREcircNCIAS 24
APEcircNDICE - Artigo submetido aacute publicaccedilatildeo na revista 27
11
1 INTRODUCcedilAtildeO
A osseointegraccedilatildeo representa um fator fundamental para o sucesso de implantes
dentaacuterios tendo como base o estabelecimento da estabilidade mecacircnica primaacuteria e fixaccedilatildeo
bioloacutegica posterior Ela poderaacute ser influenciada por vaacuterios fatores como arquitetura oacutessea
original e sua densidade o desenho do implante e o tratamento de superfiacutecie (ORSINI et al
2012)
O processo de tratamento de superfiacutecie eacute realizado apoacutes a usinagem depois de
remover resiacuteduos como oacuteleo e outros contaminantes As superfiacutecies com capacidade
osteoindutora preparadas com um processo que vai aleacutem de uma simples limpeza satildeo
comumente chamadas de ativas Os dados disponiacuteveis de estudos com animais e em seres
humanos sugerem que a topografia da superfiacutecie melhorada estaacute associada ao aumento da
biocompatibilidade e do contato osso-implante ocasionando um maior intertravamento com o
osso e dessa forma contribuindo para uma obtenccedilatildeo de uma integraccedilatildeo mais raacutepida e
duradoura
Vaacuterios meacutetodos para modificar a topografia das superfiacutecies dos implantes jaacute foram
introduzidos como revestimento com hidroxiapatita que usa o processo conhecido como
Titacircnio Plasma spray (TPS) abrasotildees com jateamento com oxido de titacircnio ou oxido de
alumiacutenio pulverizaccedilatildeo catoacutedica com fosfato de Caacutelcio anodizaccedilatildeo aleacutem do Laser Nd-Yag
segundo Braringnemark et al (2011) e diferentes meacutetodos quiacutemicos e bioloacutegicos como a adiccedilatildeo
de peptiacutedeos ( KAumlMMERER et al 2012)
O ataque aacutecido foi citado por vaacuterios autores como mecanismo uacutetil para promover
micro ranhuras que aumentariam a aacuterea de contato permitindo deposiccedilatildeo da matriz oacutessea
secretada pelos osteoblastos e posterior calcificaccedilatildeo Efeito sobre a densidade oacutessea foi
observado em estudos com diferentes superfiacutecies quando peptiacutedeos foram adicionados
(HAMLET et al 2012) Os aacutecidos mais utilizados satildeo cloriacutedrico sulfuacuterico fosfoacuterico e o
fluoriacutedrico onde dependendo da composiccedilatildeo tempo de contato e temperatura os resultados
poderatildeo ser diferentes O tratamento com aacutecidos na superfiacutecie de titacircnio em estudos com
cultura de ceacutelulas confirmou presenccedila de titacircnia anastase e maior proliferaccedilatildeo celular
(ZHANG et al 2010) O efeito da temperatura na formaccedilatildeo de cristais foi maior quando o
titacircnio foi submetido a tratamento teacutermico entre 400 e a 600ordm C (SULTANA et al 2009)
12
Os implantes satildeo avaliados macroscopicamente quanto a seu desenho enquanto para
a caracterizaccedilatildeo da topografia usa-se a microscopia eletrocircnica de varredura (MEV) a niacuteveis
micromeacutetricos e sub micromeacutetricos (PERROTTI et al 2011 CARNEIRO-CAMPOS et al
2010) e para a caracterizaccedilatildeo da composiccedilatildeo atocircmica usam-se Raios X (EDS) e a
cristalografia (PARK et al 2007 WENNERBERG et al 2009 NOVAES et al 2010 GAO
et al 2009)
Pelo menos cinco efeitos poderatildeo ser atribuiacutedos agrave formaccedilatildeo das rugosidades i) o
aumento da superfiacutecie junto ao osso adjacente ii) melhoria da fixaccedilatildeo celular ao titacircnio iii)
aumento da quantidade de osso junto ao implante iv) aumento da interaccedilatildeo biomecacircnica entre
o osso e o implante e v) processos inflamatoacuterios Peri implantares quando a rugosidade
apresenta-se na aacuterea trans mucosa (PERROTTI et al 2011) Poreacutem ainda natildeo existe
consenso geral tanto na literatura cientiacutefica quanto na pratica sobre quais tratamentos de
superfiacutecie de implantes resultariam em melhor e mais raacutepida osseointegraccedilatildeo e quais as
melhores propriedades dos implantes em relaccedilatildeo destes efeitos individuais Para contribuir
para o melhor entendimento desta questatildeo o objetivo deste estudo foi analisar ldquoin vitrordquo como
o tratamento da superfiacutecie no processo de fabricaccedilatildeo de implantes afetaria o processo de
formaccedilatildeo de cristais apoacutes imersatildeo no simulador de fluiacutedos corpoacutereos (SBF) Implantes de
titacircnio foram sujeitos agraves diferentes combinaccedilotildees de tratamento de superfiacutecie com i)
jateamento ii) ataque aacutecido e iii) fosfato de caacutelcio e depois de imersatildeo no SBF por 30 dias as
imagens da superfiacutecie obtidas por microscopia eletrocircnica foram sujeitas a analise fractal
13
2 REVISAtildeO DA LITERATURA
Osseointegraccedilatildeo eacute a uniatildeo estrutural e funcional entre o implante e o tecido oacutesseo
quando submetido a uma carga funcional (BRANEMARCK et al 1977) Vaacuterios fatores
poderatildeo interferir na forma e no tempo dessa integraccedilatildeo
21 Biocompatibilidade
Os materiais utilizados para fabricaccedilatildeo de implantes devem ter uma boa resistecircncia
mecacircnica elevada estabilidade quiacutemica excelente resistecircncia agrave corrosatildeo e
biocompatibilidade O titacircnio eacute usado extensivamente nos ossos como sistemas de ancoragem
implantes dentaacuterios e ortopeacutedicos bem como aplicaccedilotildees de osteossiacutentese (MARQUES 2007)
Nos implantes a cicatrizaccedilatildeo oacutessea sem a presenccedila de fibroses eacute desejaacutevel Fatores
relacionados agrave teacutecnica ciruacutergica desenho do implante com o seu respectivo tratamento de
superfiacutecie e fatores ligados ao paciente satildeo variaacuteveis que poderatildeo influenciar na sua
integraccedilatildeo
22 Estrutura oacutessea
A densidade oacutessea eacute um fator importante na longevidade dos implantes independente
da regiatildeo na arcada dentaacuteria baseado em caracteriacutesticas macroscoacutepicas da cortical e do
trabeculado oacutesseo (Misch 1998) classificou em cinco tipos de osso
D1 Osso cortical denso (gt 1250 UH)
D2 Apresenta cortical denso e osso trabeculado grosso (850 a 1250 UH)
D3 Cortical oacutessea fina e trabeculado fino (350 a 850 UH)
D4 Osso trabecular fino (150 a 350 UH)
D5 Osso natildeo-mineralizado imaturo (lt 150 UH)
onde UH satildeo unidades da escala de Hounsfield (com valores -1000 para ar 0 para aacutegua e
3000 para dentes)
23 Titacircnio e a hidroxiapatita
Verick (2003) verificou o meacutetodo de biomimetizaccedilatildeo de superfiacutecie de titacircnio
comercialmente puro (Ti-cp) tratado com hidroacutexido de soacutedio e colocado no SBF super
saturado e observou apoacutes 24 horas alguns tipos de apatitas precipitadas sobre o substrato
14
juntamente com a fase cristalina da hidroxiapatita e comparou com o difratograma de uma
mandiacutebula humana onde observou-se a semelhanccedila dos picos Concluiu que no processo de
nucleaccedilatildeo lento a fase majoritaacuteria encontrada foi a hidroxiapatita As outras fases presentes
apareceram em pequenas quantidades sendo a proacutexima fase da maior presenccedila fosfato
octacaacutelcico
Titacircnio comercialmente puro e suas ligas como Ti-6Al-4V satildeo usadas em cirurgias
ortopeacutedicas O moacutedulo de elasticidade do titacircnio e da liga Ti6Al4V variaria entre 100 e
120GPa e do osso entre 10 e 30GPa A diferenccedila do moacutedulo de elasticidade da proacutetese e do
osso seria desfavoraacutevel para o remodelamento oacutesseo Para resolver este problema e melhorar
as propriedades mecacircnicas e bioloacutegicas novas ligas de titacircnio foram desenvolvidas para
aplicaccedilotildees biomeacutedicas O meacutetodo normal para se conseguir um melhor desempenho das ligas
de titacircnio quanto agraves propriedades mecacircnicas e bioloacutegicas seria modificar sua composiccedilatildeo
Alguns elementos como NbTa Mo e Zr Fe Cr e Sn usualmente adicionados nas ligas de
titacircnio para formar completa ou parcialmente a estrutura que possuem baixo moacutedulo de
elasticidade e contribuem para diminuir a diferenccedila entre o moacutedulo de elasticidade da liga e
do osso Aleacutem disso certos elementos de liga como Cu Co Ni e Si satildeo utilizados para
aumentar a resistecircncia mecacircnica das ligas Nos estudos comparativos com quatro superfiacutecies
tratadas com aacutecidos fluoretos e apenas usinada as anodizadas mostraram melhores resultados
de deposiccedilatildeo de iacuteons (MARQUES 2007)
A Hidroxiapatita sintetizada eacute um dos materiais mais atrativos para uso como
biomaterial devido a sua similaridade composicional e bioloacutegica com a fase inorgacircnica do
osso humano A estrutura da HA permite substituiccedilotildees catiocircnicas e aniocircnicas isomorfas com
facilidade as quais poderatildeo alterar a cristalinidade a morfologia e os paracircmetros de rede A
estabilidade a bioatividade e a biocompatibilidade do material obtido Tais caracteriacutesticas
positivas podem ser explicadas pela natureza quiacutemica por serem formados basicamente por
iacuteons caacutelcio e fosfato participam ativamente do equiliacutebrio iocircnico entre o fluido bioloacutegico e a
ceracircmica Uma forma conveniente de classificar os vaacuterios fosfatos de caacutelcio eacute pela sua razatildeo
molar CaP que pode variar de 05 a 20 A solubilidade eacute uma das mais importantes
propriedades dos compostos de fosfato de caacutelcio Esta biocompatibilidade favorece o
crescimento oacutesseo para os locais em que a HA se encontra Estabelecendo ligaccedilotildees de
natureza quiacutemica entre ela e o tecido oacutesseo (bioativo) permitindo a proliferaccedilatildeo de
fibroblastos osteoblastos e outras ceacutelulas oacutesseas as quais natildeo a distinguem da superfiacutecie
oacutessea o que indica a grande similaridade quiacutemica superficial (GOUVEIA 2008)
15
O tratamento teacutermico da superfiacutecie pode induzir aumento da nucleaccedilatildeo dos cristais de
hidroxiapatita como mostrado pelo Ling e colaboradores (GAO et al 2009) As superfiacutecies
tratadas com ataque aacutecido e anodizaccedilatildeo foram submetidas a tratamento teacutermico a 450ordm C por 6
horas Foram observados cristais de anatase medindo em torno de 20 nm e em seguida as
amostras com e sem tratamento teacutermico foram colocadas em 15 SBF por 7 dias e avaliados
em termos de nucleaccedilatildeo dos cristais
Superfiacutecie tratada por laser tambeacutem pode apresentar melhor fixaccedilatildeo da interface osso-
implante como mostrado (BRAringNEMARK et al 2011) a niacutevel micro e nano escala em
estudos em tiacutebia de coelho com o objetivo de avaliar a resposta biomecacircnica e histoloacutegica de
implantes de titacircnio tratados por laser em comparaccedilatildeo com os implantes apenas usinados
Verificaram que apoacutes 8 semanas tiveram um aumento de 250 no torque de remoccedilatildeo para
superfiacutecies tratadas com laser em relaccedilatildeo as apenas maquinadas Concluiacuteram que existiu uma
melhor fixaccedilatildeo da interface osso-implante promovida por alteraccedilotildees em micro e nano-escala
da topografia da superfiacutecie do implante
Em outro recente experimento ldquoin vivordquo (ORSINI et al 2012) a superfiacutecie tratada
com jateamento e ataque aacutecido (SLA) apresentou maior osteocondutividade quando
comparada com a superfiacutecie natildeo tratada verificando que houve maior deposiccedilatildeo de novo osso
na superfiacutecie de titacircnio
Implantes revestidos com Hidroxiapatiata (HA) reagem de uma maneira direta com
o tecido oacutesseo em cinco fases distintas i) com a dissoluccedilatildeo de HA ii) a precipitaccedilatildeo de
apatita iii) trocas iocircnicas acompanhada por absorccedilatildeo e incorporaccedilatildeo de moleacuteculas bioloacutegicas
iv) a ligaccedilatildeo de ceacutelulas proliferaccedilatildeo e diferenciaccedilatildeo em osteoblastos e v) a formaccedilatildeo da
matriz extra celular e mineralizaccedilatildeo Para que esses efeitos em cascata ocorram a dissoluccedilatildeo
do revestimento de HA representa um passo fundamental Esta dissoluccedilatildeo eacute citada como um
requisito importante para induzir a precipitaccedilatildeo da hiroxiapatita sobre a superfiacutecie do implante
(TAPASH et al 2011) O tratamento quiacutemico dos biomateriais poderaacute apresentar alto impacto
na ativaccedilatildeo plaquetaacuteria Mais especificamente o adesivo sequecircncia peptiacutedica ceacutelula bioativo
Arg-Gli-Asp (RGD) desencadeia a ativaccedilatildeo plaquetaacuteria mediada pelo receptor de integrina
aIIbb3 Deste modo as superfiacutecies tratadas com substacircncias biomimeacutetica (peacuteptidio RGD
imobilizado) poderiam aumentar no iniacutecio ativaccedilatildeo de plaquetas e da cicatrizaccedilatildeo oacutessea junto
ao implante (KAumlMMERER et al 2012)
16
24 Fractais
O termo fractal foi introduzido por Benoit Mandelbrot (MANDELBROT 1983) para
descrever geometria dos sistemas naturais formados pelos processos estocaacutesticos longe do
equiliacutebrio Como exemplos desses sistemas podem-se citar as aacutervores ramificadas linhas
costeiras nuvens poliacutemeros estruturas cardiopulmonares (rede arterial aacutervore
traqueobronquial) etc (MANDELBROT 1983 BASSINGTHWAIGHTE et al 1994) A
diferenccedila entre a geometria fractal e a geometria euclidiana eacute que fractais possuem dimensatildeo
natildeo inteira (fracionaacuteria) e propriedade de auto-similaridade (partes do objeto se assemelham ao
objeto como todo) Os exemplos citados representam fractais estocaacutesticos e possuem a
propriedade de auto-similaridade em sentido estatiacutestico dentro de um intervalo de escala onde
o limite inferior representa a dimensatildeo das componentes elementares (eg partiacuteculas) do
sistema e o limite superior representa a dimensatildeo linear do sistema Durante ultimas deacutecadas o
conceito fractal foi amplamente utilizado para descrever a complexidade dos sistemas
fisioloacutegicos tanto na analise das imagens medicas quanto na analise dos sinais fisioloacutegicos e
mostrou se eficiente em diferenciaccedilatildeo entre os casos saudaacuteveis e patoloacutegicos Os exemplos
incluem osteoporoses (ZAIA et al 2006) enfisema pulmonar (CHUNG e HUANG 2000)
doenccedilas degenerativas neuroloacutegicas (WU et al 2010) alteraccedilotildees em vascularizaccedilatildeo da retina
(STOSIC 2006) doenccedilas cardiovasculares (IVANOV et al 1999) entre outros
O potencial da analise fractal tambeacutem foi explorado na odontologia (SAacuteNCHEZ e
UZCAacuteTEGUI 2011 UPDIKE e NOWZARI 2008) Nos uacuteltimos anos a dimensatildeo fractal foi
utilizada para descrever a rugosidade da superfiacutecie do implante sendo uacutetil para quantificaccedilatildeo
das diferenccedilas entre as superfiacutecies dos implantes obtidas utilizando diversos tratamentos
(PEROTTI et al 2011 LEZZI et al 2012 EHRENFEST et al 2011)
17
3 MATERIAL E MEacuteTODO
Este estudo foi planejado uma anaacutelise multifatorial tendo como objetivo analisar
diferentes tratamentos da superfiacutecie de implante em relaccedilatildeo agrave deposiccedilatildeo de Hidroxiapatita que
eacute considerado um fator relevante pela literatura especializada
31 Modelo experimental
Foi desenvolvido um modelo ldquoin vitrordquo utilizando simulador de fluiacutedos corpoacutereos onde
as amostras foram submergidas por 30 dias e em seguida analisadas por microscopia eletrocircnica
32 Preparos dos Corpos de Provas
O titacircnio foi adquirido atraveacutes da Empresa Tinbrazil barras medindo 6 mm de
diacircmetro por 1 metro de comprimento com laudo de certificaccedilatildeo emitido pela importadora
acima Como sendo titacircnio grau II Ti-6Al-4V conforme a ASTM usados na fabricaccedilatildeo de
implantes dentaacuterios
33 Usinagem
Foi utilizado torno computadorizado marca ROMI com ferramentas de corte
fabricadas em ceracircmica no Departamento de Engenharia Mecacircnica da Universidade Federal
de Pernambuco A vareta foi reduzida em 86 discos medindo 5 mm de diacircmetro e 2 mm de
altura As amostras foram levadas para tratamento de superfiacutecie no laboratoacuterio de
Farmacognosia do Departamento de Ciecircncias Farmacecircuticas da UFPE
34 Limpeza das amostras
As amostras foram lavadas com hexano por 10 minutos em ultrassom O solvente foi
desprezado em recipiente apropriado As amostras foram colocadas em um Becker de vidro
colocados em estufa a 80ordm C por 10 minutos
35 Divisatildeo dos grupos
Os grupos foram divididos seguindo o Planejamento Fatorial de 23
satildeo apresentados na
Tabela 1
18
Tabela 1 ndash Organizaccedilatildeo dos grupos
Jateamento Ataque aacutecido Fosfato de caacutelcio
Grupo A Sim Sim Sim
Grupo B Natildeo Natildeo Natildeo
Grupo C Sim Natildeo Sim
Grupo D Sim Sim Natildeo
Grupo E Natildeo Natildeo Sim
Grupo F Natildeo Sim Natildeo
Grupo G Natildeo Sim Sim
Grupo H Sim Natildeo Natildeo
36 Tratamentos das superfiacutecies
361 Jateamento com Oacutexido de Alumiacutenio
Foi realizado utilizando oacutexido de alumiacutenio com granulaccedilatildeo meacutedia agrave 80 libras com o
jato direcionado a superfiacutecies dos discos por 10 segundos em cada lado
362 Ataque aacutecido
A segunda etapa foi o ataque aacutecido cuja composiccedilatildeo foi aacutecido cloriacutedrico 59 + 1
de aacutecido fluoriacutedrico e 40 de aacutegua destilada acondicionado em recipiente de polietileno ateacute
momento do uso Em um Becker de 50 ml foram colocados 20 ml do aacutecido por um (01)
minuto
363 Fosfato de Caacutelcio
Foi desenvolvida uma pasta contendo proporccedilatildeo de 13 de aacutegua e fosfato de caacutelcio
terciaacuterio No final da segunda etapa o excesso de aacutecido eacute desprezado e a pasta eacute adicionada ao
Becker onde permanece no ultrassom por 20 minutos Apoacutes a lavagem o material foi
colocado em recipiente de vidro seco em estufa a 40 C por 1 hora armazenados em tubos
tipo Ependorf e encaminhados para as anaacutelises
37 Preparaccedilatildeo do Simulador de Fluiacutedos Corpoacutereos (SBF)
Foi preparado conforme meacutetodo de Kokubo e Takadama (2006) no laboratoacuterio de
Farmacognosia Departamento de Ciecircncias Farmacecircuticas da UFPE
19
Tabela 2 - Composiccedilatildeo quiacutemica do SBF proposta por Kokubo e Takadama (2006)
Reagentes Quantidade Pureza
NaCl 8055 g 995
NaHCO3 0355 g 995
Kcl 0225 g 995
K2PO4 3H2O 0231 g 990
MgCl2 6H2O 0311 g 980
10 M- HCl 39 ml -----------
CaCl2 0292 g 950
NaSO4 0072 g 990
Tris 6118 g 990
10 M HCl 0-5ml ------------ Hidroximetil aminometano
38 Meacutetodos de Avaliaccedilatildeo
381 Microscopia Eletrocircnica de Varredura (MEV)
Para analise da superfiacutecie das amostras foi utilizada microcopia eletrocircnica de varredura
(MEV) JEOL 5600 LV (Japan) voltagem de 10 kV do Departamento de Fiacutesica da UFPE
Foram analisadas em arquivos digitais trecircs campos visuais diferentes para cada disco
Para cada grupo foram avaliados 3 discos totalizando nove aacutereas por grupo Em cada campo
foram obtidas imagens de 200x 1000x e 15000x para anaacutelises comparativas
382 Dimensatildeo Fractal
Existem vaacuterios meacutetodos para o caacutelculo de dimensatildeo fractal como contagem de caixas
(ldquobox countingrdquo) meacutetodo massa-raio (ldquomass-radius methodrdquo) e meacutetodo de correlaccedilatildeo
densidade-densidade (ldquodensity-density correlation function methodrdquo) O meacutetodo contagem de
caixas eacute mais utilizado e consiste em cobrir a estrutura com uma grade de caixas com arestas
de tamanho l e contar o nuacutemero N(l) de caixas que conteacutem pelo menos uma partiacutecula do
sistema Reduz-se sucessivamente o tamanho das caixas e mede-se para cada tamanho o
numero de caixas N(l) nos quais existe pelo menos um ponto do sistema A dimensatildeo fractal eacute
definida pela equaccedilatildeo
de onde segue
Assim traccedila-se um graacutefico do logaritmo de N(l) em funccedilatildeo do logaritmo de 1l e determina-se
a dimensatildeo fractal pela inclinaccedilatildeo do graacutefico (BASSINGTHWAIGHTHE et al 1994)
fDllN
~)(
)1log(~)(log lDlN f
20
4 RESULTADOS E DISCUSSAtildeO
A Figura 3 mostra os cristais formados depois submersatildeo dos implantes em Simulador
de Fluiacutedos Corpoacutereos (SBF) por 30 dias obtidas com auxilio da Microscopia Eletrocircnica de
Varredura Observam-se as formas diferentes dos cristais (cristais grandes ou pequenos
distribuiacutedos uniformemente ou agrupados simples ou ramificados) para diferentes
tratamentos da superfiacutecie dos implantes A forma e a distribuiccedilatildeo espacial dos cristais
formados por SBF refletem o processo de osseointegraccedilatildeo e indicam que uma analise das
propriedades geomeacutetricas destas estruturas para vaacuterios tipos de tratamento da superfiacutecie dos
implantes poderia providenciar informaccedilotildees importantes para avaliaccedilatildeo da qualidade do
implante
A dimensatildeo fractal das imagens dos cristais formados por SBF nas superfiacutecies dos
implantes foi calculada para diferentes tratamentos da superfiacutecie As imagens da Figura 3
foram binarizadas como apresentado na Figura 4 e em seguida a dimensatildeo fractal foi
calculada utilizando o pacote FracLac do software gratuito ImageJ com meacutetodo ldquoBox
countingrdquo Os resultados destes caacutelculos satildeo apresentados na Tabela 3
21
Com jateamento Sem jateamento
Com
ata
que
aacutecid
o
Com
fosf
ato d
e caacute
lcio
S
em f
osf
ato d
e caacute
lcio
Sem
ata
que
aacutecid
o
Com
fosf
ato d
e caacute
lcio
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
Figura 3 Imagens das formaccedilotildees cristalinas nas superfiacutecies das amostras A-H
22
Figura 4 Imagens binarizadas das formaccedilotildees cristalinas nas superfiacutecies das
amostras A-H
Com jateamento
Sem jateamento
Com
ata
que
aacutecid
o
C
om
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
ata
que
aacutecid
o
C
om
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
23
Tabela 3 Dimensatildeo Fractal (desvio padratildeo) das imagens binarizadas apresentadas na Fig 4
Com aacutecido Sem aacutecido
Com fosfato
de caacutelcio
Sem fosfato
de caacutelcio
Com fosfato
de caacutelcio
Sem fosfato
de caacutelcio
Com jateamento 1859 (0014) 1930 (0015) 1693 (0011) 1903 (0014)
Sem jateamento 1920 (0015) 1845 (0013) 1881 (0014) 1687 (0012)
Na Tabela 3 observa-se a maior dimensatildeo fractal dos cristais formados na superfiacutecie
dos implantes tratados com aacutecido do que em tratamentos sem aacutecido indicando maior
preenchimento espacial dos cristais Este resultado pode ser explicado pelo fato que o
tratamento com acido produz uma superfiacutecie de maior rugosidade aumentando a aacuterea de
contato que pode causar uma deposiccedilatildeo maior e mais uniforme As superfiacutecies apenas
maquinadas que natildeo receberam nenhum tratamento tambeacutem apresentaram as formaccedilotildees de
cristais apoacutes imersatildeo no SBF por 30 dias poreacutem em quantidades aparentemente menores
resultando em menor dimensatildeo fractal (1687) do que para as superfiacutecies com tratamentos
diferentes
24
5 CONCLUSAtildeO
A dimensatildeo fractal das imagens dos implantes de titacircnio submetidos agraves diferentes
combinaccedilotildees dos tratamentos da superfiacutecie e submersos em Simulador de Fluiacutedos Corpoacutereos
por 30 dias varia entre Df=168 ate Df=193 refletindo a complexidade da formaccedilatildeo cristal
caracterizada por pequenos ou grandes cristais depositados localmente ou de forma uniforme
com geometria simples ou dendritica dependendo da combinaccedilatildeo dos tratamentos A menor
dimensatildeo fractal de Df=168 foi obtida para amostras sem tratamento nenhum enquanto a
maior dimensatildeo fractal de Df=193 foi obtida para amostras com jateamento e ataque aacutecido
(sem fosfato de caacutelcio) Ataque aacutecido foi identificado como uacutenico dos tratamentos que leva
sistematicamente ao aumento da dimensatildeo cristal enquanto o tamanho e a distribuiccedilatildeo
espacial dos cristais formados demonstram grande diversidade sem aparente dependecircncia em
nenhum dos tratamentos Estudos sistemaacuteticos ldquoin vivordquo satildeo necessaacuterios para estabelecer
quais combinaccedilotildees destes tratamentos de superfiacutecie geram implantes mais biologicamente
estaacuteveis e mecanicamente robustos e como estas propriedades podem ser associadas com a
dimensatildeo fractal dos cristais depositados
25
REFEREcircNCIAS
BARROS NETO B SCHARMINIO I E BRUNS R E Como Fazer experimentos
Pesquisa e desenvolvimento na ciecircncia e na Induacutestria 2 ed- Campinas-SP Editora
Unicamp 2003
BASSINTHWAITGHT JB LIEBOVITCH LS BRUCE JW Fractal physiology New
York Oxford American Physiological Society 1994
BRAringNEMARK R et al Bone response to laser-induced micro- and nano-size titanium
surface features Nanomedicine v 7 n 2 p 220-227 2011
BRAringNEMARK PI et al Osseointegreated implants in the treatment of edentulous jaw
Experience from a 10- year period Scand J Plast Reconst Surg Suppl v 16 p 1-132
1977
CARNEIRO-CAMPOS LE et al The effect of titanium topography features on mesenchymal
human stromal cells adhesion Clin Oral Implants Res v 21 n 2 p 251-254 2010
CHUNG H-W HUANG Y-H Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the
Diagnosis of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology v 174 p
1055-1059 2000
EHRENFEST D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol v 37 p 506-509 2011
GAO L et al MicroNanostructural Porous Surface on Titanium and Bioactivity J Biomed
Mater Res Part B Appl Biomater v 89B n 2 p 335ndash341 2009
GOUVEIA DS Obtenccedilatildeo de poacutes nanomeacutetricos de hidroxiapatita sintetizados com
magneacutesio utilizando ultra-som Tese Instituto de Pesquisas Energeacuteticas e Nucleares S
Paulo 2008
HAMLET S et al The effect of hydrophilic titanium surface modification on macrophage
inflammatory cytokine gene expression Clin Oral Implants Res v 23 n 5 p 584-90
2012
IVANOV PCH et al Multifractality in Human Heartbeat Dynamics Nature v 399 p
461-465 1999
KAumlMMERER PW et al Early implant healing promotion of platelet activation and
cytokine release by topographical chemical and biomimetical titanium surface modifications
in vitro Clin Oral Implants Res v 23 n4 p 504-10 2012
26
KOKUBO TTAKADAMA H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
BIOMATERIALS v 27 n 15 p 2907-2915 2006
LEZZIG et al Implant surface topographies analyzed using fractal dimension Implant
Dent v 20 p 131-138 2012
MANDELBROT BB How long is the coast of Britain Statistical self-similarity and
fractional dimension Science 156 1967 636-638
MANDELBROT BB The Fractal Geometry of Nature New York 1983
MARQUES C Tratamento de superfiacutecies de implantes de titacircnio Dissertaccedilatildeo de
Mestrado apresentada ao Curso de Mestrado em Ciecircncia dos Materiais do Instituto Militar de
Engenharia (IME) 2007
MISCH CE Misch bone density classification In Misch CE ed Contemporary Implant
Densitry 113-114 St Luis Mosby Inc 2009
NOVAES ABJR et al Influence of Implant Surfaces on Osseointegration Braz Dent J v
21 n 6 p 471-481 2010
ORSINI E et al Early Healing Events around Titanium Implant Devices with Different
Surface Microtopography A Pilot Study in an In Vivo Rabbit Model The Scientific World
Journal 349042 2012
PARK S et al The Effect of Fluoride Treatment on Titanium Treated with Anodic Spark
Oxidation Metals and Materials International v 13 n 2 p 117-122 2007
PERROTTI V et al Fractal Analysis A Novel Method to Assess Roughness Organization of
Implant Surface Topography International Journal of Periodontics amp Restorative
Dentistry v 31 n 6 p 633-639 2011
SAacuteNCHEZ I UZCAacuteTEGUI G Fractals in dentistry Journal of Dentistry v 39 n 4 p
273-292 2011
STOSIC T STOSIC B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels IEEE
Transactions on Medical Imaging v 25 p 1101-1107 2006
SULTANA R et al Effects of heat treatment on the bioactivity of surface-modified titanium
in calcium solution Biomed Mater Eng v 19 n 2 p 193-204 2009
TAPASH RR NARAYANAN R KIM K-H Ion implantation of titanium based
biomaterials Progress in Materials Science v 56 n 8 p 1137-1177 2011
27
UPDIKE SX NOWZARI H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res v 43 n 6 p 658-664 2008
WENNERBERG A ALBREKTSSON T Effects of titanium surface topography on bone
integration a systematic review Clin Oral Implants Res v 20 n 4 p 172-84 2009
WUY-T et al Fractal dimension analysis for quantifying cerebellar morphological change
of multiple system atrophy of the cerebellar type (MSA-C) NeuroImage v 49 n 1 p 539-
551 2010
ZAIA A et al MR imaging and osteoporosis fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute
IEEE Trans Inf Technol Biomed v 10 n 3 p 484-489 2006
ZHANG F et al Cell response of titanium implant with a roughened surface containing
titanium hydride an in vitro study J Oral Maxillofac Surg v 68 n 5 p 1131-1139 2010
28
APEcircNDICE
Artigo submetido agrave publicaccedilatildeo na revista
Fractal measure and microscopic modeling of osseointegration
Leonardo Cavalcanti Bezerra dos Santos1 Alessandra de Albuquerque Tavares Carvalho
1
Borko Stosic2 Tatijana Stosic
2 Paulo Jose Duarte Neto
2
1Departamento de Cliacutenica e Odontologia Preventiva Universidade Federal de Pernambuco
Quarta Travessa Artur de Saacute sn Cidade Universitaacuteria 50670-901 Recife PE Brazil
2Departamento de Estatiacutestica e Informaacutetica Universidade Federal Rural de Pernambuco
Rua Dom Manoel de Medeiros sn Dois Irmatildeos 52171-900 Recife PE Brazil
Abstract
In this work the process of osseointegration on titanium implant surfaces with
different physicochemical treatment subjected to a simulated corporal fluid
submersion is evaluated using the concept of fractal dimension It is found that
different treatments lead to rather different calcium phosphate crystal growth
patterns with fractal dimension ranging from Df=168 to Df=193 The
observed crystal patterns may be explained by a general deposition- diffusion-
aggregation growth mechanism where diffusing particle sticking probability
plays a fundamental role
Key words dental implants osseointegration fractal dimension
Introduction
Practical techniques enhancing implant osseointegration represent a fundamental
research topic not only in dentistry but also in other diverse areas of medicine and veterinary
sciences where bone implants or bone restoration is applied [1-3] While great advances in
this direction have undoubtedly been made over the past decades the full understanding is
still lacking on the effects of different implant surface physicochemical treatments as well as
on the microscopic mechanisms of the posterior osseointegration process [4]
Fractal dimension is a novel concept that has been increasingly employed in diverse
areas of knowledge for quantifying the complexity of natural phenomena ranging from
coastlines [5] and shape of volcanic ash particles [6] bronchial tree [7] and neurons [8]
Fractals are in fact commonly found in nature being characterized by scale invariance and
29
self-similarity During the last decades fractal analysis was used in studying diverse
phenomena in physiology and medicine including pulmonary emphysema [9] osteoporoses
[10] retinal blood vessels [11] and heart rate [12] The potential of fractal analysis was also
explored in dentistry [1314] Recently fractal dimension was used to quantify the surface
roughness of dental implants and shown to be promising to differentiate between topological
properties of dental implant surfaces obtained with different treatments [151617]
In this work we follow up on recent studies [15-17] as to how one may employ fractal
analysis to assess roughness organization of implant surface topology Rather than
concentrating on the implant surface properties subject to different physicochemical treatment
processes [15] here we put the emphasis on the results of simulated body fluid submersion
representing a step forward in understanding of implant osseointegration
Materials and Methods
Machined titanium implant samples were first subjected to different combinations of
a) sand blasting with aluminum oxide b) treatment with hydrofluoric acid and c) treatment
with calcium phosphate [18] after which they were submersed in a simulated body fluid [19]
for thirty days Magnified images of these samples were then acquired through scanning
electron microscopy as shown in Fig1 and subjected to image analysis
As opposed to fractal analysis performed in [15] to find the fractal dimension here we
only binarize the images as shown in Fig2 without skeletonization since we are interested in
crystal formation and it was found that skeletonization introduces artefacts (local networks of
lines) not apparent in the original crystal structure There are various methods for fractal
dimension calculation among which the box-counting method is perhaps the most widely
used because of its simplicity and robustness [20] It proceeds as follows Cover the structure
with a grid of size r and count the number of nonempty grid boxes )(rn Repeat this
procedure for different grid size for fractal self-similar structures 0~)(D
rrn
Box-counting
dimension is defined as
)1log(
)(loglim
0 r
rnD
rf
and can be estimated as the slope of the linear regression of )(log rn versus )1log( r We
calculate fractal dimension using the box counting method implemented in the FracLac
Package of open source software ImageJ
30
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid
tre
atm
ent
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 1 Electron microscope images of samples with different treatment after
submersion in simulated body fluid
31
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid t
reat
men
t
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 2 Same images as in Fig1 after binarization
32
Results and Discussion
It is seen on Fig1 that different combinations of implant surface treatment lead to
rather different crystal pattern formation during the simulated body fluid submersion No clear
conclusions can be drawn as to the size of spatial distribution of formed crystals
corresponding to any single treatment rather it is the combinations of these procedures that
lead to specific resulting structures Large and small crystals uniformly or locally deposited
of simple or dendritic shape are found for different treatment combinations and further in
vivo studies are necessary to determine which of these provide more robust implants with
best mechanical properties
In line with the previous study [15] that has motivated the current work we calculate
the fractal dimension of binarized images shown in Fig2 with the results presented in Table
1 The obtained fractal dimension values vary between Df=168 and Df=193 indicating the
potential of this method to quantify spatial complexity of formed crystals for different implant
surface treatments It is seen from Table 1 that in general the fractal dimension of implant
surface after submersion in SBF tends to be greater in the cases of treatment with acid
(keeping the same combination of sand blasting and calcium phosphate coating) that reflects
the fact that acid etching produces micro pits on titanium surface that greatly enhance
osseointegration [4] The highest value of fractal dimension (193) is obtained for the implant
treated by sand blasting and acid etching indicating that the surface roughness produced by
this treatment results in more uniform and more space filling crystal deposits The fractal
dimension of surfaces treated only by sand blasting acid etching and calcium phosphate are
1903 1845 and 1881 respectively and they are significantly higher than the fractal
dimension of untreated surface (1687) confirming the role of implant surface chemistry and
topology in the process of osseointegration Although our results show that surface topology
of treated implants has higher fractal dimension than that of untreated implants it is still not
clear which treatment or combination of treatments produces the best surfaces for
osseointegration It is also seen from Table 1 that the fractal dimension is higher for all of the
treated surfaces in comparison with the surface without any treatments (with the smallest
fractal dimension value) which reflects the fact that all these treatments produce surface
effects that favorably influence the complexity of the final crystal structure On the other
hand there is no clear evidence as to how these values may be associated with the quality of
implants without further in vivo experiments
33
Table 1 Fractal dimension (standard deviation) of binarized images shown in Fig2
Acid treatment No acid
Calcium
phosphate
No calcium
phosphate
Calcium
phosphate
No calcium
Phosphate
Sand blasted 1859 (0014) 1930 (0015) 1693 (0011) 1903 (0014)
No sand blasting 1920 (0015) 1845 (0013) 1881 (0014) 1687 (0012)
The current study suggests that a general Deposition Difusion Aggregation (DDA)
model [21] may be used to describe crystal formation in the different scenarios covered in the
present work One may perceive that the molecules present in the solution deposit on the
implant surface and move along this surface until they reach other such molecules andor
already crystallized formations where they become incorporated into the crystal structure
The concentration of the (in the current experiment simulated corporal) fluid determines the
flux of deposition and the mobility of the molecules (and perhaps larger molecular
agglomerates) is governed by the topology (roughness) of the implant surface It is well
known [21] that the flux and mobility of aggregate particles lead to rather different deposition
patterns ranging from many uniformly distributed small DLA (Diffusion Limited
Aggregation) like crystals to large dendritic structures and the DDA model apparently
represents an excellent candidate to describe the diversity of observed crystal patterns seen
on the electron microscope images of Fig 1
Conclusion
We apply fractal analysis on binarized scanning electron microscopy images of the
surface of titanium implants that were first subjected to different treatment combinations of i)
sand blasting ii) acid etching and iii) exposition to calcium phosphate and were then
submersed in a simulated corporal fluid for thirty days The obtained fractal dimension values
vary between Df=168 to Df=193 reflecting the complexity and space filling property of the
final crystal structure characterized by large and small crystals uniformly or locally
deposited of simple or dendritic shape that were found for different treatment combinations
Further in vivo studies are necessary to determine how these values may be associated with
the quality of implants
34
References
[1] Albrektsson T Sennerby L Wennerberg A State of the art of oral implants Periodontol
2000 2008 47 15-26
[2] Wazen JJ Gupta R Ghossaini S Spitzer J Farrugia M Tjellstrom A
Osseointegration timing for Baha system loading Laryngoscope 2007 117 794-796
[3] Palmquist A Jarmar T Emanuelsson L Braringnemark R Engqvist H Thomsen P
Forearm bone-anchored amputationprosthesis a case study on the osseointegration Acta
Orthop 2008 79 78-85
[4] Le Gueacutehennec L Soueidan A Layrolle P Amouriq Y Surface treatments of titanium
dental implants for rapid osseointegration Dental Materiasl 2007 23 844-854
[5] Mandelbrot BB The Fractal Geometry of Nature New York Freeman 1983 25
[6]Dellino PLiotino G The fractal and multifractal dimension of volcanic ash particles
contour a test study on the utility and volcanological relevance Journal of Volcanology and
Geothermal Research 2002 113 1-18
[7] Majumdar A Alencar AM Buldyrev SV Hantos Z Lutchen KR Stanley HE Suki B
Relating airway diameter distributions to regular branching asymmetry in the lung Phys Rev Lett 2005 95 168101
[8] Jelinek HF Fernandez E Neurons and fractals how reliable and useful are calculations of
fractal dimensions Journal of Neuroscience Methods 1998 81 9 ndash 18
[9] Chung HW HUANG YH Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the Diagnosis
of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology 2000 174 1055-1059
[10] Zaia A Eleonori R Maponi P Rossi R Murri R MR imaging and osteoporosis
fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute IEEE Trans Inf Technol Biomed 2006 10
484-489
[11] Stosic T Stosic B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels EEE Transactions
on MIedical Imaging 2006 25 1101-1107
[12] Goldberger AL Amaral LAN Hausdorff JM Ivanov PCh Peng CK Stanley
HE Fractal dynamics in physiology Alterations with disease and aging PNAS 2002 99
2466-2472
[13] Saacutenchez I Uzcaacutetegui G Fractals in dentistry Journal of Dentistry 2011 39 273-292
[14] Updike SX Nowzari H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res 2008 43 658-664
[15] Perotti V Aprile G Degidi M Piatelli A Lezzi G Fractal analysis a novel method to
assess roughness organization of implant surface topography Int J Peridontic Restorative
Dent 2011 31 633-639
[16] Ehrenfest D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol 2011 37 506-509
35
[17] Lezzi G Aprile G Tripodi D Scarano A Piatelli A Perotti V Implant surface
topographies analyzed using fractal dimension Implant Dent 2012 20 131-138
[18] Guo CY Tang ATH Matinlinna JP Insights into surface treatment methods of titanium
dental implants Journal of Adhesion Science amp Technology 2012 26 189ndash205
[19] Kokubo T Takadama H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
Biomaterials 2006 27 2907-2915
[20] Theiller J Estimating fractal dimension J Opt Soc Am 1990 7 1055-1073
[21] P Jensen A-L Barabaacutesi H Larralde S Havlin H E Stanley Model incorporating
deposition diffusion and aggregation in submonolayer nanostructures Phys Rev E (1994)
50 618ndash621
4
UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO
REITOR
Prof Dr Aniacutesio Brasileiro de Freitas Dourado
VICE-REITOR
Prof Dr Silvio Romero de Barros Marques
PROacute-REITOR DA POacuteS-GRADUACcedilAtildeO
Prof Dr Francisco de Souza Ramos
CENTRO DE CIEcircNCIAS DA SAUacuteDE
DIRETOR
Prof Dr Nicodemos Teles de Pontes Filho
COORDENADORA DO PROGRAMA DE POacuteS-GRADUACcedilAtildeO EM ODONTOLOGIA
ProfaDra Jurema Freire Lisboa de Castro
PROGRAMA DE POacuteS-GRADUACcedilAtildeO EM ODONTOLOGIA COM AacuteREA DE CONCETRACcedilAtildeO EM
CLINICA INTGRADA
COLEGIADO
MEMBROS PERMANENTES
Profa Dra Alessandra Albuquerque T Carvalho
Prof Dr Anderson Stevens Leocircnidas Gomes
ProfDr Arnaldo de Franccedila Caldas Junior
Prof Dr Carlos Menezes Aguiar
ProfDr Danyel Elias da Cruz Perez
Prof Dr Edvaldo Rodrigues de Almeida
ProfaDra Flavia Maria de Moraes Ramos Perez
Prof Dr Jair Carneiro Leatildeo
Profa Dra Jurema Freire Lisboa de Castro
Profa Dra Liriane Baratella Evecircncio
ProfDr Luiz Alcino Monteiro Gueiros
ProfDra Maria Luiza dos Anjos Pontual
ProfDr Paulo Saacutevio Angeiras Goes
Profa Dra Renata Cimotildees Jovino Silveira
ProfaDra Silvia Regina Jamelli
ProfDra Simone Guimaraes Farias Gomes
ProfDr Tibeacuterio Ceacutesar Uchoa Matheus
MEMBRO COLABORADOR
Prof Dr Claacuteudio Heliomar Vicente da Silva
Profa Dra Luacutecia Carneiro de Souza Beatrice
SECRETARIA
Oziclere Sena de Arauacutejo
5
Dedico esta e demais conquistas Em primeiro lugar a Deus que iluminou o meu caminho
durante esta caminhada
Aos meus Pais Damiatildeo e Elvira (in memorian) meus irmatildeos em especial Liacutevio (in
memorian) meus primos Petrocircnio e Gilson Bezerra dos Santos que sempre me guiaram nos
estudos e no respeito aos seres Humanos
Aos meus filhos Luciane Felipe Gabriel e Eduardo que com suas energias
ajudaram-me a transformar o amor incondicional em forccedila para vencer os obstaacuteculos do dia a
dia
6
ldquoTenho a impressatildeo de ter sido uma crianccedila brincando a beira mar divertindo-me em
descobrir uma pedrinha mais lisa ou uma concha mais bonita que as outras enquanto o
imenso oceano da verdade continua misterioso diante dos meus olhosrdquo (Isaac Newton)
7
AGRADECIMENTOS
Agrave professora Dra Alessandra de Albuquerque Tavares Carvalho pela paciecircncia na orientaccedilatildeo
e incentivo que tornaram possiacutevel a conclusatildeo desta Tese
Ao Prof Dr Borko Stosic e sua esposa Profa Dra Tatijana Stosic Fiacutesicos e Coordenadores
do Departamento de Estatiacutestica e Informaacutetica da UFRPE Pelos ensinamentos dos princiacutepios
fundamentais da natureza e delinearam este trabalho
Ao Amigo Bioacutelogo Sergio Santos do Departamento de Fiacutesica da UFPE cuja colaboraccedilatildeo foi
imprescindiacutevel para conclusatildeo desses estudos
Ao Professor Dr Severino Alves Junior Coordenador do Laboratoacuterio de Terras raras do
Departamento de Quiacutemica da UFPE Pela dedicaccedilatildeo e orientaccedilatildeo do modelo experimental
Rodrigo Viana e Alice Macedo alunos do Doutorado em Quiacutemica da UFPE pela colaboraccedilatildeo
nesses estudos
AO ProfDr Breno de Albuquerque Mello pelas orientaccedilotildees iniciais deste trabalho e pela
minha formaccedilatildeo baacutesica de Materiais Dentaacuterios
Prof DrThiago Rolin do Departamento de Engenharia Mecacircnica pela gentileza e orientaccedilatildeo
nos processos de usinagem
Aos professores e funcionaacuterios do Departamento de Ciecircncias Farmacecircuticas em especial ao
Professor Dr Luiz Alberto Lira Soares e alunos do Mestrado Marco Aureacutelio Moraes Galvatildeo e
Magda Rhayanny Assunccedilatildeo Ferreira
Aos colegas e funcionaacuterios dos Departamentos que compotildeem o Curso de Odontologia da
UFPE
8
RESUMO
Os dados disponiacuteveis de estudos com animais e em seres humanos sugerem que a topografia
da superfiacutecie melhorada estaacute associada ao aumento da biocompatibilidade e do contato osso-
implante ocasionando um maior intertravamento e dessa forma contribuindo para uma
obtenccedilatildeo de uma osseointegraccedilatildeo mais raacutepida e duradoura Com objetivo de comparar os
diferentes meacutetodos de tratamento de superfiacutecie dos implantes no trabalho atual foi avaliada a
dimensatildeo fractal dos cristais formados ao longo da imersatildeo no simulador de fluiacutedos corpoacutereos
(SBF) dos implantes de titacircnio previamente sujeitos agraves diferentes combinaccedilotildees de tratamento
de superfiacutecie com i) jateamento ii) ataque aacutecido e iii) fosfato de caacutelcio representando um
meacutetodo de tratamento de superfiacutecie desenvolvido na Universidade Federal de Pernambuco
(UFPE) Foram confeccionados 48 discos medindo 5 mm diacircmetro por 2 mm de altura no
Departamento de Engenharia Mecacircnica divididos em oito grupos contendo seis discos cada
Cada grupo A recebeu o tratamento completo composto por jateamento aacutecido e fosfato de
caacutelcio o grupo B foi o controle (apenas maquinado) enquanto os outros grupos receberam
tratamentos parciais seguindo modelo experimental com anaacutelises multi fatoriais A formaccedilatildeo
de cristais ocorreu em todos os grupos poreacutem com formaccedilotildees cristais dos diferentes
tamanhos e formas bem como diferente distribuiccedilatildeo espacial As amostras com ataque acido
mostraram aumento da dimensatildeo fractal indicando maior preenchimento espacial das
formaccedilotildees cristais Por outro lado o tamanho dos cristais formados sua forma em termos da
compacidade e niacutevel de ramificaccedilatildeo e sua distribuiccedilatildeo espacial natildeo podem ser vinculados
aos tratamentos especiacuteficos Estudos futuros experimentais ldquoin vivordquo satildeo necessaacuterios para
elucidar a associaccedilatildeo entre a dimensatildeo fractal observada no trabalho atual e as propriedades
mecacircnicas e bioloacutegicas dos implantes realizados com estes procedimentos diferentes
Palavras chaves osseointegraccedilatildeo implantes biomateriais
9
ABSTRACT
The data available from animal and human subject studies suggest that enhancing the implant
surface topography is associated with increase of biocompatibility and the bone-implant
interface leading to their better interlock and therefore contributing to more rapid and more
lasting osseointegration With the objective of comparison of different implant surface
treatments the current study was conducted to evaluate the fractal dimension of crystal
structures formed during submersion in a corporal fluid simulator (CFS) of titanium implants
previously subjected to different combinations of surface treatment consisting of i) sand
blasting ii) acid attack and iii) calcium phosphate the combination of all three representing a
surface treatment method developed at the Federal University of Pernambuco (UFPE) A total
of 48 discs of diameter 5mm and heights 2mm were fabricated at the Department of
Mechanical Engineering divided in eight groups of six discs each Group A received the full
treatment composed of sand blasting acid and calcium phosphate group B was control (only
machined) and the other groups received partial treatments following the experimental multi
factor model Crystal formation occurred in all the groups however with crystal formations of
different size and form as well as different spatial distribution Samples with acid attack
demonstrated higher fractal dimension indicating a higher space filling of crystals formations
On the other hand the size of crystals their form in terms of compactness and ramification
level as well as their spatial distribution could not be associated with specific treatments
Further experimental ldquoin vivordquo studies are necessary to shed light on the association between
the fractal dimension observed in the current work and the mechanical and biological
properties of implants implemented using these different procedures
Key words osseointegration implants biomaterials
10
SUMAacuteRIO
1 INTRODUCcedilAtildeO 10
2 REVISAtildeO DA LITERATURA 12
21 Biocompatibilidade 12
22 Estrutura oacutessea 12
23 Titacircnio e a hidroxiapatita 12
24 Fractais 15
3 MATERIAL E MEacuteTODOhellip 16
31 Modelo experimental 16
32 Preparos dos corpos de Provas 16
33 Usinagem 16
34 Limpeza das amostras 16
35 Divisatildeo dos grupos 16
36 Tratamentos das superfiacutecies 17
361 Jateamento com oacutexido de Alumiacutenio 17
362 Ataque aacutecido 17
363 Fosfato de Caacutelcio 17
37 Preparaccedilatildeo do simulador de Fluiacutedos Corpoacutereos (SBF) 17
38 Meacutetodos de Avaliaccedilatildeo 18
381 Microscopia Eletrocircnica de Varredura (MEV) 18
382 Dimensatildeo Fractal 18
4 RESULTADOS E DISCUSSAtildeO 19
5 CONCLUSAtildeO 23
REFEREcircNCIAS 24
APEcircNDICE - Artigo submetido aacute publicaccedilatildeo na revista 27
11
1 INTRODUCcedilAtildeO
A osseointegraccedilatildeo representa um fator fundamental para o sucesso de implantes
dentaacuterios tendo como base o estabelecimento da estabilidade mecacircnica primaacuteria e fixaccedilatildeo
bioloacutegica posterior Ela poderaacute ser influenciada por vaacuterios fatores como arquitetura oacutessea
original e sua densidade o desenho do implante e o tratamento de superfiacutecie (ORSINI et al
2012)
O processo de tratamento de superfiacutecie eacute realizado apoacutes a usinagem depois de
remover resiacuteduos como oacuteleo e outros contaminantes As superfiacutecies com capacidade
osteoindutora preparadas com um processo que vai aleacutem de uma simples limpeza satildeo
comumente chamadas de ativas Os dados disponiacuteveis de estudos com animais e em seres
humanos sugerem que a topografia da superfiacutecie melhorada estaacute associada ao aumento da
biocompatibilidade e do contato osso-implante ocasionando um maior intertravamento com o
osso e dessa forma contribuindo para uma obtenccedilatildeo de uma integraccedilatildeo mais raacutepida e
duradoura
Vaacuterios meacutetodos para modificar a topografia das superfiacutecies dos implantes jaacute foram
introduzidos como revestimento com hidroxiapatita que usa o processo conhecido como
Titacircnio Plasma spray (TPS) abrasotildees com jateamento com oxido de titacircnio ou oxido de
alumiacutenio pulverizaccedilatildeo catoacutedica com fosfato de Caacutelcio anodizaccedilatildeo aleacutem do Laser Nd-Yag
segundo Braringnemark et al (2011) e diferentes meacutetodos quiacutemicos e bioloacutegicos como a adiccedilatildeo
de peptiacutedeos ( KAumlMMERER et al 2012)
O ataque aacutecido foi citado por vaacuterios autores como mecanismo uacutetil para promover
micro ranhuras que aumentariam a aacuterea de contato permitindo deposiccedilatildeo da matriz oacutessea
secretada pelos osteoblastos e posterior calcificaccedilatildeo Efeito sobre a densidade oacutessea foi
observado em estudos com diferentes superfiacutecies quando peptiacutedeos foram adicionados
(HAMLET et al 2012) Os aacutecidos mais utilizados satildeo cloriacutedrico sulfuacuterico fosfoacuterico e o
fluoriacutedrico onde dependendo da composiccedilatildeo tempo de contato e temperatura os resultados
poderatildeo ser diferentes O tratamento com aacutecidos na superfiacutecie de titacircnio em estudos com
cultura de ceacutelulas confirmou presenccedila de titacircnia anastase e maior proliferaccedilatildeo celular
(ZHANG et al 2010) O efeito da temperatura na formaccedilatildeo de cristais foi maior quando o
titacircnio foi submetido a tratamento teacutermico entre 400 e a 600ordm C (SULTANA et al 2009)
12
Os implantes satildeo avaliados macroscopicamente quanto a seu desenho enquanto para
a caracterizaccedilatildeo da topografia usa-se a microscopia eletrocircnica de varredura (MEV) a niacuteveis
micromeacutetricos e sub micromeacutetricos (PERROTTI et al 2011 CARNEIRO-CAMPOS et al
2010) e para a caracterizaccedilatildeo da composiccedilatildeo atocircmica usam-se Raios X (EDS) e a
cristalografia (PARK et al 2007 WENNERBERG et al 2009 NOVAES et al 2010 GAO
et al 2009)
Pelo menos cinco efeitos poderatildeo ser atribuiacutedos agrave formaccedilatildeo das rugosidades i) o
aumento da superfiacutecie junto ao osso adjacente ii) melhoria da fixaccedilatildeo celular ao titacircnio iii)
aumento da quantidade de osso junto ao implante iv) aumento da interaccedilatildeo biomecacircnica entre
o osso e o implante e v) processos inflamatoacuterios Peri implantares quando a rugosidade
apresenta-se na aacuterea trans mucosa (PERROTTI et al 2011) Poreacutem ainda natildeo existe
consenso geral tanto na literatura cientiacutefica quanto na pratica sobre quais tratamentos de
superfiacutecie de implantes resultariam em melhor e mais raacutepida osseointegraccedilatildeo e quais as
melhores propriedades dos implantes em relaccedilatildeo destes efeitos individuais Para contribuir
para o melhor entendimento desta questatildeo o objetivo deste estudo foi analisar ldquoin vitrordquo como
o tratamento da superfiacutecie no processo de fabricaccedilatildeo de implantes afetaria o processo de
formaccedilatildeo de cristais apoacutes imersatildeo no simulador de fluiacutedos corpoacutereos (SBF) Implantes de
titacircnio foram sujeitos agraves diferentes combinaccedilotildees de tratamento de superfiacutecie com i)
jateamento ii) ataque aacutecido e iii) fosfato de caacutelcio e depois de imersatildeo no SBF por 30 dias as
imagens da superfiacutecie obtidas por microscopia eletrocircnica foram sujeitas a analise fractal
13
2 REVISAtildeO DA LITERATURA
Osseointegraccedilatildeo eacute a uniatildeo estrutural e funcional entre o implante e o tecido oacutesseo
quando submetido a uma carga funcional (BRANEMARCK et al 1977) Vaacuterios fatores
poderatildeo interferir na forma e no tempo dessa integraccedilatildeo
21 Biocompatibilidade
Os materiais utilizados para fabricaccedilatildeo de implantes devem ter uma boa resistecircncia
mecacircnica elevada estabilidade quiacutemica excelente resistecircncia agrave corrosatildeo e
biocompatibilidade O titacircnio eacute usado extensivamente nos ossos como sistemas de ancoragem
implantes dentaacuterios e ortopeacutedicos bem como aplicaccedilotildees de osteossiacutentese (MARQUES 2007)
Nos implantes a cicatrizaccedilatildeo oacutessea sem a presenccedila de fibroses eacute desejaacutevel Fatores
relacionados agrave teacutecnica ciruacutergica desenho do implante com o seu respectivo tratamento de
superfiacutecie e fatores ligados ao paciente satildeo variaacuteveis que poderatildeo influenciar na sua
integraccedilatildeo
22 Estrutura oacutessea
A densidade oacutessea eacute um fator importante na longevidade dos implantes independente
da regiatildeo na arcada dentaacuteria baseado em caracteriacutesticas macroscoacutepicas da cortical e do
trabeculado oacutesseo (Misch 1998) classificou em cinco tipos de osso
D1 Osso cortical denso (gt 1250 UH)
D2 Apresenta cortical denso e osso trabeculado grosso (850 a 1250 UH)
D3 Cortical oacutessea fina e trabeculado fino (350 a 850 UH)
D4 Osso trabecular fino (150 a 350 UH)
D5 Osso natildeo-mineralizado imaturo (lt 150 UH)
onde UH satildeo unidades da escala de Hounsfield (com valores -1000 para ar 0 para aacutegua e
3000 para dentes)
23 Titacircnio e a hidroxiapatita
Verick (2003) verificou o meacutetodo de biomimetizaccedilatildeo de superfiacutecie de titacircnio
comercialmente puro (Ti-cp) tratado com hidroacutexido de soacutedio e colocado no SBF super
saturado e observou apoacutes 24 horas alguns tipos de apatitas precipitadas sobre o substrato
14
juntamente com a fase cristalina da hidroxiapatita e comparou com o difratograma de uma
mandiacutebula humana onde observou-se a semelhanccedila dos picos Concluiu que no processo de
nucleaccedilatildeo lento a fase majoritaacuteria encontrada foi a hidroxiapatita As outras fases presentes
apareceram em pequenas quantidades sendo a proacutexima fase da maior presenccedila fosfato
octacaacutelcico
Titacircnio comercialmente puro e suas ligas como Ti-6Al-4V satildeo usadas em cirurgias
ortopeacutedicas O moacutedulo de elasticidade do titacircnio e da liga Ti6Al4V variaria entre 100 e
120GPa e do osso entre 10 e 30GPa A diferenccedila do moacutedulo de elasticidade da proacutetese e do
osso seria desfavoraacutevel para o remodelamento oacutesseo Para resolver este problema e melhorar
as propriedades mecacircnicas e bioloacutegicas novas ligas de titacircnio foram desenvolvidas para
aplicaccedilotildees biomeacutedicas O meacutetodo normal para se conseguir um melhor desempenho das ligas
de titacircnio quanto agraves propriedades mecacircnicas e bioloacutegicas seria modificar sua composiccedilatildeo
Alguns elementos como NbTa Mo e Zr Fe Cr e Sn usualmente adicionados nas ligas de
titacircnio para formar completa ou parcialmente a estrutura que possuem baixo moacutedulo de
elasticidade e contribuem para diminuir a diferenccedila entre o moacutedulo de elasticidade da liga e
do osso Aleacutem disso certos elementos de liga como Cu Co Ni e Si satildeo utilizados para
aumentar a resistecircncia mecacircnica das ligas Nos estudos comparativos com quatro superfiacutecies
tratadas com aacutecidos fluoretos e apenas usinada as anodizadas mostraram melhores resultados
de deposiccedilatildeo de iacuteons (MARQUES 2007)
A Hidroxiapatita sintetizada eacute um dos materiais mais atrativos para uso como
biomaterial devido a sua similaridade composicional e bioloacutegica com a fase inorgacircnica do
osso humano A estrutura da HA permite substituiccedilotildees catiocircnicas e aniocircnicas isomorfas com
facilidade as quais poderatildeo alterar a cristalinidade a morfologia e os paracircmetros de rede A
estabilidade a bioatividade e a biocompatibilidade do material obtido Tais caracteriacutesticas
positivas podem ser explicadas pela natureza quiacutemica por serem formados basicamente por
iacuteons caacutelcio e fosfato participam ativamente do equiliacutebrio iocircnico entre o fluido bioloacutegico e a
ceracircmica Uma forma conveniente de classificar os vaacuterios fosfatos de caacutelcio eacute pela sua razatildeo
molar CaP que pode variar de 05 a 20 A solubilidade eacute uma das mais importantes
propriedades dos compostos de fosfato de caacutelcio Esta biocompatibilidade favorece o
crescimento oacutesseo para os locais em que a HA se encontra Estabelecendo ligaccedilotildees de
natureza quiacutemica entre ela e o tecido oacutesseo (bioativo) permitindo a proliferaccedilatildeo de
fibroblastos osteoblastos e outras ceacutelulas oacutesseas as quais natildeo a distinguem da superfiacutecie
oacutessea o que indica a grande similaridade quiacutemica superficial (GOUVEIA 2008)
15
O tratamento teacutermico da superfiacutecie pode induzir aumento da nucleaccedilatildeo dos cristais de
hidroxiapatita como mostrado pelo Ling e colaboradores (GAO et al 2009) As superfiacutecies
tratadas com ataque aacutecido e anodizaccedilatildeo foram submetidas a tratamento teacutermico a 450ordm C por 6
horas Foram observados cristais de anatase medindo em torno de 20 nm e em seguida as
amostras com e sem tratamento teacutermico foram colocadas em 15 SBF por 7 dias e avaliados
em termos de nucleaccedilatildeo dos cristais
Superfiacutecie tratada por laser tambeacutem pode apresentar melhor fixaccedilatildeo da interface osso-
implante como mostrado (BRAringNEMARK et al 2011) a niacutevel micro e nano escala em
estudos em tiacutebia de coelho com o objetivo de avaliar a resposta biomecacircnica e histoloacutegica de
implantes de titacircnio tratados por laser em comparaccedilatildeo com os implantes apenas usinados
Verificaram que apoacutes 8 semanas tiveram um aumento de 250 no torque de remoccedilatildeo para
superfiacutecies tratadas com laser em relaccedilatildeo as apenas maquinadas Concluiacuteram que existiu uma
melhor fixaccedilatildeo da interface osso-implante promovida por alteraccedilotildees em micro e nano-escala
da topografia da superfiacutecie do implante
Em outro recente experimento ldquoin vivordquo (ORSINI et al 2012) a superfiacutecie tratada
com jateamento e ataque aacutecido (SLA) apresentou maior osteocondutividade quando
comparada com a superfiacutecie natildeo tratada verificando que houve maior deposiccedilatildeo de novo osso
na superfiacutecie de titacircnio
Implantes revestidos com Hidroxiapatiata (HA) reagem de uma maneira direta com
o tecido oacutesseo em cinco fases distintas i) com a dissoluccedilatildeo de HA ii) a precipitaccedilatildeo de
apatita iii) trocas iocircnicas acompanhada por absorccedilatildeo e incorporaccedilatildeo de moleacuteculas bioloacutegicas
iv) a ligaccedilatildeo de ceacutelulas proliferaccedilatildeo e diferenciaccedilatildeo em osteoblastos e v) a formaccedilatildeo da
matriz extra celular e mineralizaccedilatildeo Para que esses efeitos em cascata ocorram a dissoluccedilatildeo
do revestimento de HA representa um passo fundamental Esta dissoluccedilatildeo eacute citada como um
requisito importante para induzir a precipitaccedilatildeo da hiroxiapatita sobre a superfiacutecie do implante
(TAPASH et al 2011) O tratamento quiacutemico dos biomateriais poderaacute apresentar alto impacto
na ativaccedilatildeo plaquetaacuteria Mais especificamente o adesivo sequecircncia peptiacutedica ceacutelula bioativo
Arg-Gli-Asp (RGD) desencadeia a ativaccedilatildeo plaquetaacuteria mediada pelo receptor de integrina
aIIbb3 Deste modo as superfiacutecies tratadas com substacircncias biomimeacutetica (peacuteptidio RGD
imobilizado) poderiam aumentar no iniacutecio ativaccedilatildeo de plaquetas e da cicatrizaccedilatildeo oacutessea junto
ao implante (KAumlMMERER et al 2012)
16
24 Fractais
O termo fractal foi introduzido por Benoit Mandelbrot (MANDELBROT 1983) para
descrever geometria dos sistemas naturais formados pelos processos estocaacutesticos longe do
equiliacutebrio Como exemplos desses sistemas podem-se citar as aacutervores ramificadas linhas
costeiras nuvens poliacutemeros estruturas cardiopulmonares (rede arterial aacutervore
traqueobronquial) etc (MANDELBROT 1983 BASSINGTHWAIGHTE et al 1994) A
diferenccedila entre a geometria fractal e a geometria euclidiana eacute que fractais possuem dimensatildeo
natildeo inteira (fracionaacuteria) e propriedade de auto-similaridade (partes do objeto se assemelham ao
objeto como todo) Os exemplos citados representam fractais estocaacutesticos e possuem a
propriedade de auto-similaridade em sentido estatiacutestico dentro de um intervalo de escala onde
o limite inferior representa a dimensatildeo das componentes elementares (eg partiacuteculas) do
sistema e o limite superior representa a dimensatildeo linear do sistema Durante ultimas deacutecadas o
conceito fractal foi amplamente utilizado para descrever a complexidade dos sistemas
fisioloacutegicos tanto na analise das imagens medicas quanto na analise dos sinais fisioloacutegicos e
mostrou se eficiente em diferenciaccedilatildeo entre os casos saudaacuteveis e patoloacutegicos Os exemplos
incluem osteoporoses (ZAIA et al 2006) enfisema pulmonar (CHUNG e HUANG 2000)
doenccedilas degenerativas neuroloacutegicas (WU et al 2010) alteraccedilotildees em vascularizaccedilatildeo da retina
(STOSIC 2006) doenccedilas cardiovasculares (IVANOV et al 1999) entre outros
O potencial da analise fractal tambeacutem foi explorado na odontologia (SAacuteNCHEZ e
UZCAacuteTEGUI 2011 UPDIKE e NOWZARI 2008) Nos uacuteltimos anos a dimensatildeo fractal foi
utilizada para descrever a rugosidade da superfiacutecie do implante sendo uacutetil para quantificaccedilatildeo
das diferenccedilas entre as superfiacutecies dos implantes obtidas utilizando diversos tratamentos
(PEROTTI et al 2011 LEZZI et al 2012 EHRENFEST et al 2011)
17
3 MATERIAL E MEacuteTODO
Este estudo foi planejado uma anaacutelise multifatorial tendo como objetivo analisar
diferentes tratamentos da superfiacutecie de implante em relaccedilatildeo agrave deposiccedilatildeo de Hidroxiapatita que
eacute considerado um fator relevante pela literatura especializada
31 Modelo experimental
Foi desenvolvido um modelo ldquoin vitrordquo utilizando simulador de fluiacutedos corpoacutereos onde
as amostras foram submergidas por 30 dias e em seguida analisadas por microscopia eletrocircnica
32 Preparos dos Corpos de Provas
O titacircnio foi adquirido atraveacutes da Empresa Tinbrazil barras medindo 6 mm de
diacircmetro por 1 metro de comprimento com laudo de certificaccedilatildeo emitido pela importadora
acima Como sendo titacircnio grau II Ti-6Al-4V conforme a ASTM usados na fabricaccedilatildeo de
implantes dentaacuterios
33 Usinagem
Foi utilizado torno computadorizado marca ROMI com ferramentas de corte
fabricadas em ceracircmica no Departamento de Engenharia Mecacircnica da Universidade Federal
de Pernambuco A vareta foi reduzida em 86 discos medindo 5 mm de diacircmetro e 2 mm de
altura As amostras foram levadas para tratamento de superfiacutecie no laboratoacuterio de
Farmacognosia do Departamento de Ciecircncias Farmacecircuticas da UFPE
34 Limpeza das amostras
As amostras foram lavadas com hexano por 10 minutos em ultrassom O solvente foi
desprezado em recipiente apropriado As amostras foram colocadas em um Becker de vidro
colocados em estufa a 80ordm C por 10 minutos
35 Divisatildeo dos grupos
Os grupos foram divididos seguindo o Planejamento Fatorial de 23
satildeo apresentados na
Tabela 1
18
Tabela 1 ndash Organizaccedilatildeo dos grupos
Jateamento Ataque aacutecido Fosfato de caacutelcio
Grupo A Sim Sim Sim
Grupo B Natildeo Natildeo Natildeo
Grupo C Sim Natildeo Sim
Grupo D Sim Sim Natildeo
Grupo E Natildeo Natildeo Sim
Grupo F Natildeo Sim Natildeo
Grupo G Natildeo Sim Sim
Grupo H Sim Natildeo Natildeo
36 Tratamentos das superfiacutecies
361 Jateamento com Oacutexido de Alumiacutenio
Foi realizado utilizando oacutexido de alumiacutenio com granulaccedilatildeo meacutedia agrave 80 libras com o
jato direcionado a superfiacutecies dos discos por 10 segundos em cada lado
362 Ataque aacutecido
A segunda etapa foi o ataque aacutecido cuja composiccedilatildeo foi aacutecido cloriacutedrico 59 + 1
de aacutecido fluoriacutedrico e 40 de aacutegua destilada acondicionado em recipiente de polietileno ateacute
momento do uso Em um Becker de 50 ml foram colocados 20 ml do aacutecido por um (01)
minuto
363 Fosfato de Caacutelcio
Foi desenvolvida uma pasta contendo proporccedilatildeo de 13 de aacutegua e fosfato de caacutelcio
terciaacuterio No final da segunda etapa o excesso de aacutecido eacute desprezado e a pasta eacute adicionada ao
Becker onde permanece no ultrassom por 20 minutos Apoacutes a lavagem o material foi
colocado em recipiente de vidro seco em estufa a 40 C por 1 hora armazenados em tubos
tipo Ependorf e encaminhados para as anaacutelises
37 Preparaccedilatildeo do Simulador de Fluiacutedos Corpoacutereos (SBF)
Foi preparado conforme meacutetodo de Kokubo e Takadama (2006) no laboratoacuterio de
Farmacognosia Departamento de Ciecircncias Farmacecircuticas da UFPE
19
Tabela 2 - Composiccedilatildeo quiacutemica do SBF proposta por Kokubo e Takadama (2006)
Reagentes Quantidade Pureza
NaCl 8055 g 995
NaHCO3 0355 g 995
Kcl 0225 g 995
K2PO4 3H2O 0231 g 990
MgCl2 6H2O 0311 g 980
10 M- HCl 39 ml -----------
CaCl2 0292 g 950
NaSO4 0072 g 990
Tris 6118 g 990
10 M HCl 0-5ml ------------ Hidroximetil aminometano
38 Meacutetodos de Avaliaccedilatildeo
381 Microscopia Eletrocircnica de Varredura (MEV)
Para analise da superfiacutecie das amostras foi utilizada microcopia eletrocircnica de varredura
(MEV) JEOL 5600 LV (Japan) voltagem de 10 kV do Departamento de Fiacutesica da UFPE
Foram analisadas em arquivos digitais trecircs campos visuais diferentes para cada disco
Para cada grupo foram avaliados 3 discos totalizando nove aacutereas por grupo Em cada campo
foram obtidas imagens de 200x 1000x e 15000x para anaacutelises comparativas
382 Dimensatildeo Fractal
Existem vaacuterios meacutetodos para o caacutelculo de dimensatildeo fractal como contagem de caixas
(ldquobox countingrdquo) meacutetodo massa-raio (ldquomass-radius methodrdquo) e meacutetodo de correlaccedilatildeo
densidade-densidade (ldquodensity-density correlation function methodrdquo) O meacutetodo contagem de
caixas eacute mais utilizado e consiste em cobrir a estrutura com uma grade de caixas com arestas
de tamanho l e contar o nuacutemero N(l) de caixas que conteacutem pelo menos uma partiacutecula do
sistema Reduz-se sucessivamente o tamanho das caixas e mede-se para cada tamanho o
numero de caixas N(l) nos quais existe pelo menos um ponto do sistema A dimensatildeo fractal eacute
definida pela equaccedilatildeo
de onde segue
Assim traccedila-se um graacutefico do logaritmo de N(l) em funccedilatildeo do logaritmo de 1l e determina-se
a dimensatildeo fractal pela inclinaccedilatildeo do graacutefico (BASSINGTHWAIGHTHE et al 1994)
fDllN
~)(
)1log(~)(log lDlN f
20
4 RESULTADOS E DISCUSSAtildeO
A Figura 3 mostra os cristais formados depois submersatildeo dos implantes em Simulador
de Fluiacutedos Corpoacutereos (SBF) por 30 dias obtidas com auxilio da Microscopia Eletrocircnica de
Varredura Observam-se as formas diferentes dos cristais (cristais grandes ou pequenos
distribuiacutedos uniformemente ou agrupados simples ou ramificados) para diferentes
tratamentos da superfiacutecie dos implantes A forma e a distribuiccedilatildeo espacial dos cristais
formados por SBF refletem o processo de osseointegraccedilatildeo e indicam que uma analise das
propriedades geomeacutetricas destas estruturas para vaacuterios tipos de tratamento da superfiacutecie dos
implantes poderia providenciar informaccedilotildees importantes para avaliaccedilatildeo da qualidade do
implante
A dimensatildeo fractal das imagens dos cristais formados por SBF nas superfiacutecies dos
implantes foi calculada para diferentes tratamentos da superfiacutecie As imagens da Figura 3
foram binarizadas como apresentado na Figura 4 e em seguida a dimensatildeo fractal foi
calculada utilizando o pacote FracLac do software gratuito ImageJ com meacutetodo ldquoBox
countingrdquo Os resultados destes caacutelculos satildeo apresentados na Tabela 3
21
Com jateamento Sem jateamento
Com
ata
que
aacutecid
o
Com
fosf
ato d
e caacute
lcio
S
em f
osf
ato d
e caacute
lcio
Sem
ata
que
aacutecid
o
Com
fosf
ato d
e caacute
lcio
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
Figura 3 Imagens das formaccedilotildees cristalinas nas superfiacutecies das amostras A-H
22
Figura 4 Imagens binarizadas das formaccedilotildees cristalinas nas superfiacutecies das
amostras A-H
Com jateamento
Sem jateamento
Com
ata
que
aacutecid
o
C
om
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
ata
que
aacutecid
o
C
om
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
23
Tabela 3 Dimensatildeo Fractal (desvio padratildeo) das imagens binarizadas apresentadas na Fig 4
Com aacutecido Sem aacutecido
Com fosfato
de caacutelcio
Sem fosfato
de caacutelcio
Com fosfato
de caacutelcio
Sem fosfato
de caacutelcio
Com jateamento 1859 (0014) 1930 (0015) 1693 (0011) 1903 (0014)
Sem jateamento 1920 (0015) 1845 (0013) 1881 (0014) 1687 (0012)
Na Tabela 3 observa-se a maior dimensatildeo fractal dos cristais formados na superfiacutecie
dos implantes tratados com aacutecido do que em tratamentos sem aacutecido indicando maior
preenchimento espacial dos cristais Este resultado pode ser explicado pelo fato que o
tratamento com acido produz uma superfiacutecie de maior rugosidade aumentando a aacuterea de
contato que pode causar uma deposiccedilatildeo maior e mais uniforme As superfiacutecies apenas
maquinadas que natildeo receberam nenhum tratamento tambeacutem apresentaram as formaccedilotildees de
cristais apoacutes imersatildeo no SBF por 30 dias poreacutem em quantidades aparentemente menores
resultando em menor dimensatildeo fractal (1687) do que para as superfiacutecies com tratamentos
diferentes
24
5 CONCLUSAtildeO
A dimensatildeo fractal das imagens dos implantes de titacircnio submetidos agraves diferentes
combinaccedilotildees dos tratamentos da superfiacutecie e submersos em Simulador de Fluiacutedos Corpoacutereos
por 30 dias varia entre Df=168 ate Df=193 refletindo a complexidade da formaccedilatildeo cristal
caracterizada por pequenos ou grandes cristais depositados localmente ou de forma uniforme
com geometria simples ou dendritica dependendo da combinaccedilatildeo dos tratamentos A menor
dimensatildeo fractal de Df=168 foi obtida para amostras sem tratamento nenhum enquanto a
maior dimensatildeo fractal de Df=193 foi obtida para amostras com jateamento e ataque aacutecido
(sem fosfato de caacutelcio) Ataque aacutecido foi identificado como uacutenico dos tratamentos que leva
sistematicamente ao aumento da dimensatildeo cristal enquanto o tamanho e a distribuiccedilatildeo
espacial dos cristais formados demonstram grande diversidade sem aparente dependecircncia em
nenhum dos tratamentos Estudos sistemaacuteticos ldquoin vivordquo satildeo necessaacuterios para estabelecer
quais combinaccedilotildees destes tratamentos de superfiacutecie geram implantes mais biologicamente
estaacuteveis e mecanicamente robustos e como estas propriedades podem ser associadas com a
dimensatildeo fractal dos cristais depositados
25
REFEREcircNCIAS
BARROS NETO B SCHARMINIO I E BRUNS R E Como Fazer experimentos
Pesquisa e desenvolvimento na ciecircncia e na Induacutestria 2 ed- Campinas-SP Editora
Unicamp 2003
BASSINTHWAITGHT JB LIEBOVITCH LS BRUCE JW Fractal physiology New
York Oxford American Physiological Society 1994
BRAringNEMARK R et al Bone response to laser-induced micro- and nano-size titanium
surface features Nanomedicine v 7 n 2 p 220-227 2011
BRAringNEMARK PI et al Osseointegreated implants in the treatment of edentulous jaw
Experience from a 10- year period Scand J Plast Reconst Surg Suppl v 16 p 1-132
1977
CARNEIRO-CAMPOS LE et al The effect of titanium topography features on mesenchymal
human stromal cells adhesion Clin Oral Implants Res v 21 n 2 p 251-254 2010
CHUNG H-W HUANG Y-H Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the
Diagnosis of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology v 174 p
1055-1059 2000
EHRENFEST D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol v 37 p 506-509 2011
GAO L et al MicroNanostructural Porous Surface on Titanium and Bioactivity J Biomed
Mater Res Part B Appl Biomater v 89B n 2 p 335ndash341 2009
GOUVEIA DS Obtenccedilatildeo de poacutes nanomeacutetricos de hidroxiapatita sintetizados com
magneacutesio utilizando ultra-som Tese Instituto de Pesquisas Energeacuteticas e Nucleares S
Paulo 2008
HAMLET S et al The effect of hydrophilic titanium surface modification on macrophage
inflammatory cytokine gene expression Clin Oral Implants Res v 23 n 5 p 584-90
2012
IVANOV PCH et al Multifractality in Human Heartbeat Dynamics Nature v 399 p
461-465 1999
KAumlMMERER PW et al Early implant healing promotion of platelet activation and
cytokine release by topographical chemical and biomimetical titanium surface modifications
in vitro Clin Oral Implants Res v 23 n4 p 504-10 2012
26
KOKUBO TTAKADAMA H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
BIOMATERIALS v 27 n 15 p 2907-2915 2006
LEZZIG et al Implant surface topographies analyzed using fractal dimension Implant
Dent v 20 p 131-138 2012
MANDELBROT BB How long is the coast of Britain Statistical self-similarity and
fractional dimension Science 156 1967 636-638
MANDELBROT BB The Fractal Geometry of Nature New York 1983
MARQUES C Tratamento de superfiacutecies de implantes de titacircnio Dissertaccedilatildeo de
Mestrado apresentada ao Curso de Mestrado em Ciecircncia dos Materiais do Instituto Militar de
Engenharia (IME) 2007
MISCH CE Misch bone density classification In Misch CE ed Contemporary Implant
Densitry 113-114 St Luis Mosby Inc 2009
NOVAES ABJR et al Influence of Implant Surfaces on Osseointegration Braz Dent J v
21 n 6 p 471-481 2010
ORSINI E et al Early Healing Events around Titanium Implant Devices with Different
Surface Microtopography A Pilot Study in an In Vivo Rabbit Model The Scientific World
Journal 349042 2012
PARK S et al The Effect of Fluoride Treatment on Titanium Treated with Anodic Spark
Oxidation Metals and Materials International v 13 n 2 p 117-122 2007
PERROTTI V et al Fractal Analysis A Novel Method to Assess Roughness Organization of
Implant Surface Topography International Journal of Periodontics amp Restorative
Dentistry v 31 n 6 p 633-639 2011
SAacuteNCHEZ I UZCAacuteTEGUI G Fractals in dentistry Journal of Dentistry v 39 n 4 p
273-292 2011
STOSIC T STOSIC B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels IEEE
Transactions on Medical Imaging v 25 p 1101-1107 2006
SULTANA R et al Effects of heat treatment on the bioactivity of surface-modified titanium
in calcium solution Biomed Mater Eng v 19 n 2 p 193-204 2009
TAPASH RR NARAYANAN R KIM K-H Ion implantation of titanium based
biomaterials Progress in Materials Science v 56 n 8 p 1137-1177 2011
27
UPDIKE SX NOWZARI H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res v 43 n 6 p 658-664 2008
WENNERBERG A ALBREKTSSON T Effects of titanium surface topography on bone
integration a systematic review Clin Oral Implants Res v 20 n 4 p 172-84 2009
WUY-T et al Fractal dimension analysis for quantifying cerebellar morphological change
of multiple system atrophy of the cerebellar type (MSA-C) NeuroImage v 49 n 1 p 539-
551 2010
ZAIA A et al MR imaging and osteoporosis fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute
IEEE Trans Inf Technol Biomed v 10 n 3 p 484-489 2006
ZHANG F et al Cell response of titanium implant with a roughened surface containing
titanium hydride an in vitro study J Oral Maxillofac Surg v 68 n 5 p 1131-1139 2010
28
APEcircNDICE
Artigo submetido agrave publicaccedilatildeo na revista
Fractal measure and microscopic modeling of osseointegration
Leonardo Cavalcanti Bezerra dos Santos1 Alessandra de Albuquerque Tavares Carvalho
1
Borko Stosic2 Tatijana Stosic
2 Paulo Jose Duarte Neto
2
1Departamento de Cliacutenica e Odontologia Preventiva Universidade Federal de Pernambuco
Quarta Travessa Artur de Saacute sn Cidade Universitaacuteria 50670-901 Recife PE Brazil
2Departamento de Estatiacutestica e Informaacutetica Universidade Federal Rural de Pernambuco
Rua Dom Manoel de Medeiros sn Dois Irmatildeos 52171-900 Recife PE Brazil
Abstract
In this work the process of osseointegration on titanium implant surfaces with
different physicochemical treatment subjected to a simulated corporal fluid
submersion is evaluated using the concept of fractal dimension It is found that
different treatments lead to rather different calcium phosphate crystal growth
patterns with fractal dimension ranging from Df=168 to Df=193 The
observed crystal patterns may be explained by a general deposition- diffusion-
aggregation growth mechanism where diffusing particle sticking probability
plays a fundamental role
Key words dental implants osseointegration fractal dimension
Introduction
Practical techniques enhancing implant osseointegration represent a fundamental
research topic not only in dentistry but also in other diverse areas of medicine and veterinary
sciences where bone implants or bone restoration is applied [1-3] While great advances in
this direction have undoubtedly been made over the past decades the full understanding is
still lacking on the effects of different implant surface physicochemical treatments as well as
on the microscopic mechanisms of the posterior osseointegration process [4]
Fractal dimension is a novel concept that has been increasingly employed in diverse
areas of knowledge for quantifying the complexity of natural phenomena ranging from
coastlines [5] and shape of volcanic ash particles [6] bronchial tree [7] and neurons [8]
Fractals are in fact commonly found in nature being characterized by scale invariance and
29
self-similarity During the last decades fractal analysis was used in studying diverse
phenomena in physiology and medicine including pulmonary emphysema [9] osteoporoses
[10] retinal blood vessels [11] and heart rate [12] The potential of fractal analysis was also
explored in dentistry [1314] Recently fractal dimension was used to quantify the surface
roughness of dental implants and shown to be promising to differentiate between topological
properties of dental implant surfaces obtained with different treatments [151617]
In this work we follow up on recent studies [15-17] as to how one may employ fractal
analysis to assess roughness organization of implant surface topology Rather than
concentrating on the implant surface properties subject to different physicochemical treatment
processes [15] here we put the emphasis on the results of simulated body fluid submersion
representing a step forward in understanding of implant osseointegration
Materials and Methods
Machined titanium implant samples were first subjected to different combinations of
a) sand blasting with aluminum oxide b) treatment with hydrofluoric acid and c) treatment
with calcium phosphate [18] after which they were submersed in a simulated body fluid [19]
for thirty days Magnified images of these samples were then acquired through scanning
electron microscopy as shown in Fig1 and subjected to image analysis
As opposed to fractal analysis performed in [15] to find the fractal dimension here we
only binarize the images as shown in Fig2 without skeletonization since we are interested in
crystal formation and it was found that skeletonization introduces artefacts (local networks of
lines) not apparent in the original crystal structure There are various methods for fractal
dimension calculation among which the box-counting method is perhaps the most widely
used because of its simplicity and robustness [20] It proceeds as follows Cover the structure
with a grid of size r and count the number of nonempty grid boxes )(rn Repeat this
procedure for different grid size for fractal self-similar structures 0~)(D
rrn
Box-counting
dimension is defined as
)1log(
)(loglim
0 r
rnD
rf
and can be estimated as the slope of the linear regression of )(log rn versus )1log( r We
calculate fractal dimension using the box counting method implemented in the FracLac
Package of open source software ImageJ
30
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid
tre
atm
ent
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 1 Electron microscope images of samples with different treatment after
submersion in simulated body fluid
31
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid t
reat
men
t
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 2 Same images as in Fig1 after binarization
32
Results and Discussion
It is seen on Fig1 that different combinations of implant surface treatment lead to
rather different crystal pattern formation during the simulated body fluid submersion No clear
conclusions can be drawn as to the size of spatial distribution of formed crystals
corresponding to any single treatment rather it is the combinations of these procedures that
lead to specific resulting structures Large and small crystals uniformly or locally deposited
of simple or dendritic shape are found for different treatment combinations and further in
vivo studies are necessary to determine which of these provide more robust implants with
best mechanical properties
In line with the previous study [15] that has motivated the current work we calculate
the fractal dimension of binarized images shown in Fig2 with the results presented in Table
1 The obtained fractal dimension values vary between Df=168 and Df=193 indicating the
potential of this method to quantify spatial complexity of formed crystals for different implant
surface treatments It is seen from Table 1 that in general the fractal dimension of implant
surface after submersion in SBF tends to be greater in the cases of treatment with acid
(keeping the same combination of sand blasting and calcium phosphate coating) that reflects
the fact that acid etching produces micro pits on titanium surface that greatly enhance
osseointegration [4] The highest value of fractal dimension (193) is obtained for the implant
treated by sand blasting and acid etching indicating that the surface roughness produced by
this treatment results in more uniform and more space filling crystal deposits The fractal
dimension of surfaces treated only by sand blasting acid etching and calcium phosphate are
1903 1845 and 1881 respectively and they are significantly higher than the fractal
dimension of untreated surface (1687) confirming the role of implant surface chemistry and
topology in the process of osseointegration Although our results show that surface topology
of treated implants has higher fractal dimension than that of untreated implants it is still not
clear which treatment or combination of treatments produces the best surfaces for
osseointegration It is also seen from Table 1 that the fractal dimension is higher for all of the
treated surfaces in comparison with the surface without any treatments (with the smallest
fractal dimension value) which reflects the fact that all these treatments produce surface
effects that favorably influence the complexity of the final crystal structure On the other
hand there is no clear evidence as to how these values may be associated with the quality of
implants without further in vivo experiments
33
Table 1 Fractal dimension (standard deviation) of binarized images shown in Fig2
Acid treatment No acid
Calcium
phosphate
No calcium
phosphate
Calcium
phosphate
No calcium
Phosphate
Sand blasted 1859 (0014) 1930 (0015) 1693 (0011) 1903 (0014)
No sand blasting 1920 (0015) 1845 (0013) 1881 (0014) 1687 (0012)
The current study suggests that a general Deposition Difusion Aggregation (DDA)
model [21] may be used to describe crystal formation in the different scenarios covered in the
present work One may perceive that the molecules present in the solution deposit on the
implant surface and move along this surface until they reach other such molecules andor
already crystallized formations where they become incorporated into the crystal structure
The concentration of the (in the current experiment simulated corporal) fluid determines the
flux of deposition and the mobility of the molecules (and perhaps larger molecular
agglomerates) is governed by the topology (roughness) of the implant surface It is well
known [21] that the flux and mobility of aggregate particles lead to rather different deposition
patterns ranging from many uniformly distributed small DLA (Diffusion Limited
Aggregation) like crystals to large dendritic structures and the DDA model apparently
represents an excellent candidate to describe the diversity of observed crystal patterns seen
on the electron microscope images of Fig 1
Conclusion
We apply fractal analysis on binarized scanning electron microscopy images of the
surface of titanium implants that were first subjected to different treatment combinations of i)
sand blasting ii) acid etching and iii) exposition to calcium phosphate and were then
submersed in a simulated corporal fluid for thirty days The obtained fractal dimension values
vary between Df=168 to Df=193 reflecting the complexity and space filling property of the
final crystal structure characterized by large and small crystals uniformly or locally
deposited of simple or dendritic shape that were found for different treatment combinations
Further in vivo studies are necessary to determine how these values may be associated with
the quality of implants
34
References
[1] Albrektsson T Sennerby L Wennerberg A State of the art of oral implants Periodontol
2000 2008 47 15-26
[2] Wazen JJ Gupta R Ghossaini S Spitzer J Farrugia M Tjellstrom A
Osseointegration timing for Baha system loading Laryngoscope 2007 117 794-796
[3] Palmquist A Jarmar T Emanuelsson L Braringnemark R Engqvist H Thomsen P
Forearm bone-anchored amputationprosthesis a case study on the osseointegration Acta
Orthop 2008 79 78-85
[4] Le Gueacutehennec L Soueidan A Layrolle P Amouriq Y Surface treatments of titanium
dental implants for rapid osseointegration Dental Materiasl 2007 23 844-854
[5] Mandelbrot BB The Fractal Geometry of Nature New York Freeman 1983 25
[6]Dellino PLiotino G The fractal and multifractal dimension of volcanic ash particles
contour a test study on the utility and volcanological relevance Journal of Volcanology and
Geothermal Research 2002 113 1-18
[7] Majumdar A Alencar AM Buldyrev SV Hantos Z Lutchen KR Stanley HE Suki B
Relating airway diameter distributions to regular branching asymmetry in the lung Phys Rev Lett 2005 95 168101
[8] Jelinek HF Fernandez E Neurons and fractals how reliable and useful are calculations of
fractal dimensions Journal of Neuroscience Methods 1998 81 9 ndash 18
[9] Chung HW HUANG YH Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the Diagnosis
of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology 2000 174 1055-1059
[10] Zaia A Eleonori R Maponi P Rossi R Murri R MR imaging and osteoporosis
fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute IEEE Trans Inf Technol Biomed 2006 10
484-489
[11] Stosic T Stosic B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels EEE Transactions
on MIedical Imaging 2006 25 1101-1107
[12] Goldberger AL Amaral LAN Hausdorff JM Ivanov PCh Peng CK Stanley
HE Fractal dynamics in physiology Alterations with disease and aging PNAS 2002 99
2466-2472
[13] Saacutenchez I Uzcaacutetegui G Fractals in dentistry Journal of Dentistry 2011 39 273-292
[14] Updike SX Nowzari H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res 2008 43 658-664
[15] Perotti V Aprile G Degidi M Piatelli A Lezzi G Fractal analysis a novel method to
assess roughness organization of implant surface topography Int J Peridontic Restorative
Dent 2011 31 633-639
[16] Ehrenfest D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol 2011 37 506-509
35
[17] Lezzi G Aprile G Tripodi D Scarano A Piatelli A Perotti V Implant surface
topographies analyzed using fractal dimension Implant Dent 2012 20 131-138
[18] Guo CY Tang ATH Matinlinna JP Insights into surface treatment methods of titanium
dental implants Journal of Adhesion Science amp Technology 2012 26 189ndash205
[19] Kokubo T Takadama H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
Biomaterials 2006 27 2907-2915
[20] Theiller J Estimating fractal dimension J Opt Soc Am 1990 7 1055-1073
[21] P Jensen A-L Barabaacutesi H Larralde S Havlin H E Stanley Model incorporating
deposition diffusion and aggregation in submonolayer nanostructures Phys Rev E (1994)
50 618ndash621
5
Dedico esta e demais conquistas Em primeiro lugar a Deus que iluminou o meu caminho
durante esta caminhada
Aos meus Pais Damiatildeo e Elvira (in memorian) meus irmatildeos em especial Liacutevio (in
memorian) meus primos Petrocircnio e Gilson Bezerra dos Santos que sempre me guiaram nos
estudos e no respeito aos seres Humanos
Aos meus filhos Luciane Felipe Gabriel e Eduardo que com suas energias
ajudaram-me a transformar o amor incondicional em forccedila para vencer os obstaacuteculos do dia a
dia
6
ldquoTenho a impressatildeo de ter sido uma crianccedila brincando a beira mar divertindo-me em
descobrir uma pedrinha mais lisa ou uma concha mais bonita que as outras enquanto o
imenso oceano da verdade continua misterioso diante dos meus olhosrdquo (Isaac Newton)
7
AGRADECIMENTOS
Agrave professora Dra Alessandra de Albuquerque Tavares Carvalho pela paciecircncia na orientaccedilatildeo
e incentivo que tornaram possiacutevel a conclusatildeo desta Tese
Ao Prof Dr Borko Stosic e sua esposa Profa Dra Tatijana Stosic Fiacutesicos e Coordenadores
do Departamento de Estatiacutestica e Informaacutetica da UFRPE Pelos ensinamentos dos princiacutepios
fundamentais da natureza e delinearam este trabalho
Ao Amigo Bioacutelogo Sergio Santos do Departamento de Fiacutesica da UFPE cuja colaboraccedilatildeo foi
imprescindiacutevel para conclusatildeo desses estudos
Ao Professor Dr Severino Alves Junior Coordenador do Laboratoacuterio de Terras raras do
Departamento de Quiacutemica da UFPE Pela dedicaccedilatildeo e orientaccedilatildeo do modelo experimental
Rodrigo Viana e Alice Macedo alunos do Doutorado em Quiacutemica da UFPE pela colaboraccedilatildeo
nesses estudos
AO ProfDr Breno de Albuquerque Mello pelas orientaccedilotildees iniciais deste trabalho e pela
minha formaccedilatildeo baacutesica de Materiais Dentaacuterios
Prof DrThiago Rolin do Departamento de Engenharia Mecacircnica pela gentileza e orientaccedilatildeo
nos processos de usinagem
Aos professores e funcionaacuterios do Departamento de Ciecircncias Farmacecircuticas em especial ao
Professor Dr Luiz Alberto Lira Soares e alunos do Mestrado Marco Aureacutelio Moraes Galvatildeo e
Magda Rhayanny Assunccedilatildeo Ferreira
Aos colegas e funcionaacuterios dos Departamentos que compotildeem o Curso de Odontologia da
UFPE
8
RESUMO
Os dados disponiacuteveis de estudos com animais e em seres humanos sugerem que a topografia
da superfiacutecie melhorada estaacute associada ao aumento da biocompatibilidade e do contato osso-
implante ocasionando um maior intertravamento e dessa forma contribuindo para uma
obtenccedilatildeo de uma osseointegraccedilatildeo mais raacutepida e duradoura Com objetivo de comparar os
diferentes meacutetodos de tratamento de superfiacutecie dos implantes no trabalho atual foi avaliada a
dimensatildeo fractal dos cristais formados ao longo da imersatildeo no simulador de fluiacutedos corpoacutereos
(SBF) dos implantes de titacircnio previamente sujeitos agraves diferentes combinaccedilotildees de tratamento
de superfiacutecie com i) jateamento ii) ataque aacutecido e iii) fosfato de caacutelcio representando um
meacutetodo de tratamento de superfiacutecie desenvolvido na Universidade Federal de Pernambuco
(UFPE) Foram confeccionados 48 discos medindo 5 mm diacircmetro por 2 mm de altura no
Departamento de Engenharia Mecacircnica divididos em oito grupos contendo seis discos cada
Cada grupo A recebeu o tratamento completo composto por jateamento aacutecido e fosfato de
caacutelcio o grupo B foi o controle (apenas maquinado) enquanto os outros grupos receberam
tratamentos parciais seguindo modelo experimental com anaacutelises multi fatoriais A formaccedilatildeo
de cristais ocorreu em todos os grupos poreacutem com formaccedilotildees cristais dos diferentes
tamanhos e formas bem como diferente distribuiccedilatildeo espacial As amostras com ataque acido
mostraram aumento da dimensatildeo fractal indicando maior preenchimento espacial das
formaccedilotildees cristais Por outro lado o tamanho dos cristais formados sua forma em termos da
compacidade e niacutevel de ramificaccedilatildeo e sua distribuiccedilatildeo espacial natildeo podem ser vinculados
aos tratamentos especiacuteficos Estudos futuros experimentais ldquoin vivordquo satildeo necessaacuterios para
elucidar a associaccedilatildeo entre a dimensatildeo fractal observada no trabalho atual e as propriedades
mecacircnicas e bioloacutegicas dos implantes realizados com estes procedimentos diferentes
Palavras chaves osseointegraccedilatildeo implantes biomateriais
9
ABSTRACT
The data available from animal and human subject studies suggest that enhancing the implant
surface topography is associated with increase of biocompatibility and the bone-implant
interface leading to their better interlock and therefore contributing to more rapid and more
lasting osseointegration With the objective of comparison of different implant surface
treatments the current study was conducted to evaluate the fractal dimension of crystal
structures formed during submersion in a corporal fluid simulator (CFS) of titanium implants
previously subjected to different combinations of surface treatment consisting of i) sand
blasting ii) acid attack and iii) calcium phosphate the combination of all three representing a
surface treatment method developed at the Federal University of Pernambuco (UFPE) A total
of 48 discs of diameter 5mm and heights 2mm were fabricated at the Department of
Mechanical Engineering divided in eight groups of six discs each Group A received the full
treatment composed of sand blasting acid and calcium phosphate group B was control (only
machined) and the other groups received partial treatments following the experimental multi
factor model Crystal formation occurred in all the groups however with crystal formations of
different size and form as well as different spatial distribution Samples with acid attack
demonstrated higher fractal dimension indicating a higher space filling of crystals formations
On the other hand the size of crystals their form in terms of compactness and ramification
level as well as their spatial distribution could not be associated with specific treatments
Further experimental ldquoin vivordquo studies are necessary to shed light on the association between
the fractal dimension observed in the current work and the mechanical and biological
properties of implants implemented using these different procedures
Key words osseointegration implants biomaterials
10
SUMAacuteRIO
1 INTRODUCcedilAtildeO 10
2 REVISAtildeO DA LITERATURA 12
21 Biocompatibilidade 12
22 Estrutura oacutessea 12
23 Titacircnio e a hidroxiapatita 12
24 Fractais 15
3 MATERIAL E MEacuteTODOhellip 16
31 Modelo experimental 16
32 Preparos dos corpos de Provas 16
33 Usinagem 16
34 Limpeza das amostras 16
35 Divisatildeo dos grupos 16
36 Tratamentos das superfiacutecies 17
361 Jateamento com oacutexido de Alumiacutenio 17
362 Ataque aacutecido 17
363 Fosfato de Caacutelcio 17
37 Preparaccedilatildeo do simulador de Fluiacutedos Corpoacutereos (SBF) 17
38 Meacutetodos de Avaliaccedilatildeo 18
381 Microscopia Eletrocircnica de Varredura (MEV) 18
382 Dimensatildeo Fractal 18
4 RESULTADOS E DISCUSSAtildeO 19
5 CONCLUSAtildeO 23
REFEREcircNCIAS 24
APEcircNDICE - Artigo submetido aacute publicaccedilatildeo na revista 27
11
1 INTRODUCcedilAtildeO
A osseointegraccedilatildeo representa um fator fundamental para o sucesso de implantes
dentaacuterios tendo como base o estabelecimento da estabilidade mecacircnica primaacuteria e fixaccedilatildeo
bioloacutegica posterior Ela poderaacute ser influenciada por vaacuterios fatores como arquitetura oacutessea
original e sua densidade o desenho do implante e o tratamento de superfiacutecie (ORSINI et al
2012)
O processo de tratamento de superfiacutecie eacute realizado apoacutes a usinagem depois de
remover resiacuteduos como oacuteleo e outros contaminantes As superfiacutecies com capacidade
osteoindutora preparadas com um processo que vai aleacutem de uma simples limpeza satildeo
comumente chamadas de ativas Os dados disponiacuteveis de estudos com animais e em seres
humanos sugerem que a topografia da superfiacutecie melhorada estaacute associada ao aumento da
biocompatibilidade e do contato osso-implante ocasionando um maior intertravamento com o
osso e dessa forma contribuindo para uma obtenccedilatildeo de uma integraccedilatildeo mais raacutepida e
duradoura
Vaacuterios meacutetodos para modificar a topografia das superfiacutecies dos implantes jaacute foram
introduzidos como revestimento com hidroxiapatita que usa o processo conhecido como
Titacircnio Plasma spray (TPS) abrasotildees com jateamento com oxido de titacircnio ou oxido de
alumiacutenio pulverizaccedilatildeo catoacutedica com fosfato de Caacutelcio anodizaccedilatildeo aleacutem do Laser Nd-Yag
segundo Braringnemark et al (2011) e diferentes meacutetodos quiacutemicos e bioloacutegicos como a adiccedilatildeo
de peptiacutedeos ( KAumlMMERER et al 2012)
O ataque aacutecido foi citado por vaacuterios autores como mecanismo uacutetil para promover
micro ranhuras que aumentariam a aacuterea de contato permitindo deposiccedilatildeo da matriz oacutessea
secretada pelos osteoblastos e posterior calcificaccedilatildeo Efeito sobre a densidade oacutessea foi
observado em estudos com diferentes superfiacutecies quando peptiacutedeos foram adicionados
(HAMLET et al 2012) Os aacutecidos mais utilizados satildeo cloriacutedrico sulfuacuterico fosfoacuterico e o
fluoriacutedrico onde dependendo da composiccedilatildeo tempo de contato e temperatura os resultados
poderatildeo ser diferentes O tratamento com aacutecidos na superfiacutecie de titacircnio em estudos com
cultura de ceacutelulas confirmou presenccedila de titacircnia anastase e maior proliferaccedilatildeo celular
(ZHANG et al 2010) O efeito da temperatura na formaccedilatildeo de cristais foi maior quando o
titacircnio foi submetido a tratamento teacutermico entre 400 e a 600ordm C (SULTANA et al 2009)
12
Os implantes satildeo avaliados macroscopicamente quanto a seu desenho enquanto para
a caracterizaccedilatildeo da topografia usa-se a microscopia eletrocircnica de varredura (MEV) a niacuteveis
micromeacutetricos e sub micromeacutetricos (PERROTTI et al 2011 CARNEIRO-CAMPOS et al
2010) e para a caracterizaccedilatildeo da composiccedilatildeo atocircmica usam-se Raios X (EDS) e a
cristalografia (PARK et al 2007 WENNERBERG et al 2009 NOVAES et al 2010 GAO
et al 2009)
Pelo menos cinco efeitos poderatildeo ser atribuiacutedos agrave formaccedilatildeo das rugosidades i) o
aumento da superfiacutecie junto ao osso adjacente ii) melhoria da fixaccedilatildeo celular ao titacircnio iii)
aumento da quantidade de osso junto ao implante iv) aumento da interaccedilatildeo biomecacircnica entre
o osso e o implante e v) processos inflamatoacuterios Peri implantares quando a rugosidade
apresenta-se na aacuterea trans mucosa (PERROTTI et al 2011) Poreacutem ainda natildeo existe
consenso geral tanto na literatura cientiacutefica quanto na pratica sobre quais tratamentos de
superfiacutecie de implantes resultariam em melhor e mais raacutepida osseointegraccedilatildeo e quais as
melhores propriedades dos implantes em relaccedilatildeo destes efeitos individuais Para contribuir
para o melhor entendimento desta questatildeo o objetivo deste estudo foi analisar ldquoin vitrordquo como
o tratamento da superfiacutecie no processo de fabricaccedilatildeo de implantes afetaria o processo de
formaccedilatildeo de cristais apoacutes imersatildeo no simulador de fluiacutedos corpoacutereos (SBF) Implantes de
titacircnio foram sujeitos agraves diferentes combinaccedilotildees de tratamento de superfiacutecie com i)
jateamento ii) ataque aacutecido e iii) fosfato de caacutelcio e depois de imersatildeo no SBF por 30 dias as
imagens da superfiacutecie obtidas por microscopia eletrocircnica foram sujeitas a analise fractal
13
2 REVISAtildeO DA LITERATURA
Osseointegraccedilatildeo eacute a uniatildeo estrutural e funcional entre o implante e o tecido oacutesseo
quando submetido a uma carga funcional (BRANEMARCK et al 1977) Vaacuterios fatores
poderatildeo interferir na forma e no tempo dessa integraccedilatildeo
21 Biocompatibilidade
Os materiais utilizados para fabricaccedilatildeo de implantes devem ter uma boa resistecircncia
mecacircnica elevada estabilidade quiacutemica excelente resistecircncia agrave corrosatildeo e
biocompatibilidade O titacircnio eacute usado extensivamente nos ossos como sistemas de ancoragem
implantes dentaacuterios e ortopeacutedicos bem como aplicaccedilotildees de osteossiacutentese (MARQUES 2007)
Nos implantes a cicatrizaccedilatildeo oacutessea sem a presenccedila de fibroses eacute desejaacutevel Fatores
relacionados agrave teacutecnica ciruacutergica desenho do implante com o seu respectivo tratamento de
superfiacutecie e fatores ligados ao paciente satildeo variaacuteveis que poderatildeo influenciar na sua
integraccedilatildeo
22 Estrutura oacutessea
A densidade oacutessea eacute um fator importante na longevidade dos implantes independente
da regiatildeo na arcada dentaacuteria baseado em caracteriacutesticas macroscoacutepicas da cortical e do
trabeculado oacutesseo (Misch 1998) classificou em cinco tipos de osso
D1 Osso cortical denso (gt 1250 UH)
D2 Apresenta cortical denso e osso trabeculado grosso (850 a 1250 UH)
D3 Cortical oacutessea fina e trabeculado fino (350 a 850 UH)
D4 Osso trabecular fino (150 a 350 UH)
D5 Osso natildeo-mineralizado imaturo (lt 150 UH)
onde UH satildeo unidades da escala de Hounsfield (com valores -1000 para ar 0 para aacutegua e
3000 para dentes)
23 Titacircnio e a hidroxiapatita
Verick (2003) verificou o meacutetodo de biomimetizaccedilatildeo de superfiacutecie de titacircnio
comercialmente puro (Ti-cp) tratado com hidroacutexido de soacutedio e colocado no SBF super
saturado e observou apoacutes 24 horas alguns tipos de apatitas precipitadas sobre o substrato
14
juntamente com a fase cristalina da hidroxiapatita e comparou com o difratograma de uma
mandiacutebula humana onde observou-se a semelhanccedila dos picos Concluiu que no processo de
nucleaccedilatildeo lento a fase majoritaacuteria encontrada foi a hidroxiapatita As outras fases presentes
apareceram em pequenas quantidades sendo a proacutexima fase da maior presenccedila fosfato
octacaacutelcico
Titacircnio comercialmente puro e suas ligas como Ti-6Al-4V satildeo usadas em cirurgias
ortopeacutedicas O moacutedulo de elasticidade do titacircnio e da liga Ti6Al4V variaria entre 100 e
120GPa e do osso entre 10 e 30GPa A diferenccedila do moacutedulo de elasticidade da proacutetese e do
osso seria desfavoraacutevel para o remodelamento oacutesseo Para resolver este problema e melhorar
as propriedades mecacircnicas e bioloacutegicas novas ligas de titacircnio foram desenvolvidas para
aplicaccedilotildees biomeacutedicas O meacutetodo normal para se conseguir um melhor desempenho das ligas
de titacircnio quanto agraves propriedades mecacircnicas e bioloacutegicas seria modificar sua composiccedilatildeo
Alguns elementos como NbTa Mo e Zr Fe Cr e Sn usualmente adicionados nas ligas de
titacircnio para formar completa ou parcialmente a estrutura que possuem baixo moacutedulo de
elasticidade e contribuem para diminuir a diferenccedila entre o moacutedulo de elasticidade da liga e
do osso Aleacutem disso certos elementos de liga como Cu Co Ni e Si satildeo utilizados para
aumentar a resistecircncia mecacircnica das ligas Nos estudos comparativos com quatro superfiacutecies
tratadas com aacutecidos fluoretos e apenas usinada as anodizadas mostraram melhores resultados
de deposiccedilatildeo de iacuteons (MARQUES 2007)
A Hidroxiapatita sintetizada eacute um dos materiais mais atrativos para uso como
biomaterial devido a sua similaridade composicional e bioloacutegica com a fase inorgacircnica do
osso humano A estrutura da HA permite substituiccedilotildees catiocircnicas e aniocircnicas isomorfas com
facilidade as quais poderatildeo alterar a cristalinidade a morfologia e os paracircmetros de rede A
estabilidade a bioatividade e a biocompatibilidade do material obtido Tais caracteriacutesticas
positivas podem ser explicadas pela natureza quiacutemica por serem formados basicamente por
iacuteons caacutelcio e fosfato participam ativamente do equiliacutebrio iocircnico entre o fluido bioloacutegico e a
ceracircmica Uma forma conveniente de classificar os vaacuterios fosfatos de caacutelcio eacute pela sua razatildeo
molar CaP que pode variar de 05 a 20 A solubilidade eacute uma das mais importantes
propriedades dos compostos de fosfato de caacutelcio Esta biocompatibilidade favorece o
crescimento oacutesseo para os locais em que a HA se encontra Estabelecendo ligaccedilotildees de
natureza quiacutemica entre ela e o tecido oacutesseo (bioativo) permitindo a proliferaccedilatildeo de
fibroblastos osteoblastos e outras ceacutelulas oacutesseas as quais natildeo a distinguem da superfiacutecie
oacutessea o que indica a grande similaridade quiacutemica superficial (GOUVEIA 2008)
15
O tratamento teacutermico da superfiacutecie pode induzir aumento da nucleaccedilatildeo dos cristais de
hidroxiapatita como mostrado pelo Ling e colaboradores (GAO et al 2009) As superfiacutecies
tratadas com ataque aacutecido e anodizaccedilatildeo foram submetidas a tratamento teacutermico a 450ordm C por 6
horas Foram observados cristais de anatase medindo em torno de 20 nm e em seguida as
amostras com e sem tratamento teacutermico foram colocadas em 15 SBF por 7 dias e avaliados
em termos de nucleaccedilatildeo dos cristais
Superfiacutecie tratada por laser tambeacutem pode apresentar melhor fixaccedilatildeo da interface osso-
implante como mostrado (BRAringNEMARK et al 2011) a niacutevel micro e nano escala em
estudos em tiacutebia de coelho com o objetivo de avaliar a resposta biomecacircnica e histoloacutegica de
implantes de titacircnio tratados por laser em comparaccedilatildeo com os implantes apenas usinados
Verificaram que apoacutes 8 semanas tiveram um aumento de 250 no torque de remoccedilatildeo para
superfiacutecies tratadas com laser em relaccedilatildeo as apenas maquinadas Concluiacuteram que existiu uma
melhor fixaccedilatildeo da interface osso-implante promovida por alteraccedilotildees em micro e nano-escala
da topografia da superfiacutecie do implante
Em outro recente experimento ldquoin vivordquo (ORSINI et al 2012) a superfiacutecie tratada
com jateamento e ataque aacutecido (SLA) apresentou maior osteocondutividade quando
comparada com a superfiacutecie natildeo tratada verificando que houve maior deposiccedilatildeo de novo osso
na superfiacutecie de titacircnio
Implantes revestidos com Hidroxiapatiata (HA) reagem de uma maneira direta com
o tecido oacutesseo em cinco fases distintas i) com a dissoluccedilatildeo de HA ii) a precipitaccedilatildeo de
apatita iii) trocas iocircnicas acompanhada por absorccedilatildeo e incorporaccedilatildeo de moleacuteculas bioloacutegicas
iv) a ligaccedilatildeo de ceacutelulas proliferaccedilatildeo e diferenciaccedilatildeo em osteoblastos e v) a formaccedilatildeo da
matriz extra celular e mineralizaccedilatildeo Para que esses efeitos em cascata ocorram a dissoluccedilatildeo
do revestimento de HA representa um passo fundamental Esta dissoluccedilatildeo eacute citada como um
requisito importante para induzir a precipitaccedilatildeo da hiroxiapatita sobre a superfiacutecie do implante
(TAPASH et al 2011) O tratamento quiacutemico dos biomateriais poderaacute apresentar alto impacto
na ativaccedilatildeo plaquetaacuteria Mais especificamente o adesivo sequecircncia peptiacutedica ceacutelula bioativo
Arg-Gli-Asp (RGD) desencadeia a ativaccedilatildeo plaquetaacuteria mediada pelo receptor de integrina
aIIbb3 Deste modo as superfiacutecies tratadas com substacircncias biomimeacutetica (peacuteptidio RGD
imobilizado) poderiam aumentar no iniacutecio ativaccedilatildeo de plaquetas e da cicatrizaccedilatildeo oacutessea junto
ao implante (KAumlMMERER et al 2012)
16
24 Fractais
O termo fractal foi introduzido por Benoit Mandelbrot (MANDELBROT 1983) para
descrever geometria dos sistemas naturais formados pelos processos estocaacutesticos longe do
equiliacutebrio Como exemplos desses sistemas podem-se citar as aacutervores ramificadas linhas
costeiras nuvens poliacutemeros estruturas cardiopulmonares (rede arterial aacutervore
traqueobronquial) etc (MANDELBROT 1983 BASSINGTHWAIGHTE et al 1994) A
diferenccedila entre a geometria fractal e a geometria euclidiana eacute que fractais possuem dimensatildeo
natildeo inteira (fracionaacuteria) e propriedade de auto-similaridade (partes do objeto se assemelham ao
objeto como todo) Os exemplos citados representam fractais estocaacutesticos e possuem a
propriedade de auto-similaridade em sentido estatiacutestico dentro de um intervalo de escala onde
o limite inferior representa a dimensatildeo das componentes elementares (eg partiacuteculas) do
sistema e o limite superior representa a dimensatildeo linear do sistema Durante ultimas deacutecadas o
conceito fractal foi amplamente utilizado para descrever a complexidade dos sistemas
fisioloacutegicos tanto na analise das imagens medicas quanto na analise dos sinais fisioloacutegicos e
mostrou se eficiente em diferenciaccedilatildeo entre os casos saudaacuteveis e patoloacutegicos Os exemplos
incluem osteoporoses (ZAIA et al 2006) enfisema pulmonar (CHUNG e HUANG 2000)
doenccedilas degenerativas neuroloacutegicas (WU et al 2010) alteraccedilotildees em vascularizaccedilatildeo da retina
(STOSIC 2006) doenccedilas cardiovasculares (IVANOV et al 1999) entre outros
O potencial da analise fractal tambeacutem foi explorado na odontologia (SAacuteNCHEZ e
UZCAacuteTEGUI 2011 UPDIKE e NOWZARI 2008) Nos uacuteltimos anos a dimensatildeo fractal foi
utilizada para descrever a rugosidade da superfiacutecie do implante sendo uacutetil para quantificaccedilatildeo
das diferenccedilas entre as superfiacutecies dos implantes obtidas utilizando diversos tratamentos
(PEROTTI et al 2011 LEZZI et al 2012 EHRENFEST et al 2011)
17
3 MATERIAL E MEacuteTODO
Este estudo foi planejado uma anaacutelise multifatorial tendo como objetivo analisar
diferentes tratamentos da superfiacutecie de implante em relaccedilatildeo agrave deposiccedilatildeo de Hidroxiapatita que
eacute considerado um fator relevante pela literatura especializada
31 Modelo experimental
Foi desenvolvido um modelo ldquoin vitrordquo utilizando simulador de fluiacutedos corpoacutereos onde
as amostras foram submergidas por 30 dias e em seguida analisadas por microscopia eletrocircnica
32 Preparos dos Corpos de Provas
O titacircnio foi adquirido atraveacutes da Empresa Tinbrazil barras medindo 6 mm de
diacircmetro por 1 metro de comprimento com laudo de certificaccedilatildeo emitido pela importadora
acima Como sendo titacircnio grau II Ti-6Al-4V conforme a ASTM usados na fabricaccedilatildeo de
implantes dentaacuterios
33 Usinagem
Foi utilizado torno computadorizado marca ROMI com ferramentas de corte
fabricadas em ceracircmica no Departamento de Engenharia Mecacircnica da Universidade Federal
de Pernambuco A vareta foi reduzida em 86 discos medindo 5 mm de diacircmetro e 2 mm de
altura As amostras foram levadas para tratamento de superfiacutecie no laboratoacuterio de
Farmacognosia do Departamento de Ciecircncias Farmacecircuticas da UFPE
34 Limpeza das amostras
As amostras foram lavadas com hexano por 10 minutos em ultrassom O solvente foi
desprezado em recipiente apropriado As amostras foram colocadas em um Becker de vidro
colocados em estufa a 80ordm C por 10 minutos
35 Divisatildeo dos grupos
Os grupos foram divididos seguindo o Planejamento Fatorial de 23
satildeo apresentados na
Tabela 1
18
Tabela 1 ndash Organizaccedilatildeo dos grupos
Jateamento Ataque aacutecido Fosfato de caacutelcio
Grupo A Sim Sim Sim
Grupo B Natildeo Natildeo Natildeo
Grupo C Sim Natildeo Sim
Grupo D Sim Sim Natildeo
Grupo E Natildeo Natildeo Sim
Grupo F Natildeo Sim Natildeo
Grupo G Natildeo Sim Sim
Grupo H Sim Natildeo Natildeo
36 Tratamentos das superfiacutecies
361 Jateamento com Oacutexido de Alumiacutenio
Foi realizado utilizando oacutexido de alumiacutenio com granulaccedilatildeo meacutedia agrave 80 libras com o
jato direcionado a superfiacutecies dos discos por 10 segundos em cada lado
362 Ataque aacutecido
A segunda etapa foi o ataque aacutecido cuja composiccedilatildeo foi aacutecido cloriacutedrico 59 + 1
de aacutecido fluoriacutedrico e 40 de aacutegua destilada acondicionado em recipiente de polietileno ateacute
momento do uso Em um Becker de 50 ml foram colocados 20 ml do aacutecido por um (01)
minuto
363 Fosfato de Caacutelcio
Foi desenvolvida uma pasta contendo proporccedilatildeo de 13 de aacutegua e fosfato de caacutelcio
terciaacuterio No final da segunda etapa o excesso de aacutecido eacute desprezado e a pasta eacute adicionada ao
Becker onde permanece no ultrassom por 20 minutos Apoacutes a lavagem o material foi
colocado em recipiente de vidro seco em estufa a 40 C por 1 hora armazenados em tubos
tipo Ependorf e encaminhados para as anaacutelises
37 Preparaccedilatildeo do Simulador de Fluiacutedos Corpoacutereos (SBF)
Foi preparado conforme meacutetodo de Kokubo e Takadama (2006) no laboratoacuterio de
Farmacognosia Departamento de Ciecircncias Farmacecircuticas da UFPE
19
Tabela 2 - Composiccedilatildeo quiacutemica do SBF proposta por Kokubo e Takadama (2006)
Reagentes Quantidade Pureza
NaCl 8055 g 995
NaHCO3 0355 g 995
Kcl 0225 g 995
K2PO4 3H2O 0231 g 990
MgCl2 6H2O 0311 g 980
10 M- HCl 39 ml -----------
CaCl2 0292 g 950
NaSO4 0072 g 990
Tris 6118 g 990
10 M HCl 0-5ml ------------ Hidroximetil aminometano
38 Meacutetodos de Avaliaccedilatildeo
381 Microscopia Eletrocircnica de Varredura (MEV)
Para analise da superfiacutecie das amostras foi utilizada microcopia eletrocircnica de varredura
(MEV) JEOL 5600 LV (Japan) voltagem de 10 kV do Departamento de Fiacutesica da UFPE
Foram analisadas em arquivos digitais trecircs campos visuais diferentes para cada disco
Para cada grupo foram avaliados 3 discos totalizando nove aacutereas por grupo Em cada campo
foram obtidas imagens de 200x 1000x e 15000x para anaacutelises comparativas
382 Dimensatildeo Fractal
Existem vaacuterios meacutetodos para o caacutelculo de dimensatildeo fractal como contagem de caixas
(ldquobox countingrdquo) meacutetodo massa-raio (ldquomass-radius methodrdquo) e meacutetodo de correlaccedilatildeo
densidade-densidade (ldquodensity-density correlation function methodrdquo) O meacutetodo contagem de
caixas eacute mais utilizado e consiste em cobrir a estrutura com uma grade de caixas com arestas
de tamanho l e contar o nuacutemero N(l) de caixas que conteacutem pelo menos uma partiacutecula do
sistema Reduz-se sucessivamente o tamanho das caixas e mede-se para cada tamanho o
numero de caixas N(l) nos quais existe pelo menos um ponto do sistema A dimensatildeo fractal eacute
definida pela equaccedilatildeo
de onde segue
Assim traccedila-se um graacutefico do logaritmo de N(l) em funccedilatildeo do logaritmo de 1l e determina-se
a dimensatildeo fractal pela inclinaccedilatildeo do graacutefico (BASSINGTHWAIGHTHE et al 1994)
fDllN
~)(
)1log(~)(log lDlN f
20
4 RESULTADOS E DISCUSSAtildeO
A Figura 3 mostra os cristais formados depois submersatildeo dos implantes em Simulador
de Fluiacutedos Corpoacutereos (SBF) por 30 dias obtidas com auxilio da Microscopia Eletrocircnica de
Varredura Observam-se as formas diferentes dos cristais (cristais grandes ou pequenos
distribuiacutedos uniformemente ou agrupados simples ou ramificados) para diferentes
tratamentos da superfiacutecie dos implantes A forma e a distribuiccedilatildeo espacial dos cristais
formados por SBF refletem o processo de osseointegraccedilatildeo e indicam que uma analise das
propriedades geomeacutetricas destas estruturas para vaacuterios tipos de tratamento da superfiacutecie dos
implantes poderia providenciar informaccedilotildees importantes para avaliaccedilatildeo da qualidade do
implante
A dimensatildeo fractal das imagens dos cristais formados por SBF nas superfiacutecies dos
implantes foi calculada para diferentes tratamentos da superfiacutecie As imagens da Figura 3
foram binarizadas como apresentado na Figura 4 e em seguida a dimensatildeo fractal foi
calculada utilizando o pacote FracLac do software gratuito ImageJ com meacutetodo ldquoBox
countingrdquo Os resultados destes caacutelculos satildeo apresentados na Tabela 3
21
Com jateamento Sem jateamento
Com
ata
que
aacutecid
o
Com
fosf
ato d
e caacute
lcio
S
em f
osf
ato d
e caacute
lcio
Sem
ata
que
aacutecid
o
Com
fosf
ato d
e caacute
lcio
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
Figura 3 Imagens das formaccedilotildees cristalinas nas superfiacutecies das amostras A-H
22
Figura 4 Imagens binarizadas das formaccedilotildees cristalinas nas superfiacutecies das
amostras A-H
Com jateamento
Sem jateamento
Com
ata
que
aacutecid
o
C
om
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
ata
que
aacutecid
o
C
om
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
23
Tabela 3 Dimensatildeo Fractal (desvio padratildeo) das imagens binarizadas apresentadas na Fig 4
Com aacutecido Sem aacutecido
Com fosfato
de caacutelcio
Sem fosfato
de caacutelcio
Com fosfato
de caacutelcio
Sem fosfato
de caacutelcio
Com jateamento 1859 (0014) 1930 (0015) 1693 (0011) 1903 (0014)
Sem jateamento 1920 (0015) 1845 (0013) 1881 (0014) 1687 (0012)
Na Tabela 3 observa-se a maior dimensatildeo fractal dos cristais formados na superfiacutecie
dos implantes tratados com aacutecido do que em tratamentos sem aacutecido indicando maior
preenchimento espacial dos cristais Este resultado pode ser explicado pelo fato que o
tratamento com acido produz uma superfiacutecie de maior rugosidade aumentando a aacuterea de
contato que pode causar uma deposiccedilatildeo maior e mais uniforme As superfiacutecies apenas
maquinadas que natildeo receberam nenhum tratamento tambeacutem apresentaram as formaccedilotildees de
cristais apoacutes imersatildeo no SBF por 30 dias poreacutem em quantidades aparentemente menores
resultando em menor dimensatildeo fractal (1687) do que para as superfiacutecies com tratamentos
diferentes
24
5 CONCLUSAtildeO
A dimensatildeo fractal das imagens dos implantes de titacircnio submetidos agraves diferentes
combinaccedilotildees dos tratamentos da superfiacutecie e submersos em Simulador de Fluiacutedos Corpoacutereos
por 30 dias varia entre Df=168 ate Df=193 refletindo a complexidade da formaccedilatildeo cristal
caracterizada por pequenos ou grandes cristais depositados localmente ou de forma uniforme
com geometria simples ou dendritica dependendo da combinaccedilatildeo dos tratamentos A menor
dimensatildeo fractal de Df=168 foi obtida para amostras sem tratamento nenhum enquanto a
maior dimensatildeo fractal de Df=193 foi obtida para amostras com jateamento e ataque aacutecido
(sem fosfato de caacutelcio) Ataque aacutecido foi identificado como uacutenico dos tratamentos que leva
sistematicamente ao aumento da dimensatildeo cristal enquanto o tamanho e a distribuiccedilatildeo
espacial dos cristais formados demonstram grande diversidade sem aparente dependecircncia em
nenhum dos tratamentos Estudos sistemaacuteticos ldquoin vivordquo satildeo necessaacuterios para estabelecer
quais combinaccedilotildees destes tratamentos de superfiacutecie geram implantes mais biologicamente
estaacuteveis e mecanicamente robustos e como estas propriedades podem ser associadas com a
dimensatildeo fractal dos cristais depositados
25
REFEREcircNCIAS
BARROS NETO B SCHARMINIO I E BRUNS R E Como Fazer experimentos
Pesquisa e desenvolvimento na ciecircncia e na Induacutestria 2 ed- Campinas-SP Editora
Unicamp 2003
BASSINTHWAITGHT JB LIEBOVITCH LS BRUCE JW Fractal physiology New
York Oxford American Physiological Society 1994
BRAringNEMARK R et al Bone response to laser-induced micro- and nano-size titanium
surface features Nanomedicine v 7 n 2 p 220-227 2011
BRAringNEMARK PI et al Osseointegreated implants in the treatment of edentulous jaw
Experience from a 10- year period Scand J Plast Reconst Surg Suppl v 16 p 1-132
1977
CARNEIRO-CAMPOS LE et al The effect of titanium topography features on mesenchymal
human stromal cells adhesion Clin Oral Implants Res v 21 n 2 p 251-254 2010
CHUNG H-W HUANG Y-H Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the
Diagnosis of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology v 174 p
1055-1059 2000
EHRENFEST D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol v 37 p 506-509 2011
GAO L et al MicroNanostructural Porous Surface on Titanium and Bioactivity J Biomed
Mater Res Part B Appl Biomater v 89B n 2 p 335ndash341 2009
GOUVEIA DS Obtenccedilatildeo de poacutes nanomeacutetricos de hidroxiapatita sintetizados com
magneacutesio utilizando ultra-som Tese Instituto de Pesquisas Energeacuteticas e Nucleares S
Paulo 2008
HAMLET S et al The effect of hydrophilic titanium surface modification on macrophage
inflammatory cytokine gene expression Clin Oral Implants Res v 23 n 5 p 584-90
2012
IVANOV PCH et al Multifractality in Human Heartbeat Dynamics Nature v 399 p
461-465 1999
KAumlMMERER PW et al Early implant healing promotion of platelet activation and
cytokine release by topographical chemical and biomimetical titanium surface modifications
in vitro Clin Oral Implants Res v 23 n4 p 504-10 2012
26
KOKUBO TTAKADAMA H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
BIOMATERIALS v 27 n 15 p 2907-2915 2006
LEZZIG et al Implant surface topographies analyzed using fractal dimension Implant
Dent v 20 p 131-138 2012
MANDELBROT BB How long is the coast of Britain Statistical self-similarity and
fractional dimension Science 156 1967 636-638
MANDELBROT BB The Fractal Geometry of Nature New York 1983
MARQUES C Tratamento de superfiacutecies de implantes de titacircnio Dissertaccedilatildeo de
Mestrado apresentada ao Curso de Mestrado em Ciecircncia dos Materiais do Instituto Militar de
Engenharia (IME) 2007
MISCH CE Misch bone density classification In Misch CE ed Contemporary Implant
Densitry 113-114 St Luis Mosby Inc 2009
NOVAES ABJR et al Influence of Implant Surfaces on Osseointegration Braz Dent J v
21 n 6 p 471-481 2010
ORSINI E et al Early Healing Events around Titanium Implant Devices with Different
Surface Microtopography A Pilot Study in an In Vivo Rabbit Model The Scientific World
Journal 349042 2012
PARK S et al The Effect of Fluoride Treatment on Titanium Treated with Anodic Spark
Oxidation Metals and Materials International v 13 n 2 p 117-122 2007
PERROTTI V et al Fractal Analysis A Novel Method to Assess Roughness Organization of
Implant Surface Topography International Journal of Periodontics amp Restorative
Dentistry v 31 n 6 p 633-639 2011
SAacuteNCHEZ I UZCAacuteTEGUI G Fractals in dentistry Journal of Dentistry v 39 n 4 p
273-292 2011
STOSIC T STOSIC B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels IEEE
Transactions on Medical Imaging v 25 p 1101-1107 2006
SULTANA R et al Effects of heat treatment on the bioactivity of surface-modified titanium
in calcium solution Biomed Mater Eng v 19 n 2 p 193-204 2009
TAPASH RR NARAYANAN R KIM K-H Ion implantation of titanium based
biomaterials Progress in Materials Science v 56 n 8 p 1137-1177 2011
27
UPDIKE SX NOWZARI H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res v 43 n 6 p 658-664 2008
WENNERBERG A ALBREKTSSON T Effects of titanium surface topography on bone
integration a systematic review Clin Oral Implants Res v 20 n 4 p 172-84 2009
WUY-T et al Fractal dimension analysis for quantifying cerebellar morphological change
of multiple system atrophy of the cerebellar type (MSA-C) NeuroImage v 49 n 1 p 539-
551 2010
ZAIA A et al MR imaging and osteoporosis fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute
IEEE Trans Inf Technol Biomed v 10 n 3 p 484-489 2006
ZHANG F et al Cell response of titanium implant with a roughened surface containing
titanium hydride an in vitro study J Oral Maxillofac Surg v 68 n 5 p 1131-1139 2010
28
APEcircNDICE
Artigo submetido agrave publicaccedilatildeo na revista
Fractal measure and microscopic modeling of osseointegration
Leonardo Cavalcanti Bezerra dos Santos1 Alessandra de Albuquerque Tavares Carvalho
1
Borko Stosic2 Tatijana Stosic
2 Paulo Jose Duarte Neto
2
1Departamento de Cliacutenica e Odontologia Preventiva Universidade Federal de Pernambuco
Quarta Travessa Artur de Saacute sn Cidade Universitaacuteria 50670-901 Recife PE Brazil
2Departamento de Estatiacutestica e Informaacutetica Universidade Federal Rural de Pernambuco
Rua Dom Manoel de Medeiros sn Dois Irmatildeos 52171-900 Recife PE Brazil
Abstract
In this work the process of osseointegration on titanium implant surfaces with
different physicochemical treatment subjected to a simulated corporal fluid
submersion is evaluated using the concept of fractal dimension It is found that
different treatments lead to rather different calcium phosphate crystal growth
patterns with fractal dimension ranging from Df=168 to Df=193 The
observed crystal patterns may be explained by a general deposition- diffusion-
aggregation growth mechanism where diffusing particle sticking probability
plays a fundamental role
Key words dental implants osseointegration fractal dimension
Introduction
Practical techniques enhancing implant osseointegration represent a fundamental
research topic not only in dentistry but also in other diverse areas of medicine and veterinary
sciences where bone implants or bone restoration is applied [1-3] While great advances in
this direction have undoubtedly been made over the past decades the full understanding is
still lacking on the effects of different implant surface physicochemical treatments as well as
on the microscopic mechanisms of the posterior osseointegration process [4]
Fractal dimension is a novel concept that has been increasingly employed in diverse
areas of knowledge for quantifying the complexity of natural phenomena ranging from
coastlines [5] and shape of volcanic ash particles [6] bronchial tree [7] and neurons [8]
Fractals are in fact commonly found in nature being characterized by scale invariance and
29
self-similarity During the last decades fractal analysis was used in studying diverse
phenomena in physiology and medicine including pulmonary emphysema [9] osteoporoses
[10] retinal blood vessels [11] and heart rate [12] The potential of fractal analysis was also
explored in dentistry [1314] Recently fractal dimension was used to quantify the surface
roughness of dental implants and shown to be promising to differentiate between topological
properties of dental implant surfaces obtained with different treatments [151617]
In this work we follow up on recent studies [15-17] as to how one may employ fractal
analysis to assess roughness organization of implant surface topology Rather than
concentrating on the implant surface properties subject to different physicochemical treatment
processes [15] here we put the emphasis on the results of simulated body fluid submersion
representing a step forward in understanding of implant osseointegration
Materials and Methods
Machined titanium implant samples were first subjected to different combinations of
a) sand blasting with aluminum oxide b) treatment with hydrofluoric acid and c) treatment
with calcium phosphate [18] after which they were submersed in a simulated body fluid [19]
for thirty days Magnified images of these samples were then acquired through scanning
electron microscopy as shown in Fig1 and subjected to image analysis
As opposed to fractal analysis performed in [15] to find the fractal dimension here we
only binarize the images as shown in Fig2 without skeletonization since we are interested in
crystal formation and it was found that skeletonization introduces artefacts (local networks of
lines) not apparent in the original crystal structure There are various methods for fractal
dimension calculation among which the box-counting method is perhaps the most widely
used because of its simplicity and robustness [20] It proceeds as follows Cover the structure
with a grid of size r and count the number of nonempty grid boxes )(rn Repeat this
procedure for different grid size for fractal self-similar structures 0~)(D
rrn
Box-counting
dimension is defined as
)1log(
)(loglim
0 r
rnD
rf
and can be estimated as the slope of the linear regression of )(log rn versus )1log( r We
calculate fractal dimension using the box counting method implemented in the FracLac
Package of open source software ImageJ
30
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid
tre
atm
ent
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 1 Electron microscope images of samples with different treatment after
submersion in simulated body fluid
31
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid t
reat
men
t
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 2 Same images as in Fig1 after binarization
32
Results and Discussion
It is seen on Fig1 that different combinations of implant surface treatment lead to
rather different crystal pattern formation during the simulated body fluid submersion No clear
conclusions can be drawn as to the size of spatial distribution of formed crystals
corresponding to any single treatment rather it is the combinations of these procedures that
lead to specific resulting structures Large and small crystals uniformly or locally deposited
of simple or dendritic shape are found for different treatment combinations and further in
vivo studies are necessary to determine which of these provide more robust implants with
best mechanical properties
In line with the previous study [15] that has motivated the current work we calculate
the fractal dimension of binarized images shown in Fig2 with the results presented in Table
1 The obtained fractal dimension values vary between Df=168 and Df=193 indicating the
potential of this method to quantify spatial complexity of formed crystals for different implant
surface treatments It is seen from Table 1 that in general the fractal dimension of implant
surface after submersion in SBF tends to be greater in the cases of treatment with acid
(keeping the same combination of sand blasting and calcium phosphate coating) that reflects
the fact that acid etching produces micro pits on titanium surface that greatly enhance
osseointegration [4] The highest value of fractal dimension (193) is obtained for the implant
treated by sand blasting and acid etching indicating that the surface roughness produced by
this treatment results in more uniform and more space filling crystal deposits The fractal
dimension of surfaces treated only by sand blasting acid etching and calcium phosphate are
1903 1845 and 1881 respectively and they are significantly higher than the fractal
dimension of untreated surface (1687) confirming the role of implant surface chemistry and
topology in the process of osseointegration Although our results show that surface topology
of treated implants has higher fractal dimension than that of untreated implants it is still not
clear which treatment or combination of treatments produces the best surfaces for
osseointegration It is also seen from Table 1 that the fractal dimension is higher for all of the
treated surfaces in comparison with the surface without any treatments (with the smallest
fractal dimension value) which reflects the fact that all these treatments produce surface
effects that favorably influence the complexity of the final crystal structure On the other
hand there is no clear evidence as to how these values may be associated with the quality of
implants without further in vivo experiments
33
Table 1 Fractal dimension (standard deviation) of binarized images shown in Fig2
Acid treatment No acid
Calcium
phosphate
No calcium
phosphate
Calcium
phosphate
No calcium
Phosphate
Sand blasted 1859 (0014) 1930 (0015) 1693 (0011) 1903 (0014)
No sand blasting 1920 (0015) 1845 (0013) 1881 (0014) 1687 (0012)
The current study suggests that a general Deposition Difusion Aggregation (DDA)
model [21] may be used to describe crystal formation in the different scenarios covered in the
present work One may perceive that the molecules present in the solution deposit on the
implant surface and move along this surface until they reach other such molecules andor
already crystallized formations where they become incorporated into the crystal structure
The concentration of the (in the current experiment simulated corporal) fluid determines the
flux of deposition and the mobility of the molecules (and perhaps larger molecular
agglomerates) is governed by the topology (roughness) of the implant surface It is well
known [21] that the flux and mobility of aggregate particles lead to rather different deposition
patterns ranging from many uniformly distributed small DLA (Diffusion Limited
Aggregation) like crystals to large dendritic structures and the DDA model apparently
represents an excellent candidate to describe the diversity of observed crystal patterns seen
on the electron microscope images of Fig 1
Conclusion
We apply fractal analysis on binarized scanning electron microscopy images of the
surface of titanium implants that were first subjected to different treatment combinations of i)
sand blasting ii) acid etching and iii) exposition to calcium phosphate and were then
submersed in a simulated corporal fluid for thirty days The obtained fractal dimension values
vary between Df=168 to Df=193 reflecting the complexity and space filling property of the
final crystal structure characterized by large and small crystals uniformly or locally
deposited of simple or dendritic shape that were found for different treatment combinations
Further in vivo studies are necessary to determine how these values may be associated with
the quality of implants
34
References
[1] Albrektsson T Sennerby L Wennerberg A State of the art of oral implants Periodontol
2000 2008 47 15-26
[2] Wazen JJ Gupta R Ghossaini S Spitzer J Farrugia M Tjellstrom A
Osseointegration timing for Baha system loading Laryngoscope 2007 117 794-796
[3] Palmquist A Jarmar T Emanuelsson L Braringnemark R Engqvist H Thomsen P
Forearm bone-anchored amputationprosthesis a case study on the osseointegration Acta
Orthop 2008 79 78-85
[4] Le Gueacutehennec L Soueidan A Layrolle P Amouriq Y Surface treatments of titanium
dental implants for rapid osseointegration Dental Materiasl 2007 23 844-854
[5] Mandelbrot BB The Fractal Geometry of Nature New York Freeman 1983 25
[6]Dellino PLiotino G The fractal and multifractal dimension of volcanic ash particles
contour a test study on the utility and volcanological relevance Journal of Volcanology and
Geothermal Research 2002 113 1-18
[7] Majumdar A Alencar AM Buldyrev SV Hantos Z Lutchen KR Stanley HE Suki B
Relating airway diameter distributions to regular branching asymmetry in the lung Phys Rev Lett 2005 95 168101
[8] Jelinek HF Fernandez E Neurons and fractals how reliable and useful are calculations of
fractal dimensions Journal of Neuroscience Methods 1998 81 9 ndash 18
[9] Chung HW HUANG YH Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the Diagnosis
of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology 2000 174 1055-1059
[10] Zaia A Eleonori R Maponi P Rossi R Murri R MR imaging and osteoporosis
fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute IEEE Trans Inf Technol Biomed 2006 10
484-489
[11] Stosic T Stosic B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels EEE Transactions
on MIedical Imaging 2006 25 1101-1107
[12] Goldberger AL Amaral LAN Hausdorff JM Ivanov PCh Peng CK Stanley
HE Fractal dynamics in physiology Alterations with disease and aging PNAS 2002 99
2466-2472
[13] Saacutenchez I Uzcaacutetegui G Fractals in dentistry Journal of Dentistry 2011 39 273-292
[14] Updike SX Nowzari H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res 2008 43 658-664
[15] Perotti V Aprile G Degidi M Piatelli A Lezzi G Fractal analysis a novel method to
assess roughness organization of implant surface topography Int J Peridontic Restorative
Dent 2011 31 633-639
[16] Ehrenfest D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol 2011 37 506-509
35
[17] Lezzi G Aprile G Tripodi D Scarano A Piatelli A Perotti V Implant surface
topographies analyzed using fractal dimension Implant Dent 2012 20 131-138
[18] Guo CY Tang ATH Matinlinna JP Insights into surface treatment methods of titanium
dental implants Journal of Adhesion Science amp Technology 2012 26 189ndash205
[19] Kokubo T Takadama H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
Biomaterials 2006 27 2907-2915
[20] Theiller J Estimating fractal dimension J Opt Soc Am 1990 7 1055-1073
[21] P Jensen A-L Barabaacutesi H Larralde S Havlin H E Stanley Model incorporating
deposition diffusion and aggregation in submonolayer nanostructures Phys Rev E (1994)
50 618ndash621
6
ldquoTenho a impressatildeo de ter sido uma crianccedila brincando a beira mar divertindo-me em
descobrir uma pedrinha mais lisa ou uma concha mais bonita que as outras enquanto o
imenso oceano da verdade continua misterioso diante dos meus olhosrdquo (Isaac Newton)
7
AGRADECIMENTOS
Agrave professora Dra Alessandra de Albuquerque Tavares Carvalho pela paciecircncia na orientaccedilatildeo
e incentivo que tornaram possiacutevel a conclusatildeo desta Tese
Ao Prof Dr Borko Stosic e sua esposa Profa Dra Tatijana Stosic Fiacutesicos e Coordenadores
do Departamento de Estatiacutestica e Informaacutetica da UFRPE Pelos ensinamentos dos princiacutepios
fundamentais da natureza e delinearam este trabalho
Ao Amigo Bioacutelogo Sergio Santos do Departamento de Fiacutesica da UFPE cuja colaboraccedilatildeo foi
imprescindiacutevel para conclusatildeo desses estudos
Ao Professor Dr Severino Alves Junior Coordenador do Laboratoacuterio de Terras raras do
Departamento de Quiacutemica da UFPE Pela dedicaccedilatildeo e orientaccedilatildeo do modelo experimental
Rodrigo Viana e Alice Macedo alunos do Doutorado em Quiacutemica da UFPE pela colaboraccedilatildeo
nesses estudos
AO ProfDr Breno de Albuquerque Mello pelas orientaccedilotildees iniciais deste trabalho e pela
minha formaccedilatildeo baacutesica de Materiais Dentaacuterios
Prof DrThiago Rolin do Departamento de Engenharia Mecacircnica pela gentileza e orientaccedilatildeo
nos processos de usinagem
Aos professores e funcionaacuterios do Departamento de Ciecircncias Farmacecircuticas em especial ao
Professor Dr Luiz Alberto Lira Soares e alunos do Mestrado Marco Aureacutelio Moraes Galvatildeo e
Magda Rhayanny Assunccedilatildeo Ferreira
Aos colegas e funcionaacuterios dos Departamentos que compotildeem o Curso de Odontologia da
UFPE
8
RESUMO
Os dados disponiacuteveis de estudos com animais e em seres humanos sugerem que a topografia
da superfiacutecie melhorada estaacute associada ao aumento da biocompatibilidade e do contato osso-
implante ocasionando um maior intertravamento e dessa forma contribuindo para uma
obtenccedilatildeo de uma osseointegraccedilatildeo mais raacutepida e duradoura Com objetivo de comparar os
diferentes meacutetodos de tratamento de superfiacutecie dos implantes no trabalho atual foi avaliada a
dimensatildeo fractal dos cristais formados ao longo da imersatildeo no simulador de fluiacutedos corpoacutereos
(SBF) dos implantes de titacircnio previamente sujeitos agraves diferentes combinaccedilotildees de tratamento
de superfiacutecie com i) jateamento ii) ataque aacutecido e iii) fosfato de caacutelcio representando um
meacutetodo de tratamento de superfiacutecie desenvolvido na Universidade Federal de Pernambuco
(UFPE) Foram confeccionados 48 discos medindo 5 mm diacircmetro por 2 mm de altura no
Departamento de Engenharia Mecacircnica divididos em oito grupos contendo seis discos cada
Cada grupo A recebeu o tratamento completo composto por jateamento aacutecido e fosfato de
caacutelcio o grupo B foi o controle (apenas maquinado) enquanto os outros grupos receberam
tratamentos parciais seguindo modelo experimental com anaacutelises multi fatoriais A formaccedilatildeo
de cristais ocorreu em todos os grupos poreacutem com formaccedilotildees cristais dos diferentes
tamanhos e formas bem como diferente distribuiccedilatildeo espacial As amostras com ataque acido
mostraram aumento da dimensatildeo fractal indicando maior preenchimento espacial das
formaccedilotildees cristais Por outro lado o tamanho dos cristais formados sua forma em termos da
compacidade e niacutevel de ramificaccedilatildeo e sua distribuiccedilatildeo espacial natildeo podem ser vinculados
aos tratamentos especiacuteficos Estudos futuros experimentais ldquoin vivordquo satildeo necessaacuterios para
elucidar a associaccedilatildeo entre a dimensatildeo fractal observada no trabalho atual e as propriedades
mecacircnicas e bioloacutegicas dos implantes realizados com estes procedimentos diferentes
Palavras chaves osseointegraccedilatildeo implantes biomateriais
9
ABSTRACT
The data available from animal and human subject studies suggest that enhancing the implant
surface topography is associated with increase of biocompatibility and the bone-implant
interface leading to their better interlock and therefore contributing to more rapid and more
lasting osseointegration With the objective of comparison of different implant surface
treatments the current study was conducted to evaluate the fractal dimension of crystal
structures formed during submersion in a corporal fluid simulator (CFS) of titanium implants
previously subjected to different combinations of surface treatment consisting of i) sand
blasting ii) acid attack and iii) calcium phosphate the combination of all three representing a
surface treatment method developed at the Federal University of Pernambuco (UFPE) A total
of 48 discs of diameter 5mm and heights 2mm were fabricated at the Department of
Mechanical Engineering divided in eight groups of six discs each Group A received the full
treatment composed of sand blasting acid and calcium phosphate group B was control (only
machined) and the other groups received partial treatments following the experimental multi
factor model Crystal formation occurred in all the groups however with crystal formations of
different size and form as well as different spatial distribution Samples with acid attack
demonstrated higher fractal dimension indicating a higher space filling of crystals formations
On the other hand the size of crystals their form in terms of compactness and ramification
level as well as their spatial distribution could not be associated with specific treatments
Further experimental ldquoin vivordquo studies are necessary to shed light on the association between
the fractal dimension observed in the current work and the mechanical and biological
properties of implants implemented using these different procedures
Key words osseointegration implants biomaterials
10
SUMAacuteRIO
1 INTRODUCcedilAtildeO 10
2 REVISAtildeO DA LITERATURA 12
21 Biocompatibilidade 12
22 Estrutura oacutessea 12
23 Titacircnio e a hidroxiapatita 12
24 Fractais 15
3 MATERIAL E MEacuteTODOhellip 16
31 Modelo experimental 16
32 Preparos dos corpos de Provas 16
33 Usinagem 16
34 Limpeza das amostras 16
35 Divisatildeo dos grupos 16
36 Tratamentos das superfiacutecies 17
361 Jateamento com oacutexido de Alumiacutenio 17
362 Ataque aacutecido 17
363 Fosfato de Caacutelcio 17
37 Preparaccedilatildeo do simulador de Fluiacutedos Corpoacutereos (SBF) 17
38 Meacutetodos de Avaliaccedilatildeo 18
381 Microscopia Eletrocircnica de Varredura (MEV) 18
382 Dimensatildeo Fractal 18
4 RESULTADOS E DISCUSSAtildeO 19
5 CONCLUSAtildeO 23
REFEREcircNCIAS 24
APEcircNDICE - Artigo submetido aacute publicaccedilatildeo na revista 27
11
1 INTRODUCcedilAtildeO
A osseointegraccedilatildeo representa um fator fundamental para o sucesso de implantes
dentaacuterios tendo como base o estabelecimento da estabilidade mecacircnica primaacuteria e fixaccedilatildeo
bioloacutegica posterior Ela poderaacute ser influenciada por vaacuterios fatores como arquitetura oacutessea
original e sua densidade o desenho do implante e o tratamento de superfiacutecie (ORSINI et al
2012)
O processo de tratamento de superfiacutecie eacute realizado apoacutes a usinagem depois de
remover resiacuteduos como oacuteleo e outros contaminantes As superfiacutecies com capacidade
osteoindutora preparadas com um processo que vai aleacutem de uma simples limpeza satildeo
comumente chamadas de ativas Os dados disponiacuteveis de estudos com animais e em seres
humanos sugerem que a topografia da superfiacutecie melhorada estaacute associada ao aumento da
biocompatibilidade e do contato osso-implante ocasionando um maior intertravamento com o
osso e dessa forma contribuindo para uma obtenccedilatildeo de uma integraccedilatildeo mais raacutepida e
duradoura
Vaacuterios meacutetodos para modificar a topografia das superfiacutecies dos implantes jaacute foram
introduzidos como revestimento com hidroxiapatita que usa o processo conhecido como
Titacircnio Plasma spray (TPS) abrasotildees com jateamento com oxido de titacircnio ou oxido de
alumiacutenio pulverizaccedilatildeo catoacutedica com fosfato de Caacutelcio anodizaccedilatildeo aleacutem do Laser Nd-Yag
segundo Braringnemark et al (2011) e diferentes meacutetodos quiacutemicos e bioloacutegicos como a adiccedilatildeo
de peptiacutedeos ( KAumlMMERER et al 2012)
O ataque aacutecido foi citado por vaacuterios autores como mecanismo uacutetil para promover
micro ranhuras que aumentariam a aacuterea de contato permitindo deposiccedilatildeo da matriz oacutessea
secretada pelos osteoblastos e posterior calcificaccedilatildeo Efeito sobre a densidade oacutessea foi
observado em estudos com diferentes superfiacutecies quando peptiacutedeos foram adicionados
(HAMLET et al 2012) Os aacutecidos mais utilizados satildeo cloriacutedrico sulfuacuterico fosfoacuterico e o
fluoriacutedrico onde dependendo da composiccedilatildeo tempo de contato e temperatura os resultados
poderatildeo ser diferentes O tratamento com aacutecidos na superfiacutecie de titacircnio em estudos com
cultura de ceacutelulas confirmou presenccedila de titacircnia anastase e maior proliferaccedilatildeo celular
(ZHANG et al 2010) O efeito da temperatura na formaccedilatildeo de cristais foi maior quando o
titacircnio foi submetido a tratamento teacutermico entre 400 e a 600ordm C (SULTANA et al 2009)
12
Os implantes satildeo avaliados macroscopicamente quanto a seu desenho enquanto para
a caracterizaccedilatildeo da topografia usa-se a microscopia eletrocircnica de varredura (MEV) a niacuteveis
micromeacutetricos e sub micromeacutetricos (PERROTTI et al 2011 CARNEIRO-CAMPOS et al
2010) e para a caracterizaccedilatildeo da composiccedilatildeo atocircmica usam-se Raios X (EDS) e a
cristalografia (PARK et al 2007 WENNERBERG et al 2009 NOVAES et al 2010 GAO
et al 2009)
Pelo menos cinco efeitos poderatildeo ser atribuiacutedos agrave formaccedilatildeo das rugosidades i) o
aumento da superfiacutecie junto ao osso adjacente ii) melhoria da fixaccedilatildeo celular ao titacircnio iii)
aumento da quantidade de osso junto ao implante iv) aumento da interaccedilatildeo biomecacircnica entre
o osso e o implante e v) processos inflamatoacuterios Peri implantares quando a rugosidade
apresenta-se na aacuterea trans mucosa (PERROTTI et al 2011) Poreacutem ainda natildeo existe
consenso geral tanto na literatura cientiacutefica quanto na pratica sobre quais tratamentos de
superfiacutecie de implantes resultariam em melhor e mais raacutepida osseointegraccedilatildeo e quais as
melhores propriedades dos implantes em relaccedilatildeo destes efeitos individuais Para contribuir
para o melhor entendimento desta questatildeo o objetivo deste estudo foi analisar ldquoin vitrordquo como
o tratamento da superfiacutecie no processo de fabricaccedilatildeo de implantes afetaria o processo de
formaccedilatildeo de cristais apoacutes imersatildeo no simulador de fluiacutedos corpoacutereos (SBF) Implantes de
titacircnio foram sujeitos agraves diferentes combinaccedilotildees de tratamento de superfiacutecie com i)
jateamento ii) ataque aacutecido e iii) fosfato de caacutelcio e depois de imersatildeo no SBF por 30 dias as
imagens da superfiacutecie obtidas por microscopia eletrocircnica foram sujeitas a analise fractal
13
2 REVISAtildeO DA LITERATURA
Osseointegraccedilatildeo eacute a uniatildeo estrutural e funcional entre o implante e o tecido oacutesseo
quando submetido a uma carga funcional (BRANEMARCK et al 1977) Vaacuterios fatores
poderatildeo interferir na forma e no tempo dessa integraccedilatildeo
21 Biocompatibilidade
Os materiais utilizados para fabricaccedilatildeo de implantes devem ter uma boa resistecircncia
mecacircnica elevada estabilidade quiacutemica excelente resistecircncia agrave corrosatildeo e
biocompatibilidade O titacircnio eacute usado extensivamente nos ossos como sistemas de ancoragem
implantes dentaacuterios e ortopeacutedicos bem como aplicaccedilotildees de osteossiacutentese (MARQUES 2007)
Nos implantes a cicatrizaccedilatildeo oacutessea sem a presenccedila de fibroses eacute desejaacutevel Fatores
relacionados agrave teacutecnica ciruacutergica desenho do implante com o seu respectivo tratamento de
superfiacutecie e fatores ligados ao paciente satildeo variaacuteveis que poderatildeo influenciar na sua
integraccedilatildeo
22 Estrutura oacutessea
A densidade oacutessea eacute um fator importante na longevidade dos implantes independente
da regiatildeo na arcada dentaacuteria baseado em caracteriacutesticas macroscoacutepicas da cortical e do
trabeculado oacutesseo (Misch 1998) classificou em cinco tipos de osso
D1 Osso cortical denso (gt 1250 UH)
D2 Apresenta cortical denso e osso trabeculado grosso (850 a 1250 UH)
D3 Cortical oacutessea fina e trabeculado fino (350 a 850 UH)
D4 Osso trabecular fino (150 a 350 UH)
D5 Osso natildeo-mineralizado imaturo (lt 150 UH)
onde UH satildeo unidades da escala de Hounsfield (com valores -1000 para ar 0 para aacutegua e
3000 para dentes)
23 Titacircnio e a hidroxiapatita
Verick (2003) verificou o meacutetodo de biomimetizaccedilatildeo de superfiacutecie de titacircnio
comercialmente puro (Ti-cp) tratado com hidroacutexido de soacutedio e colocado no SBF super
saturado e observou apoacutes 24 horas alguns tipos de apatitas precipitadas sobre o substrato
14
juntamente com a fase cristalina da hidroxiapatita e comparou com o difratograma de uma
mandiacutebula humana onde observou-se a semelhanccedila dos picos Concluiu que no processo de
nucleaccedilatildeo lento a fase majoritaacuteria encontrada foi a hidroxiapatita As outras fases presentes
apareceram em pequenas quantidades sendo a proacutexima fase da maior presenccedila fosfato
octacaacutelcico
Titacircnio comercialmente puro e suas ligas como Ti-6Al-4V satildeo usadas em cirurgias
ortopeacutedicas O moacutedulo de elasticidade do titacircnio e da liga Ti6Al4V variaria entre 100 e
120GPa e do osso entre 10 e 30GPa A diferenccedila do moacutedulo de elasticidade da proacutetese e do
osso seria desfavoraacutevel para o remodelamento oacutesseo Para resolver este problema e melhorar
as propriedades mecacircnicas e bioloacutegicas novas ligas de titacircnio foram desenvolvidas para
aplicaccedilotildees biomeacutedicas O meacutetodo normal para se conseguir um melhor desempenho das ligas
de titacircnio quanto agraves propriedades mecacircnicas e bioloacutegicas seria modificar sua composiccedilatildeo
Alguns elementos como NbTa Mo e Zr Fe Cr e Sn usualmente adicionados nas ligas de
titacircnio para formar completa ou parcialmente a estrutura que possuem baixo moacutedulo de
elasticidade e contribuem para diminuir a diferenccedila entre o moacutedulo de elasticidade da liga e
do osso Aleacutem disso certos elementos de liga como Cu Co Ni e Si satildeo utilizados para
aumentar a resistecircncia mecacircnica das ligas Nos estudos comparativos com quatro superfiacutecies
tratadas com aacutecidos fluoretos e apenas usinada as anodizadas mostraram melhores resultados
de deposiccedilatildeo de iacuteons (MARQUES 2007)
A Hidroxiapatita sintetizada eacute um dos materiais mais atrativos para uso como
biomaterial devido a sua similaridade composicional e bioloacutegica com a fase inorgacircnica do
osso humano A estrutura da HA permite substituiccedilotildees catiocircnicas e aniocircnicas isomorfas com
facilidade as quais poderatildeo alterar a cristalinidade a morfologia e os paracircmetros de rede A
estabilidade a bioatividade e a biocompatibilidade do material obtido Tais caracteriacutesticas
positivas podem ser explicadas pela natureza quiacutemica por serem formados basicamente por
iacuteons caacutelcio e fosfato participam ativamente do equiliacutebrio iocircnico entre o fluido bioloacutegico e a
ceracircmica Uma forma conveniente de classificar os vaacuterios fosfatos de caacutelcio eacute pela sua razatildeo
molar CaP que pode variar de 05 a 20 A solubilidade eacute uma das mais importantes
propriedades dos compostos de fosfato de caacutelcio Esta biocompatibilidade favorece o
crescimento oacutesseo para os locais em que a HA se encontra Estabelecendo ligaccedilotildees de
natureza quiacutemica entre ela e o tecido oacutesseo (bioativo) permitindo a proliferaccedilatildeo de
fibroblastos osteoblastos e outras ceacutelulas oacutesseas as quais natildeo a distinguem da superfiacutecie
oacutessea o que indica a grande similaridade quiacutemica superficial (GOUVEIA 2008)
15
O tratamento teacutermico da superfiacutecie pode induzir aumento da nucleaccedilatildeo dos cristais de
hidroxiapatita como mostrado pelo Ling e colaboradores (GAO et al 2009) As superfiacutecies
tratadas com ataque aacutecido e anodizaccedilatildeo foram submetidas a tratamento teacutermico a 450ordm C por 6
horas Foram observados cristais de anatase medindo em torno de 20 nm e em seguida as
amostras com e sem tratamento teacutermico foram colocadas em 15 SBF por 7 dias e avaliados
em termos de nucleaccedilatildeo dos cristais
Superfiacutecie tratada por laser tambeacutem pode apresentar melhor fixaccedilatildeo da interface osso-
implante como mostrado (BRAringNEMARK et al 2011) a niacutevel micro e nano escala em
estudos em tiacutebia de coelho com o objetivo de avaliar a resposta biomecacircnica e histoloacutegica de
implantes de titacircnio tratados por laser em comparaccedilatildeo com os implantes apenas usinados
Verificaram que apoacutes 8 semanas tiveram um aumento de 250 no torque de remoccedilatildeo para
superfiacutecies tratadas com laser em relaccedilatildeo as apenas maquinadas Concluiacuteram que existiu uma
melhor fixaccedilatildeo da interface osso-implante promovida por alteraccedilotildees em micro e nano-escala
da topografia da superfiacutecie do implante
Em outro recente experimento ldquoin vivordquo (ORSINI et al 2012) a superfiacutecie tratada
com jateamento e ataque aacutecido (SLA) apresentou maior osteocondutividade quando
comparada com a superfiacutecie natildeo tratada verificando que houve maior deposiccedilatildeo de novo osso
na superfiacutecie de titacircnio
Implantes revestidos com Hidroxiapatiata (HA) reagem de uma maneira direta com
o tecido oacutesseo em cinco fases distintas i) com a dissoluccedilatildeo de HA ii) a precipitaccedilatildeo de
apatita iii) trocas iocircnicas acompanhada por absorccedilatildeo e incorporaccedilatildeo de moleacuteculas bioloacutegicas
iv) a ligaccedilatildeo de ceacutelulas proliferaccedilatildeo e diferenciaccedilatildeo em osteoblastos e v) a formaccedilatildeo da
matriz extra celular e mineralizaccedilatildeo Para que esses efeitos em cascata ocorram a dissoluccedilatildeo
do revestimento de HA representa um passo fundamental Esta dissoluccedilatildeo eacute citada como um
requisito importante para induzir a precipitaccedilatildeo da hiroxiapatita sobre a superfiacutecie do implante
(TAPASH et al 2011) O tratamento quiacutemico dos biomateriais poderaacute apresentar alto impacto
na ativaccedilatildeo plaquetaacuteria Mais especificamente o adesivo sequecircncia peptiacutedica ceacutelula bioativo
Arg-Gli-Asp (RGD) desencadeia a ativaccedilatildeo plaquetaacuteria mediada pelo receptor de integrina
aIIbb3 Deste modo as superfiacutecies tratadas com substacircncias biomimeacutetica (peacuteptidio RGD
imobilizado) poderiam aumentar no iniacutecio ativaccedilatildeo de plaquetas e da cicatrizaccedilatildeo oacutessea junto
ao implante (KAumlMMERER et al 2012)
16
24 Fractais
O termo fractal foi introduzido por Benoit Mandelbrot (MANDELBROT 1983) para
descrever geometria dos sistemas naturais formados pelos processos estocaacutesticos longe do
equiliacutebrio Como exemplos desses sistemas podem-se citar as aacutervores ramificadas linhas
costeiras nuvens poliacutemeros estruturas cardiopulmonares (rede arterial aacutervore
traqueobronquial) etc (MANDELBROT 1983 BASSINGTHWAIGHTE et al 1994) A
diferenccedila entre a geometria fractal e a geometria euclidiana eacute que fractais possuem dimensatildeo
natildeo inteira (fracionaacuteria) e propriedade de auto-similaridade (partes do objeto se assemelham ao
objeto como todo) Os exemplos citados representam fractais estocaacutesticos e possuem a
propriedade de auto-similaridade em sentido estatiacutestico dentro de um intervalo de escala onde
o limite inferior representa a dimensatildeo das componentes elementares (eg partiacuteculas) do
sistema e o limite superior representa a dimensatildeo linear do sistema Durante ultimas deacutecadas o
conceito fractal foi amplamente utilizado para descrever a complexidade dos sistemas
fisioloacutegicos tanto na analise das imagens medicas quanto na analise dos sinais fisioloacutegicos e
mostrou se eficiente em diferenciaccedilatildeo entre os casos saudaacuteveis e patoloacutegicos Os exemplos
incluem osteoporoses (ZAIA et al 2006) enfisema pulmonar (CHUNG e HUANG 2000)
doenccedilas degenerativas neuroloacutegicas (WU et al 2010) alteraccedilotildees em vascularizaccedilatildeo da retina
(STOSIC 2006) doenccedilas cardiovasculares (IVANOV et al 1999) entre outros
O potencial da analise fractal tambeacutem foi explorado na odontologia (SAacuteNCHEZ e
UZCAacuteTEGUI 2011 UPDIKE e NOWZARI 2008) Nos uacuteltimos anos a dimensatildeo fractal foi
utilizada para descrever a rugosidade da superfiacutecie do implante sendo uacutetil para quantificaccedilatildeo
das diferenccedilas entre as superfiacutecies dos implantes obtidas utilizando diversos tratamentos
(PEROTTI et al 2011 LEZZI et al 2012 EHRENFEST et al 2011)
17
3 MATERIAL E MEacuteTODO
Este estudo foi planejado uma anaacutelise multifatorial tendo como objetivo analisar
diferentes tratamentos da superfiacutecie de implante em relaccedilatildeo agrave deposiccedilatildeo de Hidroxiapatita que
eacute considerado um fator relevante pela literatura especializada
31 Modelo experimental
Foi desenvolvido um modelo ldquoin vitrordquo utilizando simulador de fluiacutedos corpoacutereos onde
as amostras foram submergidas por 30 dias e em seguida analisadas por microscopia eletrocircnica
32 Preparos dos Corpos de Provas
O titacircnio foi adquirido atraveacutes da Empresa Tinbrazil barras medindo 6 mm de
diacircmetro por 1 metro de comprimento com laudo de certificaccedilatildeo emitido pela importadora
acima Como sendo titacircnio grau II Ti-6Al-4V conforme a ASTM usados na fabricaccedilatildeo de
implantes dentaacuterios
33 Usinagem
Foi utilizado torno computadorizado marca ROMI com ferramentas de corte
fabricadas em ceracircmica no Departamento de Engenharia Mecacircnica da Universidade Federal
de Pernambuco A vareta foi reduzida em 86 discos medindo 5 mm de diacircmetro e 2 mm de
altura As amostras foram levadas para tratamento de superfiacutecie no laboratoacuterio de
Farmacognosia do Departamento de Ciecircncias Farmacecircuticas da UFPE
34 Limpeza das amostras
As amostras foram lavadas com hexano por 10 minutos em ultrassom O solvente foi
desprezado em recipiente apropriado As amostras foram colocadas em um Becker de vidro
colocados em estufa a 80ordm C por 10 minutos
35 Divisatildeo dos grupos
Os grupos foram divididos seguindo o Planejamento Fatorial de 23
satildeo apresentados na
Tabela 1
18
Tabela 1 ndash Organizaccedilatildeo dos grupos
Jateamento Ataque aacutecido Fosfato de caacutelcio
Grupo A Sim Sim Sim
Grupo B Natildeo Natildeo Natildeo
Grupo C Sim Natildeo Sim
Grupo D Sim Sim Natildeo
Grupo E Natildeo Natildeo Sim
Grupo F Natildeo Sim Natildeo
Grupo G Natildeo Sim Sim
Grupo H Sim Natildeo Natildeo
36 Tratamentos das superfiacutecies
361 Jateamento com Oacutexido de Alumiacutenio
Foi realizado utilizando oacutexido de alumiacutenio com granulaccedilatildeo meacutedia agrave 80 libras com o
jato direcionado a superfiacutecies dos discos por 10 segundos em cada lado
362 Ataque aacutecido
A segunda etapa foi o ataque aacutecido cuja composiccedilatildeo foi aacutecido cloriacutedrico 59 + 1
de aacutecido fluoriacutedrico e 40 de aacutegua destilada acondicionado em recipiente de polietileno ateacute
momento do uso Em um Becker de 50 ml foram colocados 20 ml do aacutecido por um (01)
minuto
363 Fosfato de Caacutelcio
Foi desenvolvida uma pasta contendo proporccedilatildeo de 13 de aacutegua e fosfato de caacutelcio
terciaacuterio No final da segunda etapa o excesso de aacutecido eacute desprezado e a pasta eacute adicionada ao
Becker onde permanece no ultrassom por 20 minutos Apoacutes a lavagem o material foi
colocado em recipiente de vidro seco em estufa a 40 C por 1 hora armazenados em tubos
tipo Ependorf e encaminhados para as anaacutelises
37 Preparaccedilatildeo do Simulador de Fluiacutedos Corpoacutereos (SBF)
Foi preparado conforme meacutetodo de Kokubo e Takadama (2006) no laboratoacuterio de
Farmacognosia Departamento de Ciecircncias Farmacecircuticas da UFPE
19
Tabela 2 - Composiccedilatildeo quiacutemica do SBF proposta por Kokubo e Takadama (2006)
Reagentes Quantidade Pureza
NaCl 8055 g 995
NaHCO3 0355 g 995
Kcl 0225 g 995
K2PO4 3H2O 0231 g 990
MgCl2 6H2O 0311 g 980
10 M- HCl 39 ml -----------
CaCl2 0292 g 950
NaSO4 0072 g 990
Tris 6118 g 990
10 M HCl 0-5ml ------------ Hidroximetil aminometano
38 Meacutetodos de Avaliaccedilatildeo
381 Microscopia Eletrocircnica de Varredura (MEV)
Para analise da superfiacutecie das amostras foi utilizada microcopia eletrocircnica de varredura
(MEV) JEOL 5600 LV (Japan) voltagem de 10 kV do Departamento de Fiacutesica da UFPE
Foram analisadas em arquivos digitais trecircs campos visuais diferentes para cada disco
Para cada grupo foram avaliados 3 discos totalizando nove aacutereas por grupo Em cada campo
foram obtidas imagens de 200x 1000x e 15000x para anaacutelises comparativas
382 Dimensatildeo Fractal
Existem vaacuterios meacutetodos para o caacutelculo de dimensatildeo fractal como contagem de caixas
(ldquobox countingrdquo) meacutetodo massa-raio (ldquomass-radius methodrdquo) e meacutetodo de correlaccedilatildeo
densidade-densidade (ldquodensity-density correlation function methodrdquo) O meacutetodo contagem de
caixas eacute mais utilizado e consiste em cobrir a estrutura com uma grade de caixas com arestas
de tamanho l e contar o nuacutemero N(l) de caixas que conteacutem pelo menos uma partiacutecula do
sistema Reduz-se sucessivamente o tamanho das caixas e mede-se para cada tamanho o
numero de caixas N(l) nos quais existe pelo menos um ponto do sistema A dimensatildeo fractal eacute
definida pela equaccedilatildeo
de onde segue
Assim traccedila-se um graacutefico do logaritmo de N(l) em funccedilatildeo do logaritmo de 1l e determina-se
a dimensatildeo fractal pela inclinaccedilatildeo do graacutefico (BASSINGTHWAIGHTHE et al 1994)
fDllN
~)(
)1log(~)(log lDlN f
20
4 RESULTADOS E DISCUSSAtildeO
A Figura 3 mostra os cristais formados depois submersatildeo dos implantes em Simulador
de Fluiacutedos Corpoacutereos (SBF) por 30 dias obtidas com auxilio da Microscopia Eletrocircnica de
Varredura Observam-se as formas diferentes dos cristais (cristais grandes ou pequenos
distribuiacutedos uniformemente ou agrupados simples ou ramificados) para diferentes
tratamentos da superfiacutecie dos implantes A forma e a distribuiccedilatildeo espacial dos cristais
formados por SBF refletem o processo de osseointegraccedilatildeo e indicam que uma analise das
propriedades geomeacutetricas destas estruturas para vaacuterios tipos de tratamento da superfiacutecie dos
implantes poderia providenciar informaccedilotildees importantes para avaliaccedilatildeo da qualidade do
implante
A dimensatildeo fractal das imagens dos cristais formados por SBF nas superfiacutecies dos
implantes foi calculada para diferentes tratamentos da superfiacutecie As imagens da Figura 3
foram binarizadas como apresentado na Figura 4 e em seguida a dimensatildeo fractal foi
calculada utilizando o pacote FracLac do software gratuito ImageJ com meacutetodo ldquoBox
countingrdquo Os resultados destes caacutelculos satildeo apresentados na Tabela 3
21
Com jateamento Sem jateamento
Com
ata
que
aacutecid
o
Com
fosf
ato d
e caacute
lcio
S
em f
osf
ato d
e caacute
lcio
Sem
ata
que
aacutecid
o
Com
fosf
ato d
e caacute
lcio
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
Figura 3 Imagens das formaccedilotildees cristalinas nas superfiacutecies das amostras A-H
22
Figura 4 Imagens binarizadas das formaccedilotildees cristalinas nas superfiacutecies das
amostras A-H
Com jateamento
Sem jateamento
Com
ata
que
aacutecid
o
C
om
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
ata
que
aacutecid
o
C
om
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
23
Tabela 3 Dimensatildeo Fractal (desvio padratildeo) das imagens binarizadas apresentadas na Fig 4
Com aacutecido Sem aacutecido
Com fosfato
de caacutelcio
Sem fosfato
de caacutelcio
Com fosfato
de caacutelcio
Sem fosfato
de caacutelcio
Com jateamento 1859 (0014) 1930 (0015) 1693 (0011) 1903 (0014)
Sem jateamento 1920 (0015) 1845 (0013) 1881 (0014) 1687 (0012)
Na Tabela 3 observa-se a maior dimensatildeo fractal dos cristais formados na superfiacutecie
dos implantes tratados com aacutecido do que em tratamentos sem aacutecido indicando maior
preenchimento espacial dos cristais Este resultado pode ser explicado pelo fato que o
tratamento com acido produz uma superfiacutecie de maior rugosidade aumentando a aacuterea de
contato que pode causar uma deposiccedilatildeo maior e mais uniforme As superfiacutecies apenas
maquinadas que natildeo receberam nenhum tratamento tambeacutem apresentaram as formaccedilotildees de
cristais apoacutes imersatildeo no SBF por 30 dias poreacutem em quantidades aparentemente menores
resultando em menor dimensatildeo fractal (1687) do que para as superfiacutecies com tratamentos
diferentes
24
5 CONCLUSAtildeO
A dimensatildeo fractal das imagens dos implantes de titacircnio submetidos agraves diferentes
combinaccedilotildees dos tratamentos da superfiacutecie e submersos em Simulador de Fluiacutedos Corpoacutereos
por 30 dias varia entre Df=168 ate Df=193 refletindo a complexidade da formaccedilatildeo cristal
caracterizada por pequenos ou grandes cristais depositados localmente ou de forma uniforme
com geometria simples ou dendritica dependendo da combinaccedilatildeo dos tratamentos A menor
dimensatildeo fractal de Df=168 foi obtida para amostras sem tratamento nenhum enquanto a
maior dimensatildeo fractal de Df=193 foi obtida para amostras com jateamento e ataque aacutecido
(sem fosfato de caacutelcio) Ataque aacutecido foi identificado como uacutenico dos tratamentos que leva
sistematicamente ao aumento da dimensatildeo cristal enquanto o tamanho e a distribuiccedilatildeo
espacial dos cristais formados demonstram grande diversidade sem aparente dependecircncia em
nenhum dos tratamentos Estudos sistemaacuteticos ldquoin vivordquo satildeo necessaacuterios para estabelecer
quais combinaccedilotildees destes tratamentos de superfiacutecie geram implantes mais biologicamente
estaacuteveis e mecanicamente robustos e como estas propriedades podem ser associadas com a
dimensatildeo fractal dos cristais depositados
25
REFEREcircNCIAS
BARROS NETO B SCHARMINIO I E BRUNS R E Como Fazer experimentos
Pesquisa e desenvolvimento na ciecircncia e na Induacutestria 2 ed- Campinas-SP Editora
Unicamp 2003
BASSINTHWAITGHT JB LIEBOVITCH LS BRUCE JW Fractal physiology New
York Oxford American Physiological Society 1994
BRAringNEMARK R et al Bone response to laser-induced micro- and nano-size titanium
surface features Nanomedicine v 7 n 2 p 220-227 2011
BRAringNEMARK PI et al Osseointegreated implants in the treatment of edentulous jaw
Experience from a 10- year period Scand J Plast Reconst Surg Suppl v 16 p 1-132
1977
CARNEIRO-CAMPOS LE et al The effect of titanium topography features on mesenchymal
human stromal cells adhesion Clin Oral Implants Res v 21 n 2 p 251-254 2010
CHUNG H-W HUANG Y-H Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the
Diagnosis of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology v 174 p
1055-1059 2000
EHRENFEST D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol v 37 p 506-509 2011
GAO L et al MicroNanostructural Porous Surface on Titanium and Bioactivity J Biomed
Mater Res Part B Appl Biomater v 89B n 2 p 335ndash341 2009
GOUVEIA DS Obtenccedilatildeo de poacutes nanomeacutetricos de hidroxiapatita sintetizados com
magneacutesio utilizando ultra-som Tese Instituto de Pesquisas Energeacuteticas e Nucleares S
Paulo 2008
HAMLET S et al The effect of hydrophilic titanium surface modification on macrophage
inflammatory cytokine gene expression Clin Oral Implants Res v 23 n 5 p 584-90
2012
IVANOV PCH et al Multifractality in Human Heartbeat Dynamics Nature v 399 p
461-465 1999
KAumlMMERER PW et al Early implant healing promotion of platelet activation and
cytokine release by topographical chemical and biomimetical titanium surface modifications
in vitro Clin Oral Implants Res v 23 n4 p 504-10 2012
26
KOKUBO TTAKADAMA H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
BIOMATERIALS v 27 n 15 p 2907-2915 2006
LEZZIG et al Implant surface topographies analyzed using fractal dimension Implant
Dent v 20 p 131-138 2012
MANDELBROT BB How long is the coast of Britain Statistical self-similarity and
fractional dimension Science 156 1967 636-638
MANDELBROT BB The Fractal Geometry of Nature New York 1983
MARQUES C Tratamento de superfiacutecies de implantes de titacircnio Dissertaccedilatildeo de
Mestrado apresentada ao Curso de Mestrado em Ciecircncia dos Materiais do Instituto Militar de
Engenharia (IME) 2007
MISCH CE Misch bone density classification In Misch CE ed Contemporary Implant
Densitry 113-114 St Luis Mosby Inc 2009
NOVAES ABJR et al Influence of Implant Surfaces on Osseointegration Braz Dent J v
21 n 6 p 471-481 2010
ORSINI E et al Early Healing Events around Titanium Implant Devices with Different
Surface Microtopography A Pilot Study in an In Vivo Rabbit Model The Scientific World
Journal 349042 2012
PARK S et al The Effect of Fluoride Treatment on Titanium Treated with Anodic Spark
Oxidation Metals and Materials International v 13 n 2 p 117-122 2007
PERROTTI V et al Fractal Analysis A Novel Method to Assess Roughness Organization of
Implant Surface Topography International Journal of Periodontics amp Restorative
Dentistry v 31 n 6 p 633-639 2011
SAacuteNCHEZ I UZCAacuteTEGUI G Fractals in dentistry Journal of Dentistry v 39 n 4 p
273-292 2011
STOSIC T STOSIC B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels IEEE
Transactions on Medical Imaging v 25 p 1101-1107 2006
SULTANA R et al Effects of heat treatment on the bioactivity of surface-modified titanium
in calcium solution Biomed Mater Eng v 19 n 2 p 193-204 2009
TAPASH RR NARAYANAN R KIM K-H Ion implantation of titanium based
biomaterials Progress in Materials Science v 56 n 8 p 1137-1177 2011
27
UPDIKE SX NOWZARI H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res v 43 n 6 p 658-664 2008
WENNERBERG A ALBREKTSSON T Effects of titanium surface topography on bone
integration a systematic review Clin Oral Implants Res v 20 n 4 p 172-84 2009
WUY-T et al Fractal dimension analysis for quantifying cerebellar morphological change
of multiple system atrophy of the cerebellar type (MSA-C) NeuroImage v 49 n 1 p 539-
551 2010
ZAIA A et al MR imaging and osteoporosis fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute
IEEE Trans Inf Technol Biomed v 10 n 3 p 484-489 2006
ZHANG F et al Cell response of titanium implant with a roughened surface containing
titanium hydride an in vitro study J Oral Maxillofac Surg v 68 n 5 p 1131-1139 2010
28
APEcircNDICE
Artigo submetido agrave publicaccedilatildeo na revista
Fractal measure and microscopic modeling of osseointegration
Leonardo Cavalcanti Bezerra dos Santos1 Alessandra de Albuquerque Tavares Carvalho
1
Borko Stosic2 Tatijana Stosic
2 Paulo Jose Duarte Neto
2
1Departamento de Cliacutenica e Odontologia Preventiva Universidade Federal de Pernambuco
Quarta Travessa Artur de Saacute sn Cidade Universitaacuteria 50670-901 Recife PE Brazil
2Departamento de Estatiacutestica e Informaacutetica Universidade Federal Rural de Pernambuco
Rua Dom Manoel de Medeiros sn Dois Irmatildeos 52171-900 Recife PE Brazil
Abstract
In this work the process of osseointegration on titanium implant surfaces with
different physicochemical treatment subjected to a simulated corporal fluid
submersion is evaluated using the concept of fractal dimension It is found that
different treatments lead to rather different calcium phosphate crystal growth
patterns with fractal dimension ranging from Df=168 to Df=193 The
observed crystal patterns may be explained by a general deposition- diffusion-
aggregation growth mechanism where diffusing particle sticking probability
plays a fundamental role
Key words dental implants osseointegration fractal dimension
Introduction
Practical techniques enhancing implant osseointegration represent a fundamental
research topic not only in dentistry but also in other diverse areas of medicine and veterinary
sciences where bone implants or bone restoration is applied [1-3] While great advances in
this direction have undoubtedly been made over the past decades the full understanding is
still lacking on the effects of different implant surface physicochemical treatments as well as
on the microscopic mechanisms of the posterior osseointegration process [4]
Fractal dimension is a novel concept that has been increasingly employed in diverse
areas of knowledge for quantifying the complexity of natural phenomena ranging from
coastlines [5] and shape of volcanic ash particles [6] bronchial tree [7] and neurons [8]
Fractals are in fact commonly found in nature being characterized by scale invariance and
29
self-similarity During the last decades fractal analysis was used in studying diverse
phenomena in physiology and medicine including pulmonary emphysema [9] osteoporoses
[10] retinal blood vessels [11] and heart rate [12] The potential of fractal analysis was also
explored in dentistry [1314] Recently fractal dimension was used to quantify the surface
roughness of dental implants and shown to be promising to differentiate between topological
properties of dental implant surfaces obtained with different treatments [151617]
In this work we follow up on recent studies [15-17] as to how one may employ fractal
analysis to assess roughness organization of implant surface topology Rather than
concentrating on the implant surface properties subject to different physicochemical treatment
processes [15] here we put the emphasis on the results of simulated body fluid submersion
representing a step forward in understanding of implant osseointegration
Materials and Methods
Machined titanium implant samples were first subjected to different combinations of
a) sand blasting with aluminum oxide b) treatment with hydrofluoric acid and c) treatment
with calcium phosphate [18] after which they were submersed in a simulated body fluid [19]
for thirty days Magnified images of these samples were then acquired through scanning
electron microscopy as shown in Fig1 and subjected to image analysis
As opposed to fractal analysis performed in [15] to find the fractal dimension here we
only binarize the images as shown in Fig2 without skeletonization since we are interested in
crystal formation and it was found that skeletonization introduces artefacts (local networks of
lines) not apparent in the original crystal structure There are various methods for fractal
dimension calculation among which the box-counting method is perhaps the most widely
used because of its simplicity and robustness [20] It proceeds as follows Cover the structure
with a grid of size r and count the number of nonempty grid boxes )(rn Repeat this
procedure for different grid size for fractal self-similar structures 0~)(D
rrn
Box-counting
dimension is defined as
)1log(
)(loglim
0 r
rnD
rf
and can be estimated as the slope of the linear regression of )(log rn versus )1log( r We
calculate fractal dimension using the box counting method implemented in the FracLac
Package of open source software ImageJ
30
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid
tre
atm
ent
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 1 Electron microscope images of samples with different treatment after
submersion in simulated body fluid
31
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid t
reat
men
t
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 2 Same images as in Fig1 after binarization
32
Results and Discussion
It is seen on Fig1 that different combinations of implant surface treatment lead to
rather different crystal pattern formation during the simulated body fluid submersion No clear
conclusions can be drawn as to the size of spatial distribution of formed crystals
corresponding to any single treatment rather it is the combinations of these procedures that
lead to specific resulting structures Large and small crystals uniformly or locally deposited
of simple or dendritic shape are found for different treatment combinations and further in
vivo studies are necessary to determine which of these provide more robust implants with
best mechanical properties
In line with the previous study [15] that has motivated the current work we calculate
the fractal dimension of binarized images shown in Fig2 with the results presented in Table
1 The obtained fractal dimension values vary between Df=168 and Df=193 indicating the
potential of this method to quantify spatial complexity of formed crystals for different implant
surface treatments It is seen from Table 1 that in general the fractal dimension of implant
surface after submersion in SBF tends to be greater in the cases of treatment with acid
(keeping the same combination of sand blasting and calcium phosphate coating) that reflects
the fact that acid etching produces micro pits on titanium surface that greatly enhance
osseointegration [4] The highest value of fractal dimension (193) is obtained for the implant
treated by sand blasting and acid etching indicating that the surface roughness produced by
this treatment results in more uniform and more space filling crystal deposits The fractal
dimension of surfaces treated only by sand blasting acid etching and calcium phosphate are
1903 1845 and 1881 respectively and they are significantly higher than the fractal
dimension of untreated surface (1687) confirming the role of implant surface chemistry and
topology in the process of osseointegration Although our results show that surface topology
of treated implants has higher fractal dimension than that of untreated implants it is still not
clear which treatment or combination of treatments produces the best surfaces for
osseointegration It is also seen from Table 1 that the fractal dimension is higher for all of the
treated surfaces in comparison with the surface without any treatments (with the smallest
fractal dimension value) which reflects the fact that all these treatments produce surface
effects that favorably influence the complexity of the final crystal structure On the other
hand there is no clear evidence as to how these values may be associated with the quality of
implants without further in vivo experiments
33
Table 1 Fractal dimension (standard deviation) of binarized images shown in Fig2
Acid treatment No acid
Calcium
phosphate
No calcium
phosphate
Calcium
phosphate
No calcium
Phosphate
Sand blasted 1859 (0014) 1930 (0015) 1693 (0011) 1903 (0014)
No sand blasting 1920 (0015) 1845 (0013) 1881 (0014) 1687 (0012)
The current study suggests that a general Deposition Difusion Aggregation (DDA)
model [21] may be used to describe crystal formation in the different scenarios covered in the
present work One may perceive that the molecules present in the solution deposit on the
implant surface and move along this surface until they reach other such molecules andor
already crystallized formations where they become incorporated into the crystal structure
The concentration of the (in the current experiment simulated corporal) fluid determines the
flux of deposition and the mobility of the molecules (and perhaps larger molecular
agglomerates) is governed by the topology (roughness) of the implant surface It is well
known [21] that the flux and mobility of aggregate particles lead to rather different deposition
patterns ranging from many uniformly distributed small DLA (Diffusion Limited
Aggregation) like crystals to large dendritic structures and the DDA model apparently
represents an excellent candidate to describe the diversity of observed crystal patterns seen
on the electron microscope images of Fig 1
Conclusion
We apply fractal analysis on binarized scanning electron microscopy images of the
surface of titanium implants that were first subjected to different treatment combinations of i)
sand blasting ii) acid etching and iii) exposition to calcium phosphate and were then
submersed in a simulated corporal fluid for thirty days The obtained fractal dimension values
vary between Df=168 to Df=193 reflecting the complexity and space filling property of the
final crystal structure characterized by large and small crystals uniformly or locally
deposited of simple or dendritic shape that were found for different treatment combinations
Further in vivo studies are necessary to determine how these values may be associated with
the quality of implants
34
References
[1] Albrektsson T Sennerby L Wennerberg A State of the art of oral implants Periodontol
2000 2008 47 15-26
[2] Wazen JJ Gupta R Ghossaini S Spitzer J Farrugia M Tjellstrom A
Osseointegration timing for Baha system loading Laryngoscope 2007 117 794-796
[3] Palmquist A Jarmar T Emanuelsson L Braringnemark R Engqvist H Thomsen P
Forearm bone-anchored amputationprosthesis a case study on the osseointegration Acta
Orthop 2008 79 78-85
[4] Le Gueacutehennec L Soueidan A Layrolle P Amouriq Y Surface treatments of titanium
dental implants for rapid osseointegration Dental Materiasl 2007 23 844-854
[5] Mandelbrot BB The Fractal Geometry of Nature New York Freeman 1983 25
[6]Dellino PLiotino G The fractal and multifractal dimension of volcanic ash particles
contour a test study on the utility and volcanological relevance Journal of Volcanology and
Geothermal Research 2002 113 1-18
[7] Majumdar A Alencar AM Buldyrev SV Hantos Z Lutchen KR Stanley HE Suki B
Relating airway diameter distributions to regular branching asymmetry in the lung Phys Rev Lett 2005 95 168101
[8] Jelinek HF Fernandez E Neurons and fractals how reliable and useful are calculations of
fractal dimensions Journal of Neuroscience Methods 1998 81 9 ndash 18
[9] Chung HW HUANG YH Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the Diagnosis
of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology 2000 174 1055-1059
[10] Zaia A Eleonori R Maponi P Rossi R Murri R MR imaging and osteoporosis
fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute IEEE Trans Inf Technol Biomed 2006 10
484-489
[11] Stosic T Stosic B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels EEE Transactions
on MIedical Imaging 2006 25 1101-1107
[12] Goldberger AL Amaral LAN Hausdorff JM Ivanov PCh Peng CK Stanley
HE Fractal dynamics in physiology Alterations with disease and aging PNAS 2002 99
2466-2472
[13] Saacutenchez I Uzcaacutetegui G Fractals in dentistry Journal of Dentistry 2011 39 273-292
[14] Updike SX Nowzari H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res 2008 43 658-664
[15] Perotti V Aprile G Degidi M Piatelli A Lezzi G Fractal analysis a novel method to
assess roughness organization of implant surface topography Int J Peridontic Restorative
Dent 2011 31 633-639
[16] Ehrenfest D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol 2011 37 506-509
35
[17] Lezzi G Aprile G Tripodi D Scarano A Piatelli A Perotti V Implant surface
topographies analyzed using fractal dimension Implant Dent 2012 20 131-138
[18] Guo CY Tang ATH Matinlinna JP Insights into surface treatment methods of titanium
dental implants Journal of Adhesion Science amp Technology 2012 26 189ndash205
[19] Kokubo T Takadama H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
Biomaterials 2006 27 2907-2915
[20] Theiller J Estimating fractal dimension J Opt Soc Am 1990 7 1055-1073
[21] P Jensen A-L Barabaacutesi H Larralde S Havlin H E Stanley Model incorporating
deposition diffusion and aggregation in submonolayer nanostructures Phys Rev E (1994)
50 618ndash621
7
AGRADECIMENTOS
Agrave professora Dra Alessandra de Albuquerque Tavares Carvalho pela paciecircncia na orientaccedilatildeo
e incentivo que tornaram possiacutevel a conclusatildeo desta Tese
Ao Prof Dr Borko Stosic e sua esposa Profa Dra Tatijana Stosic Fiacutesicos e Coordenadores
do Departamento de Estatiacutestica e Informaacutetica da UFRPE Pelos ensinamentos dos princiacutepios
fundamentais da natureza e delinearam este trabalho
Ao Amigo Bioacutelogo Sergio Santos do Departamento de Fiacutesica da UFPE cuja colaboraccedilatildeo foi
imprescindiacutevel para conclusatildeo desses estudos
Ao Professor Dr Severino Alves Junior Coordenador do Laboratoacuterio de Terras raras do
Departamento de Quiacutemica da UFPE Pela dedicaccedilatildeo e orientaccedilatildeo do modelo experimental
Rodrigo Viana e Alice Macedo alunos do Doutorado em Quiacutemica da UFPE pela colaboraccedilatildeo
nesses estudos
AO ProfDr Breno de Albuquerque Mello pelas orientaccedilotildees iniciais deste trabalho e pela
minha formaccedilatildeo baacutesica de Materiais Dentaacuterios
Prof DrThiago Rolin do Departamento de Engenharia Mecacircnica pela gentileza e orientaccedilatildeo
nos processos de usinagem
Aos professores e funcionaacuterios do Departamento de Ciecircncias Farmacecircuticas em especial ao
Professor Dr Luiz Alberto Lira Soares e alunos do Mestrado Marco Aureacutelio Moraes Galvatildeo e
Magda Rhayanny Assunccedilatildeo Ferreira
Aos colegas e funcionaacuterios dos Departamentos que compotildeem o Curso de Odontologia da
UFPE
8
RESUMO
Os dados disponiacuteveis de estudos com animais e em seres humanos sugerem que a topografia
da superfiacutecie melhorada estaacute associada ao aumento da biocompatibilidade e do contato osso-
implante ocasionando um maior intertravamento e dessa forma contribuindo para uma
obtenccedilatildeo de uma osseointegraccedilatildeo mais raacutepida e duradoura Com objetivo de comparar os
diferentes meacutetodos de tratamento de superfiacutecie dos implantes no trabalho atual foi avaliada a
dimensatildeo fractal dos cristais formados ao longo da imersatildeo no simulador de fluiacutedos corpoacutereos
(SBF) dos implantes de titacircnio previamente sujeitos agraves diferentes combinaccedilotildees de tratamento
de superfiacutecie com i) jateamento ii) ataque aacutecido e iii) fosfato de caacutelcio representando um
meacutetodo de tratamento de superfiacutecie desenvolvido na Universidade Federal de Pernambuco
(UFPE) Foram confeccionados 48 discos medindo 5 mm diacircmetro por 2 mm de altura no
Departamento de Engenharia Mecacircnica divididos em oito grupos contendo seis discos cada
Cada grupo A recebeu o tratamento completo composto por jateamento aacutecido e fosfato de
caacutelcio o grupo B foi o controle (apenas maquinado) enquanto os outros grupos receberam
tratamentos parciais seguindo modelo experimental com anaacutelises multi fatoriais A formaccedilatildeo
de cristais ocorreu em todos os grupos poreacutem com formaccedilotildees cristais dos diferentes
tamanhos e formas bem como diferente distribuiccedilatildeo espacial As amostras com ataque acido
mostraram aumento da dimensatildeo fractal indicando maior preenchimento espacial das
formaccedilotildees cristais Por outro lado o tamanho dos cristais formados sua forma em termos da
compacidade e niacutevel de ramificaccedilatildeo e sua distribuiccedilatildeo espacial natildeo podem ser vinculados
aos tratamentos especiacuteficos Estudos futuros experimentais ldquoin vivordquo satildeo necessaacuterios para
elucidar a associaccedilatildeo entre a dimensatildeo fractal observada no trabalho atual e as propriedades
mecacircnicas e bioloacutegicas dos implantes realizados com estes procedimentos diferentes
Palavras chaves osseointegraccedilatildeo implantes biomateriais
9
ABSTRACT
The data available from animal and human subject studies suggest that enhancing the implant
surface topography is associated with increase of biocompatibility and the bone-implant
interface leading to their better interlock and therefore contributing to more rapid and more
lasting osseointegration With the objective of comparison of different implant surface
treatments the current study was conducted to evaluate the fractal dimension of crystal
structures formed during submersion in a corporal fluid simulator (CFS) of titanium implants
previously subjected to different combinations of surface treatment consisting of i) sand
blasting ii) acid attack and iii) calcium phosphate the combination of all three representing a
surface treatment method developed at the Federal University of Pernambuco (UFPE) A total
of 48 discs of diameter 5mm and heights 2mm were fabricated at the Department of
Mechanical Engineering divided in eight groups of six discs each Group A received the full
treatment composed of sand blasting acid and calcium phosphate group B was control (only
machined) and the other groups received partial treatments following the experimental multi
factor model Crystal formation occurred in all the groups however with crystal formations of
different size and form as well as different spatial distribution Samples with acid attack
demonstrated higher fractal dimension indicating a higher space filling of crystals formations
On the other hand the size of crystals their form in terms of compactness and ramification
level as well as their spatial distribution could not be associated with specific treatments
Further experimental ldquoin vivordquo studies are necessary to shed light on the association between
the fractal dimension observed in the current work and the mechanical and biological
properties of implants implemented using these different procedures
Key words osseointegration implants biomaterials
10
SUMAacuteRIO
1 INTRODUCcedilAtildeO 10
2 REVISAtildeO DA LITERATURA 12
21 Biocompatibilidade 12
22 Estrutura oacutessea 12
23 Titacircnio e a hidroxiapatita 12
24 Fractais 15
3 MATERIAL E MEacuteTODOhellip 16
31 Modelo experimental 16
32 Preparos dos corpos de Provas 16
33 Usinagem 16
34 Limpeza das amostras 16
35 Divisatildeo dos grupos 16
36 Tratamentos das superfiacutecies 17
361 Jateamento com oacutexido de Alumiacutenio 17
362 Ataque aacutecido 17
363 Fosfato de Caacutelcio 17
37 Preparaccedilatildeo do simulador de Fluiacutedos Corpoacutereos (SBF) 17
38 Meacutetodos de Avaliaccedilatildeo 18
381 Microscopia Eletrocircnica de Varredura (MEV) 18
382 Dimensatildeo Fractal 18
4 RESULTADOS E DISCUSSAtildeO 19
5 CONCLUSAtildeO 23
REFEREcircNCIAS 24
APEcircNDICE - Artigo submetido aacute publicaccedilatildeo na revista 27
11
1 INTRODUCcedilAtildeO
A osseointegraccedilatildeo representa um fator fundamental para o sucesso de implantes
dentaacuterios tendo como base o estabelecimento da estabilidade mecacircnica primaacuteria e fixaccedilatildeo
bioloacutegica posterior Ela poderaacute ser influenciada por vaacuterios fatores como arquitetura oacutessea
original e sua densidade o desenho do implante e o tratamento de superfiacutecie (ORSINI et al
2012)
O processo de tratamento de superfiacutecie eacute realizado apoacutes a usinagem depois de
remover resiacuteduos como oacuteleo e outros contaminantes As superfiacutecies com capacidade
osteoindutora preparadas com um processo que vai aleacutem de uma simples limpeza satildeo
comumente chamadas de ativas Os dados disponiacuteveis de estudos com animais e em seres
humanos sugerem que a topografia da superfiacutecie melhorada estaacute associada ao aumento da
biocompatibilidade e do contato osso-implante ocasionando um maior intertravamento com o
osso e dessa forma contribuindo para uma obtenccedilatildeo de uma integraccedilatildeo mais raacutepida e
duradoura
Vaacuterios meacutetodos para modificar a topografia das superfiacutecies dos implantes jaacute foram
introduzidos como revestimento com hidroxiapatita que usa o processo conhecido como
Titacircnio Plasma spray (TPS) abrasotildees com jateamento com oxido de titacircnio ou oxido de
alumiacutenio pulverizaccedilatildeo catoacutedica com fosfato de Caacutelcio anodizaccedilatildeo aleacutem do Laser Nd-Yag
segundo Braringnemark et al (2011) e diferentes meacutetodos quiacutemicos e bioloacutegicos como a adiccedilatildeo
de peptiacutedeos ( KAumlMMERER et al 2012)
O ataque aacutecido foi citado por vaacuterios autores como mecanismo uacutetil para promover
micro ranhuras que aumentariam a aacuterea de contato permitindo deposiccedilatildeo da matriz oacutessea
secretada pelos osteoblastos e posterior calcificaccedilatildeo Efeito sobre a densidade oacutessea foi
observado em estudos com diferentes superfiacutecies quando peptiacutedeos foram adicionados
(HAMLET et al 2012) Os aacutecidos mais utilizados satildeo cloriacutedrico sulfuacuterico fosfoacuterico e o
fluoriacutedrico onde dependendo da composiccedilatildeo tempo de contato e temperatura os resultados
poderatildeo ser diferentes O tratamento com aacutecidos na superfiacutecie de titacircnio em estudos com
cultura de ceacutelulas confirmou presenccedila de titacircnia anastase e maior proliferaccedilatildeo celular
(ZHANG et al 2010) O efeito da temperatura na formaccedilatildeo de cristais foi maior quando o
titacircnio foi submetido a tratamento teacutermico entre 400 e a 600ordm C (SULTANA et al 2009)
12
Os implantes satildeo avaliados macroscopicamente quanto a seu desenho enquanto para
a caracterizaccedilatildeo da topografia usa-se a microscopia eletrocircnica de varredura (MEV) a niacuteveis
micromeacutetricos e sub micromeacutetricos (PERROTTI et al 2011 CARNEIRO-CAMPOS et al
2010) e para a caracterizaccedilatildeo da composiccedilatildeo atocircmica usam-se Raios X (EDS) e a
cristalografia (PARK et al 2007 WENNERBERG et al 2009 NOVAES et al 2010 GAO
et al 2009)
Pelo menos cinco efeitos poderatildeo ser atribuiacutedos agrave formaccedilatildeo das rugosidades i) o
aumento da superfiacutecie junto ao osso adjacente ii) melhoria da fixaccedilatildeo celular ao titacircnio iii)
aumento da quantidade de osso junto ao implante iv) aumento da interaccedilatildeo biomecacircnica entre
o osso e o implante e v) processos inflamatoacuterios Peri implantares quando a rugosidade
apresenta-se na aacuterea trans mucosa (PERROTTI et al 2011) Poreacutem ainda natildeo existe
consenso geral tanto na literatura cientiacutefica quanto na pratica sobre quais tratamentos de
superfiacutecie de implantes resultariam em melhor e mais raacutepida osseointegraccedilatildeo e quais as
melhores propriedades dos implantes em relaccedilatildeo destes efeitos individuais Para contribuir
para o melhor entendimento desta questatildeo o objetivo deste estudo foi analisar ldquoin vitrordquo como
o tratamento da superfiacutecie no processo de fabricaccedilatildeo de implantes afetaria o processo de
formaccedilatildeo de cristais apoacutes imersatildeo no simulador de fluiacutedos corpoacutereos (SBF) Implantes de
titacircnio foram sujeitos agraves diferentes combinaccedilotildees de tratamento de superfiacutecie com i)
jateamento ii) ataque aacutecido e iii) fosfato de caacutelcio e depois de imersatildeo no SBF por 30 dias as
imagens da superfiacutecie obtidas por microscopia eletrocircnica foram sujeitas a analise fractal
13
2 REVISAtildeO DA LITERATURA
Osseointegraccedilatildeo eacute a uniatildeo estrutural e funcional entre o implante e o tecido oacutesseo
quando submetido a uma carga funcional (BRANEMARCK et al 1977) Vaacuterios fatores
poderatildeo interferir na forma e no tempo dessa integraccedilatildeo
21 Biocompatibilidade
Os materiais utilizados para fabricaccedilatildeo de implantes devem ter uma boa resistecircncia
mecacircnica elevada estabilidade quiacutemica excelente resistecircncia agrave corrosatildeo e
biocompatibilidade O titacircnio eacute usado extensivamente nos ossos como sistemas de ancoragem
implantes dentaacuterios e ortopeacutedicos bem como aplicaccedilotildees de osteossiacutentese (MARQUES 2007)
Nos implantes a cicatrizaccedilatildeo oacutessea sem a presenccedila de fibroses eacute desejaacutevel Fatores
relacionados agrave teacutecnica ciruacutergica desenho do implante com o seu respectivo tratamento de
superfiacutecie e fatores ligados ao paciente satildeo variaacuteveis que poderatildeo influenciar na sua
integraccedilatildeo
22 Estrutura oacutessea
A densidade oacutessea eacute um fator importante na longevidade dos implantes independente
da regiatildeo na arcada dentaacuteria baseado em caracteriacutesticas macroscoacutepicas da cortical e do
trabeculado oacutesseo (Misch 1998) classificou em cinco tipos de osso
D1 Osso cortical denso (gt 1250 UH)
D2 Apresenta cortical denso e osso trabeculado grosso (850 a 1250 UH)
D3 Cortical oacutessea fina e trabeculado fino (350 a 850 UH)
D4 Osso trabecular fino (150 a 350 UH)
D5 Osso natildeo-mineralizado imaturo (lt 150 UH)
onde UH satildeo unidades da escala de Hounsfield (com valores -1000 para ar 0 para aacutegua e
3000 para dentes)
23 Titacircnio e a hidroxiapatita
Verick (2003) verificou o meacutetodo de biomimetizaccedilatildeo de superfiacutecie de titacircnio
comercialmente puro (Ti-cp) tratado com hidroacutexido de soacutedio e colocado no SBF super
saturado e observou apoacutes 24 horas alguns tipos de apatitas precipitadas sobre o substrato
14
juntamente com a fase cristalina da hidroxiapatita e comparou com o difratograma de uma
mandiacutebula humana onde observou-se a semelhanccedila dos picos Concluiu que no processo de
nucleaccedilatildeo lento a fase majoritaacuteria encontrada foi a hidroxiapatita As outras fases presentes
apareceram em pequenas quantidades sendo a proacutexima fase da maior presenccedila fosfato
octacaacutelcico
Titacircnio comercialmente puro e suas ligas como Ti-6Al-4V satildeo usadas em cirurgias
ortopeacutedicas O moacutedulo de elasticidade do titacircnio e da liga Ti6Al4V variaria entre 100 e
120GPa e do osso entre 10 e 30GPa A diferenccedila do moacutedulo de elasticidade da proacutetese e do
osso seria desfavoraacutevel para o remodelamento oacutesseo Para resolver este problema e melhorar
as propriedades mecacircnicas e bioloacutegicas novas ligas de titacircnio foram desenvolvidas para
aplicaccedilotildees biomeacutedicas O meacutetodo normal para se conseguir um melhor desempenho das ligas
de titacircnio quanto agraves propriedades mecacircnicas e bioloacutegicas seria modificar sua composiccedilatildeo
Alguns elementos como NbTa Mo e Zr Fe Cr e Sn usualmente adicionados nas ligas de
titacircnio para formar completa ou parcialmente a estrutura que possuem baixo moacutedulo de
elasticidade e contribuem para diminuir a diferenccedila entre o moacutedulo de elasticidade da liga e
do osso Aleacutem disso certos elementos de liga como Cu Co Ni e Si satildeo utilizados para
aumentar a resistecircncia mecacircnica das ligas Nos estudos comparativos com quatro superfiacutecies
tratadas com aacutecidos fluoretos e apenas usinada as anodizadas mostraram melhores resultados
de deposiccedilatildeo de iacuteons (MARQUES 2007)
A Hidroxiapatita sintetizada eacute um dos materiais mais atrativos para uso como
biomaterial devido a sua similaridade composicional e bioloacutegica com a fase inorgacircnica do
osso humano A estrutura da HA permite substituiccedilotildees catiocircnicas e aniocircnicas isomorfas com
facilidade as quais poderatildeo alterar a cristalinidade a morfologia e os paracircmetros de rede A
estabilidade a bioatividade e a biocompatibilidade do material obtido Tais caracteriacutesticas
positivas podem ser explicadas pela natureza quiacutemica por serem formados basicamente por
iacuteons caacutelcio e fosfato participam ativamente do equiliacutebrio iocircnico entre o fluido bioloacutegico e a
ceracircmica Uma forma conveniente de classificar os vaacuterios fosfatos de caacutelcio eacute pela sua razatildeo
molar CaP que pode variar de 05 a 20 A solubilidade eacute uma das mais importantes
propriedades dos compostos de fosfato de caacutelcio Esta biocompatibilidade favorece o
crescimento oacutesseo para os locais em que a HA se encontra Estabelecendo ligaccedilotildees de
natureza quiacutemica entre ela e o tecido oacutesseo (bioativo) permitindo a proliferaccedilatildeo de
fibroblastos osteoblastos e outras ceacutelulas oacutesseas as quais natildeo a distinguem da superfiacutecie
oacutessea o que indica a grande similaridade quiacutemica superficial (GOUVEIA 2008)
15
O tratamento teacutermico da superfiacutecie pode induzir aumento da nucleaccedilatildeo dos cristais de
hidroxiapatita como mostrado pelo Ling e colaboradores (GAO et al 2009) As superfiacutecies
tratadas com ataque aacutecido e anodizaccedilatildeo foram submetidas a tratamento teacutermico a 450ordm C por 6
horas Foram observados cristais de anatase medindo em torno de 20 nm e em seguida as
amostras com e sem tratamento teacutermico foram colocadas em 15 SBF por 7 dias e avaliados
em termos de nucleaccedilatildeo dos cristais
Superfiacutecie tratada por laser tambeacutem pode apresentar melhor fixaccedilatildeo da interface osso-
implante como mostrado (BRAringNEMARK et al 2011) a niacutevel micro e nano escala em
estudos em tiacutebia de coelho com o objetivo de avaliar a resposta biomecacircnica e histoloacutegica de
implantes de titacircnio tratados por laser em comparaccedilatildeo com os implantes apenas usinados
Verificaram que apoacutes 8 semanas tiveram um aumento de 250 no torque de remoccedilatildeo para
superfiacutecies tratadas com laser em relaccedilatildeo as apenas maquinadas Concluiacuteram que existiu uma
melhor fixaccedilatildeo da interface osso-implante promovida por alteraccedilotildees em micro e nano-escala
da topografia da superfiacutecie do implante
Em outro recente experimento ldquoin vivordquo (ORSINI et al 2012) a superfiacutecie tratada
com jateamento e ataque aacutecido (SLA) apresentou maior osteocondutividade quando
comparada com a superfiacutecie natildeo tratada verificando que houve maior deposiccedilatildeo de novo osso
na superfiacutecie de titacircnio
Implantes revestidos com Hidroxiapatiata (HA) reagem de uma maneira direta com
o tecido oacutesseo em cinco fases distintas i) com a dissoluccedilatildeo de HA ii) a precipitaccedilatildeo de
apatita iii) trocas iocircnicas acompanhada por absorccedilatildeo e incorporaccedilatildeo de moleacuteculas bioloacutegicas
iv) a ligaccedilatildeo de ceacutelulas proliferaccedilatildeo e diferenciaccedilatildeo em osteoblastos e v) a formaccedilatildeo da
matriz extra celular e mineralizaccedilatildeo Para que esses efeitos em cascata ocorram a dissoluccedilatildeo
do revestimento de HA representa um passo fundamental Esta dissoluccedilatildeo eacute citada como um
requisito importante para induzir a precipitaccedilatildeo da hiroxiapatita sobre a superfiacutecie do implante
(TAPASH et al 2011) O tratamento quiacutemico dos biomateriais poderaacute apresentar alto impacto
na ativaccedilatildeo plaquetaacuteria Mais especificamente o adesivo sequecircncia peptiacutedica ceacutelula bioativo
Arg-Gli-Asp (RGD) desencadeia a ativaccedilatildeo plaquetaacuteria mediada pelo receptor de integrina
aIIbb3 Deste modo as superfiacutecies tratadas com substacircncias biomimeacutetica (peacuteptidio RGD
imobilizado) poderiam aumentar no iniacutecio ativaccedilatildeo de plaquetas e da cicatrizaccedilatildeo oacutessea junto
ao implante (KAumlMMERER et al 2012)
16
24 Fractais
O termo fractal foi introduzido por Benoit Mandelbrot (MANDELBROT 1983) para
descrever geometria dos sistemas naturais formados pelos processos estocaacutesticos longe do
equiliacutebrio Como exemplos desses sistemas podem-se citar as aacutervores ramificadas linhas
costeiras nuvens poliacutemeros estruturas cardiopulmonares (rede arterial aacutervore
traqueobronquial) etc (MANDELBROT 1983 BASSINGTHWAIGHTE et al 1994) A
diferenccedila entre a geometria fractal e a geometria euclidiana eacute que fractais possuem dimensatildeo
natildeo inteira (fracionaacuteria) e propriedade de auto-similaridade (partes do objeto se assemelham ao
objeto como todo) Os exemplos citados representam fractais estocaacutesticos e possuem a
propriedade de auto-similaridade em sentido estatiacutestico dentro de um intervalo de escala onde
o limite inferior representa a dimensatildeo das componentes elementares (eg partiacuteculas) do
sistema e o limite superior representa a dimensatildeo linear do sistema Durante ultimas deacutecadas o
conceito fractal foi amplamente utilizado para descrever a complexidade dos sistemas
fisioloacutegicos tanto na analise das imagens medicas quanto na analise dos sinais fisioloacutegicos e
mostrou se eficiente em diferenciaccedilatildeo entre os casos saudaacuteveis e patoloacutegicos Os exemplos
incluem osteoporoses (ZAIA et al 2006) enfisema pulmonar (CHUNG e HUANG 2000)
doenccedilas degenerativas neuroloacutegicas (WU et al 2010) alteraccedilotildees em vascularizaccedilatildeo da retina
(STOSIC 2006) doenccedilas cardiovasculares (IVANOV et al 1999) entre outros
O potencial da analise fractal tambeacutem foi explorado na odontologia (SAacuteNCHEZ e
UZCAacuteTEGUI 2011 UPDIKE e NOWZARI 2008) Nos uacuteltimos anos a dimensatildeo fractal foi
utilizada para descrever a rugosidade da superfiacutecie do implante sendo uacutetil para quantificaccedilatildeo
das diferenccedilas entre as superfiacutecies dos implantes obtidas utilizando diversos tratamentos
(PEROTTI et al 2011 LEZZI et al 2012 EHRENFEST et al 2011)
17
3 MATERIAL E MEacuteTODO
Este estudo foi planejado uma anaacutelise multifatorial tendo como objetivo analisar
diferentes tratamentos da superfiacutecie de implante em relaccedilatildeo agrave deposiccedilatildeo de Hidroxiapatita que
eacute considerado um fator relevante pela literatura especializada
31 Modelo experimental
Foi desenvolvido um modelo ldquoin vitrordquo utilizando simulador de fluiacutedos corpoacutereos onde
as amostras foram submergidas por 30 dias e em seguida analisadas por microscopia eletrocircnica
32 Preparos dos Corpos de Provas
O titacircnio foi adquirido atraveacutes da Empresa Tinbrazil barras medindo 6 mm de
diacircmetro por 1 metro de comprimento com laudo de certificaccedilatildeo emitido pela importadora
acima Como sendo titacircnio grau II Ti-6Al-4V conforme a ASTM usados na fabricaccedilatildeo de
implantes dentaacuterios
33 Usinagem
Foi utilizado torno computadorizado marca ROMI com ferramentas de corte
fabricadas em ceracircmica no Departamento de Engenharia Mecacircnica da Universidade Federal
de Pernambuco A vareta foi reduzida em 86 discos medindo 5 mm de diacircmetro e 2 mm de
altura As amostras foram levadas para tratamento de superfiacutecie no laboratoacuterio de
Farmacognosia do Departamento de Ciecircncias Farmacecircuticas da UFPE
34 Limpeza das amostras
As amostras foram lavadas com hexano por 10 minutos em ultrassom O solvente foi
desprezado em recipiente apropriado As amostras foram colocadas em um Becker de vidro
colocados em estufa a 80ordm C por 10 minutos
35 Divisatildeo dos grupos
Os grupos foram divididos seguindo o Planejamento Fatorial de 23
satildeo apresentados na
Tabela 1
18
Tabela 1 ndash Organizaccedilatildeo dos grupos
Jateamento Ataque aacutecido Fosfato de caacutelcio
Grupo A Sim Sim Sim
Grupo B Natildeo Natildeo Natildeo
Grupo C Sim Natildeo Sim
Grupo D Sim Sim Natildeo
Grupo E Natildeo Natildeo Sim
Grupo F Natildeo Sim Natildeo
Grupo G Natildeo Sim Sim
Grupo H Sim Natildeo Natildeo
36 Tratamentos das superfiacutecies
361 Jateamento com Oacutexido de Alumiacutenio
Foi realizado utilizando oacutexido de alumiacutenio com granulaccedilatildeo meacutedia agrave 80 libras com o
jato direcionado a superfiacutecies dos discos por 10 segundos em cada lado
362 Ataque aacutecido
A segunda etapa foi o ataque aacutecido cuja composiccedilatildeo foi aacutecido cloriacutedrico 59 + 1
de aacutecido fluoriacutedrico e 40 de aacutegua destilada acondicionado em recipiente de polietileno ateacute
momento do uso Em um Becker de 50 ml foram colocados 20 ml do aacutecido por um (01)
minuto
363 Fosfato de Caacutelcio
Foi desenvolvida uma pasta contendo proporccedilatildeo de 13 de aacutegua e fosfato de caacutelcio
terciaacuterio No final da segunda etapa o excesso de aacutecido eacute desprezado e a pasta eacute adicionada ao
Becker onde permanece no ultrassom por 20 minutos Apoacutes a lavagem o material foi
colocado em recipiente de vidro seco em estufa a 40 C por 1 hora armazenados em tubos
tipo Ependorf e encaminhados para as anaacutelises
37 Preparaccedilatildeo do Simulador de Fluiacutedos Corpoacutereos (SBF)
Foi preparado conforme meacutetodo de Kokubo e Takadama (2006) no laboratoacuterio de
Farmacognosia Departamento de Ciecircncias Farmacecircuticas da UFPE
19
Tabela 2 - Composiccedilatildeo quiacutemica do SBF proposta por Kokubo e Takadama (2006)
Reagentes Quantidade Pureza
NaCl 8055 g 995
NaHCO3 0355 g 995
Kcl 0225 g 995
K2PO4 3H2O 0231 g 990
MgCl2 6H2O 0311 g 980
10 M- HCl 39 ml -----------
CaCl2 0292 g 950
NaSO4 0072 g 990
Tris 6118 g 990
10 M HCl 0-5ml ------------ Hidroximetil aminometano
38 Meacutetodos de Avaliaccedilatildeo
381 Microscopia Eletrocircnica de Varredura (MEV)
Para analise da superfiacutecie das amostras foi utilizada microcopia eletrocircnica de varredura
(MEV) JEOL 5600 LV (Japan) voltagem de 10 kV do Departamento de Fiacutesica da UFPE
Foram analisadas em arquivos digitais trecircs campos visuais diferentes para cada disco
Para cada grupo foram avaliados 3 discos totalizando nove aacutereas por grupo Em cada campo
foram obtidas imagens de 200x 1000x e 15000x para anaacutelises comparativas
382 Dimensatildeo Fractal
Existem vaacuterios meacutetodos para o caacutelculo de dimensatildeo fractal como contagem de caixas
(ldquobox countingrdquo) meacutetodo massa-raio (ldquomass-radius methodrdquo) e meacutetodo de correlaccedilatildeo
densidade-densidade (ldquodensity-density correlation function methodrdquo) O meacutetodo contagem de
caixas eacute mais utilizado e consiste em cobrir a estrutura com uma grade de caixas com arestas
de tamanho l e contar o nuacutemero N(l) de caixas que conteacutem pelo menos uma partiacutecula do
sistema Reduz-se sucessivamente o tamanho das caixas e mede-se para cada tamanho o
numero de caixas N(l) nos quais existe pelo menos um ponto do sistema A dimensatildeo fractal eacute
definida pela equaccedilatildeo
de onde segue
Assim traccedila-se um graacutefico do logaritmo de N(l) em funccedilatildeo do logaritmo de 1l e determina-se
a dimensatildeo fractal pela inclinaccedilatildeo do graacutefico (BASSINGTHWAIGHTHE et al 1994)
fDllN
~)(
)1log(~)(log lDlN f
20
4 RESULTADOS E DISCUSSAtildeO
A Figura 3 mostra os cristais formados depois submersatildeo dos implantes em Simulador
de Fluiacutedos Corpoacutereos (SBF) por 30 dias obtidas com auxilio da Microscopia Eletrocircnica de
Varredura Observam-se as formas diferentes dos cristais (cristais grandes ou pequenos
distribuiacutedos uniformemente ou agrupados simples ou ramificados) para diferentes
tratamentos da superfiacutecie dos implantes A forma e a distribuiccedilatildeo espacial dos cristais
formados por SBF refletem o processo de osseointegraccedilatildeo e indicam que uma analise das
propriedades geomeacutetricas destas estruturas para vaacuterios tipos de tratamento da superfiacutecie dos
implantes poderia providenciar informaccedilotildees importantes para avaliaccedilatildeo da qualidade do
implante
A dimensatildeo fractal das imagens dos cristais formados por SBF nas superfiacutecies dos
implantes foi calculada para diferentes tratamentos da superfiacutecie As imagens da Figura 3
foram binarizadas como apresentado na Figura 4 e em seguida a dimensatildeo fractal foi
calculada utilizando o pacote FracLac do software gratuito ImageJ com meacutetodo ldquoBox
countingrdquo Os resultados destes caacutelculos satildeo apresentados na Tabela 3
21
Com jateamento Sem jateamento
Com
ata
que
aacutecid
o
Com
fosf
ato d
e caacute
lcio
S
em f
osf
ato d
e caacute
lcio
Sem
ata
que
aacutecid
o
Com
fosf
ato d
e caacute
lcio
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
Figura 3 Imagens das formaccedilotildees cristalinas nas superfiacutecies das amostras A-H
22
Figura 4 Imagens binarizadas das formaccedilotildees cristalinas nas superfiacutecies das
amostras A-H
Com jateamento
Sem jateamento
Com
ata
que
aacutecid
o
C
om
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
ata
que
aacutecid
o
C
om
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
23
Tabela 3 Dimensatildeo Fractal (desvio padratildeo) das imagens binarizadas apresentadas na Fig 4
Com aacutecido Sem aacutecido
Com fosfato
de caacutelcio
Sem fosfato
de caacutelcio
Com fosfato
de caacutelcio
Sem fosfato
de caacutelcio
Com jateamento 1859 (0014) 1930 (0015) 1693 (0011) 1903 (0014)
Sem jateamento 1920 (0015) 1845 (0013) 1881 (0014) 1687 (0012)
Na Tabela 3 observa-se a maior dimensatildeo fractal dos cristais formados na superfiacutecie
dos implantes tratados com aacutecido do que em tratamentos sem aacutecido indicando maior
preenchimento espacial dos cristais Este resultado pode ser explicado pelo fato que o
tratamento com acido produz uma superfiacutecie de maior rugosidade aumentando a aacuterea de
contato que pode causar uma deposiccedilatildeo maior e mais uniforme As superfiacutecies apenas
maquinadas que natildeo receberam nenhum tratamento tambeacutem apresentaram as formaccedilotildees de
cristais apoacutes imersatildeo no SBF por 30 dias poreacutem em quantidades aparentemente menores
resultando em menor dimensatildeo fractal (1687) do que para as superfiacutecies com tratamentos
diferentes
24
5 CONCLUSAtildeO
A dimensatildeo fractal das imagens dos implantes de titacircnio submetidos agraves diferentes
combinaccedilotildees dos tratamentos da superfiacutecie e submersos em Simulador de Fluiacutedos Corpoacutereos
por 30 dias varia entre Df=168 ate Df=193 refletindo a complexidade da formaccedilatildeo cristal
caracterizada por pequenos ou grandes cristais depositados localmente ou de forma uniforme
com geometria simples ou dendritica dependendo da combinaccedilatildeo dos tratamentos A menor
dimensatildeo fractal de Df=168 foi obtida para amostras sem tratamento nenhum enquanto a
maior dimensatildeo fractal de Df=193 foi obtida para amostras com jateamento e ataque aacutecido
(sem fosfato de caacutelcio) Ataque aacutecido foi identificado como uacutenico dos tratamentos que leva
sistematicamente ao aumento da dimensatildeo cristal enquanto o tamanho e a distribuiccedilatildeo
espacial dos cristais formados demonstram grande diversidade sem aparente dependecircncia em
nenhum dos tratamentos Estudos sistemaacuteticos ldquoin vivordquo satildeo necessaacuterios para estabelecer
quais combinaccedilotildees destes tratamentos de superfiacutecie geram implantes mais biologicamente
estaacuteveis e mecanicamente robustos e como estas propriedades podem ser associadas com a
dimensatildeo fractal dos cristais depositados
25
REFEREcircNCIAS
BARROS NETO B SCHARMINIO I E BRUNS R E Como Fazer experimentos
Pesquisa e desenvolvimento na ciecircncia e na Induacutestria 2 ed- Campinas-SP Editora
Unicamp 2003
BASSINTHWAITGHT JB LIEBOVITCH LS BRUCE JW Fractal physiology New
York Oxford American Physiological Society 1994
BRAringNEMARK R et al Bone response to laser-induced micro- and nano-size titanium
surface features Nanomedicine v 7 n 2 p 220-227 2011
BRAringNEMARK PI et al Osseointegreated implants in the treatment of edentulous jaw
Experience from a 10- year period Scand J Plast Reconst Surg Suppl v 16 p 1-132
1977
CARNEIRO-CAMPOS LE et al The effect of titanium topography features on mesenchymal
human stromal cells adhesion Clin Oral Implants Res v 21 n 2 p 251-254 2010
CHUNG H-W HUANG Y-H Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the
Diagnosis of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology v 174 p
1055-1059 2000
EHRENFEST D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol v 37 p 506-509 2011
GAO L et al MicroNanostructural Porous Surface on Titanium and Bioactivity J Biomed
Mater Res Part B Appl Biomater v 89B n 2 p 335ndash341 2009
GOUVEIA DS Obtenccedilatildeo de poacutes nanomeacutetricos de hidroxiapatita sintetizados com
magneacutesio utilizando ultra-som Tese Instituto de Pesquisas Energeacuteticas e Nucleares S
Paulo 2008
HAMLET S et al The effect of hydrophilic titanium surface modification on macrophage
inflammatory cytokine gene expression Clin Oral Implants Res v 23 n 5 p 584-90
2012
IVANOV PCH et al Multifractality in Human Heartbeat Dynamics Nature v 399 p
461-465 1999
KAumlMMERER PW et al Early implant healing promotion of platelet activation and
cytokine release by topographical chemical and biomimetical titanium surface modifications
in vitro Clin Oral Implants Res v 23 n4 p 504-10 2012
26
KOKUBO TTAKADAMA H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
BIOMATERIALS v 27 n 15 p 2907-2915 2006
LEZZIG et al Implant surface topographies analyzed using fractal dimension Implant
Dent v 20 p 131-138 2012
MANDELBROT BB How long is the coast of Britain Statistical self-similarity and
fractional dimension Science 156 1967 636-638
MANDELBROT BB The Fractal Geometry of Nature New York 1983
MARQUES C Tratamento de superfiacutecies de implantes de titacircnio Dissertaccedilatildeo de
Mestrado apresentada ao Curso de Mestrado em Ciecircncia dos Materiais do Instituto Militar de
Engenharia (IME) 2007
MISCH CE Misch bone density classification In Misch CE ed Contemporary Implant
Densitry 113-114 St Luis Mosby Inc 2009
NOVAES ABJR et al Influence of Implant Surfaces on Osseointegration Braz Dent J v
21 n 6 p 471-481 2010
ORSINI E et al Early Healing Events around Titanium Implant Devices with Different
Surface Microtopography A Pilot Study in an In Vivo Rabbit Model The Scientific World
Journal 349042 2012
PARK S et al The Effect of Fluoride Treatment on Titanium Treated with Anodic Spark
Oxidation Metals and Materials International v 13 n 2 p 117-122 2007
PERROTTI V et al Fractal Analysis A Novel Method to Assess Roughness Organization of
Implant Surface Topography International Journal of Periodontics amp Restorative
Dentistry v 31 n 6 p 633-639 2011
SAacuteNCHEZ I UZCAacuteTEGUI G Fractals in dentistry Journal of Dentistry v 39 n 4 p
273-292 2011
STOSIC T STOSIC B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels IEEE
Transactions on Medical Imaging v 25 p 1101-1107 2006
SULTANA R et al Effects of heat treatment on the bioactivity of surface-modified titanium
in calcium solution Biomed Mater Eng v 19 n 2 p 193-204 2009
TAPASH RR NARAYANAN R KIM K-H Ion implantation of titanium based
biomaterials Progress in Materials Science v 56 n 8 p 1137-1177 2011
27
UPDIKE SX NOWZARI H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res v 43 n 6 p 658-664 2008
WENNERBERG A ALBREKTSSON T Effects of titanium surface topography on bone
integration a systematic review Clin Oral Implants Res v 20 n 4 p 172-84 2009
WUY-T et al Fractal dimension analysis for quantifying cerebellar morphological change
of multiple system atrophy of the cerebellar type (MSA-C) NeuroImage v 49 n 1 p 539-
551 2010
ZAIA A et al MR imaging and osteoporosis fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute
IEEE Trans Inf Technol Biomed v 10 n 3 p 484-489 2006
ZHANG F et al Cell response of titanium implant with a roughened surface containing
titanium hydride an in vitro study J Oral Maxillofac Surg v 68 n 5 p 1131-1139 2010
28
APEcircNDICE
Artigo submetido agrave publicaccedilatildeo na revista
Fractal measure and microscopic modeling of osseointegration
Leonardo Cavalcanti Bezerra dos Santos1 Alessandra de Albuquerque Tavares Carvalho
1
Borko Stosic2 Tatijana Stosic
2 Paulo Jose Duarte Neto
2
1Departamento de Cliacutenica e Odontologia Preventiva Universidade Federal de Pernambuco
Quarta Travessa Artur de Saacute sn Cidade Universitaacuteria 50670-901 Recife PE Brazil
2Departamento de Estatiacutestica e Informaacutetica Universidade Federal Rural de Pernambuco
Rua Dom Manoel de Medeiros sn Dois Irmatildeos 52171-900 Recife PE Brazil
Abstract
In this work the process of osseointegration on titanium implant surfaces with
different physicochemical treatment subjected to a simulated corporal fluid
submersion is evaluated using the concept of fractal dimension It is found that
different treatments lead to rather different calcium phosphate crystal growth
patterns with fractal dimension ranging from Df=168 to Df=193 The
observed crystal patterns may be explained by a general deposition- diffusion-
aggregation growth mechanism where diffusing particle sticking probability
plays a fundamental role
Key words dental implants osseointegration fractal dimension
Introduction
Practical techniques enhancing implant osseointegration represent a fundamental
research topic not only in dentistry but also in other diverse areas of medicine and veterinary
sciences where bone implants or bone restoration is applied [1-3] While great advances in
this direction have undoubtedly been made over the past decades the full understanding is
still lacking on the effects of different implant surface physicochemical treatments as well as
on the microscopic mechanisms of the posterior osseointegration process [4]
Fractal dimension is a novel concept that has been increasingly employed in diverse
areas of knowledge for quantifying the complexity of natural phenomena ranging from
coastlines [5] and shape of volcanic ash particles [6] bronchial tree [7] and neurons [8]
Fractals are in fact commonly found in nature being characterized by scale invariance and
29
self-similarity During the last decades fractal analysis was used in studying diverse
phenomena in physiology and medicine including pulmonary emphysema [9] osteoporoses
[10] retinal blood vessels [11] and heart rate [12] The potential of fractal analysis was also
explored in dentistry [1314] Recently fractal dimension was used to quantify the surface
roughness of dental implants and shown to be promising to differentiate between topological
properties of dental implant surfaces obtained with different treatments [151617]
In this work we follow up on recent studies [15-17] as to how one may employ fractal
analysis to assess roughness organization of implant surface topology Rather than
concentrating on the implant surface properties subject to different physicochemical treatment
processes [15] here we put the emphasis on the results of simulated body fluid submersion
representing a step forward in understanding of implant osseointegration
Materials and Methods
Machined titanium implant samples were first subjected to different combinations of
a) sand blasting with aluminum oxide b) treatment with hydrofluoric acid and c) treatment
with calcium phosphate [18] after which they were submersed in a simulated body fluid [19]
for thirty days Magnified images of these samples were then acquired through scanning
electron microscopy as shown in Fig1 and subjected to image analysis
As opposed to fractal analysis performed in [15] to find the fractal dimension here we
only binarize the images as shown in Fig2 without skeletonization since we are interested in
crystal formation and it was found that skeletonization introduces artefacts (local networks of
lines) not apparent in the original crystal structure There are various methods for fractal
dimension calculation among which the box-counting method is perhaps the most widely
used because of its simplicity and robustness [20] It proceeds as follows Cover the structure
with a grid of size r and count the number of nonempty grid boxes )(rn Repeat this
procedure for different grid size for fractal self-similar structures 0~)(D
rrn
Box-counting
dimension is defined as
)1log(
)(loglim
0 r
rnD
rf
and can be estimated as the slope of the linear regression of )(log rn versus )1log( r We
calculate fractal dimension using the box counting method implemented in the FracLac
Package of open source software ImageJ
30
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid
tre
atm
ent
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 1 Electron microscope images of samples with different treatment after
submersion in simulated body fluid
31
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid t
reat
men
t
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 2 Same images as in Fig1 after binarization
32
Results and Discussion
It is seen on Fig1 that different combinations of implant surface treatment lead to
rather different crystal pattern formation during the simulated body fluid submersion No clear
conclusions can be drawn as to the size of spatial distribution of formed crystals
corresponding to any single treatment rather it is the combinations of these procedures that
lead to specific resulting structures Large and small crystals uniformly or locally deposited
of simple or dendritic shape are found for different treatment combinations and further in
vivo studies are necessary to determine which of these provide more robust implants with
best mechanical properties
In line with the previous study [15] that has motivated the current work we calculate
the fractal dimension of binarized images shown in Fig2 with the results presented in Table
1 The obtained fractal dimension values vary between Df=168 and Df=193 indicating the
potential of this method to quantify spatial complexity of formed crystals for different implant
surface treatments It is seen from Table 1 that in general the fractal dimension of implant
surface after submersion in SBF tends to be greater in the cases of treatment with acid
(keeping the same combination of sand blasting and calcium phosphate coating) that reflects
the fact that acid etching produces micro pits on titanium surface that greatly enhance
osseointegration [4] The highest value of fractal dimension (193) is obtained for the implant
treated by sand blasting and acid etching indicating that the surface roughness produced by
this treatment results in more uniform and more space filling crystal deposits The fractal
dimension of surfaces treated only by sand blasting acid etching and calcium phosphate are
1903 1845 and 1881 respectively and they are significantly higher than the fractal
dimension of untreated surface (1687) confirming the role of implant surface chemistry and
topology in the process of osseointegration Although our results show that surface topology
of treated implants has higher fractal dimension than that of untreated implants it is still not
clear which treatment or combination of treatments produces the best surfaces for
osseointegration It is also seen from Table 1 that the fractal dimension is higher for all of the
treated surfaces in comparison with the surface without any treatments (with the smallest
fractal dimension value) which reflects the fact that all these treatments produce surface
effects that favorably influence the complexity of the final crystal structure On the other
hand there is no clear evidence as to how these values may be associated with the quality of
implants without further in vivo experiments
33
Table 1 Fractal dimension (standard deviation) of binarized images shown in Fig2
Acid treatment No acid
Calcium
phosphate
No calcium
phosphate
Calcium
phosphate
No calcium
Phosphate
Sand blasted 1859 (0014) 1930 (0015) 1693 (0011) 1903 (0014)
No sand blasting 1920 (0015) 1845 (0013) 1881 (0014) 1687 (0012)
The current study suggests that a general Deposition Difusion Aggregation (DDA)
model [21] may be used to describe crystal formation in the different scenarios covered in the
present work One may perceive that the molecules present in the solution deposit on the
implant surface and move along this surface until they reach other such molecules andor
already crystallized formations where they become incorporated into the crystal structure
The concentration of the (in the current experiment simulated corporal) fluid determines the
flux of deposition and the mobility of the molecules (and perhaps larger molecular
agglomerates) is governed by the topology (roughness) of the implant surface It is well
known [21] that the flux and mobility of aggregate particles lead to rather different deposition
patterns ranging from many uniformly distributed small DLA (Diffusion Limited
Aggregation) like crystals to large dendritic structures and the DDA model apparently
represents an excellent candidate to describe the diversity of observed crystal patterns seen
on the electron microscope images of Fig 1
Conclusion
We apply fractal analysis on binarized scanning electron microscopy images of the
surface of titanium implants that were first subjected to different treatment combinations of i)
sand blasting ii) acid etching and iii) exposition to calcium phosphate and were then
submersed in a simulated corporal fluid for thirty days The obtained fractal dimension values
vary between Df=168 to Df=193 reflecting the complexity and space filling property of the
final crystal structure characterized by large and small crystals uniformly or locally
deposited of simple or dendritic shape that were found for different treatment combinations
Further in vivo studies are necessary to determine how these values may be associated with
the quality of implants
34
References
[1] Albrektsson T Sennerby L Wennerberg A State of the art of oral implants Periodontol
2000 2008 47 15-26
[2] Wazen JJ Gupta R Ghossaini S Spitzer J Farrugia M Tjellstrom A
Osseointegration timing for Baha system loading Laryngoscope 2007 117 794-796
[3] Palmquist A Jarmar T Emanuelsson L Braringnemark R Engqvist H Thomsen P
Forearm bone-anchored amputationprosthesis a case study on the osseointegration Acta
Orthop 2008 79 78-85
[4] Le Gueacutehennec L Soueidan A Layrolle P Amouriq Y Surface treatments of titanium
dental implants for rapid osseointegration Dental Materiasl 2007 23 844-854
[5] Mandelbrot BB The Fractal Geometry of Nature New York Freeman 1983 25
[6]Dellino PLiotino G The fractal and multifractal dimension of volcanic ash particles
contour a test study on the utility and volcanological relevance Journal of Volcanology and
Geothermal Research 2002 113 1-18
[7] Majumdar A Alencar AM Buldyrev SV Hantos Z Lutchen KR Stanley HE Suki B
Relating airway diameter distributions to regular branching asymmetry in the lung Phys Rev Lett 2005 95 168101
[8] Jelinek HF Fernandez E Neurons and fractals how reliable and useful are calculations of
fractal dimensions Journal of Neuroscience Methods 1998 81 9 ndash 18
[9] Chung HW HUANG YH Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the Diagnosis
of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology 2000 174 1055-1059
[10] Zaia A Eleonori R Maponi P Rossi R Murri R MR imaging and osteoporosis
fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute IEEE Trans Inf Technol Biomed 2006 10
484-489
[11] Stosic T Stosic B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels EEE Transactions
on MIedical Imaging 2006 25 1101-1107
[12] Goldberger AL Amaral LAN Hausdorff JM Ivanov PCh Peng CK Stanley
HE Fractal dynamics in physiology Alterations with disease and aging PNAS 2002 99
2466-2472
[13] Saacutenchez I Uzcaacutetegui G Fractals in dentistry Journal of Dentistry 2011 39 273-292
[14] Updike SX Nowzari H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res 2008 43 658-664
[15] Perotti V Aprile G Degidi M Piatelli A Lezzi G Fractal analysis a novel method to
assess roughness organization of implant surface topography Int J Peridontic Restorative
Dent 2011 31 633-639
[16] Ehrenfest D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol 2011 37 506-509
35
[17] Lezzi G Aprile G Tripodi D Scarano A Piatelli A Perotti V Implant surface
topographies analyzed using fractal dimension Implant Dent 2012 20 131-138
[18] Guo CY Tang ATH Matinlinna JP Insights into surface treatment methods of titanium
dental implants Journal of Adhesion Science amp Technology 2012 26 189ndash205
[19] Kokubo T Takadama H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
Biomaterials 2006 27 2907-2915
[20] Theiller J Estimating fractal dimension J Opt Soc Am 1990 7 1055-1073
[21] P Jensen A-L Barabaacutesi H Larralde S Havlin H E Stanley Model incorporating
deposition diffusion and aggregation in submonolayer nanostructures Phys Rev E (1994)
50 618ndash621
8
RESUMO
Os dados disponiacuteveis de estudos com animais e em seres humanos sugerem que a topografia
da superfiacutecie melhorada estaacute associada ao aumento da biocompatibilidade e do contato osso-
implante ocasionando um maior intertravamento e dessa forma contribuindo para uma
obtenccedilatildeo de uma osseointegraccedilatildeo mais raacutepida e duradoura Com objetivo de comparar os
diferentes meacutetodos de tratamento de superfiacutecie dos implantes no trabalho atual foi avaliada a
dimensatildeo fractal dos cristais formados ao longo da imersatildeo no simulador de fluiacutedos corpoacutereos
(SBF) dos implantes de titacircnio previamente sujeitos agraves diferentes combinaccedilotildees de tratamento
de superfiacutecie com i) jateamento ii) ataque aacutecido e iii) fosfato de caacutelcio representando um
meacutetodo de tratamento de superfiacutecie desenvolvido na Universidade Federal de Pernambuco
(UFPE) Foram confeccionados 48 discos medindo 5 mm diacircmetro por 2 mm de altura no
Departamento de Engenharia Mecacircnica divididos em oito grupos contendo seis discos cada
Cada grupo A recebeu o tratamento completo composto por jateamento aacutecido e fosfato de
caacutelcio o grupo B foi o controle (apenas maquinado) enquanto os outros grupos receberam
tratamentos parciais seguindo modelo experimental com anaacutelises multi fatoriais A formaccedilatildeo
de cristais ocorreu em todos os grupos poreacutem com formaccedilotildees cristais dos diferentes
tamanhos e formas bem como diferente distribuiccedilatildeo espacial As amostras com ataque acido
mostraram aumento da dimensatildeo fractal indicando maior preenchimento espacial das
formaccedilotildees cristais Por outro lado o tamanho dos cristais formados sua forma em termos da
compacidade e niacutevel de ramificaccedilatildeo e sua distribuiccedilatildeo espacial natildeo podem ser vinculados
aos tratamentos especiacuteficos Estudos futuros experimentais ldquoin vivordquo satildeo necessaacuterios para
elucidar a associaccedilatildeo entre a dimensatildeo fractal observada no trabalho atual e as propriedades
mecacircnicas e bioloacutegicas dos implantes realizados com estes procedimentos diferentes
Palavras chaves osseointegraccedilatildeo implantes biomateriais
9
ABSTRACT
The data available from animal and human subject studies suggest that enhancing the implant
surface topography is associated with increase of biocompatibility and the bone-implant
interface leading to their better interlock and therefore contributing to more rapid and more
lasting osseointegration With the objective of comparison of different implant surface
treatments the current study was conducted to evaluate the fractal dimension of crystal
structures formed during submersion in a corporal fluid simulator (CFS) of titanium implants
previously subjected to different combinations of surface treatment consisting of i) sand
blasting ii) acid attack and iii) calcium phosphate the combination of all three representing a
surface treatment method developed at the Federal University of Pernambuco (UFPE) A total
of 48 discs of diameter 5mm and heights 2mm were fabricated at the Department of
Mechanical Engineering divided in eight groups of six discs each Group A received the full
treatment composed of sand blasting acid and calcium phosphate group B was control (only
machined) and the other groups received partial treatments following the experimental multi
factor model Crystal formation occurred in all the groups however with crystal formations of
different size and form as well as different spatial distribution Samples with acid attack
demonstrated higher fractal dimension indicating a higher space filling of crystals formations
On the other hand the size of crystals their form in terms of compactness and ramification
level as well as their spatial distribution could not be associated with specific treatments
Further experimental ldquoin vivordquo studies are necessary to shed light on the association between
the fractal dimension observed in the current work and the mechanical and biological
properties of implants implemented using these different procedures
Key words osseointegration implants biomaterials
10
SUMAacuteRIO
1 INTRODUCcedilAtildeO 10
2 REVISAtildeO DA LITERATURA 12
21 Biocompatibilidade 12
22 Estrutura oacutessea 12
23 Titacircnio e a hidroxiapatita 12
24 Fractais 15
3 MATERIAL E MEacuteTODOhellip 16
31 Modelo experimental 16
32 Preparos dos corpos de Provas 16
33 Usinagem 16
34 Limpeza das amostras 16
35 Divisatildeo dos grupos 16
36 Tratamentos das superfiacutecies 17
361 Jateamento com oacutexido de Alumiacutenio 17
362 Ataque aacutecido 17
363 Fosfato de Caacutelcio 17
37 Preparaccedilatildeo do simulador de Fluiacutedos Corpoacutereos (SBF) 17
38 Meacutetodos de Avaliaccedilatildeo 18
381 Microscopia Eletrocircnica de Varredura (MEV) 18
382 Dimensatildeo Fractal 18
4 RESULTADOS E DISCUSSAtildeO 19
5 CONCLUSAtildeO 23
REFEREcircNCIAS 24
APEcircNDICE - Artigo submetido aacute publicaccedilatildeo na revista 27
11
1 INTRODUCcedilAtildeO
A osseointegraccedilatildeo representa um fator fundamental para o sucesso de implantes
dentaacuterios tendo como base o estabelecimento da estabilidade mecacircnica primaacuteria e fixaccedilatildeo
bioloacutegica posterior Ela poderaacute ser influenciada por vaacuterios fatores como arquitetura oacutessea
original e sua densidade o desenho do implante e o tratamento de superfiacutecie (ORSINI et al
2012)
O processo de tratamento de superfiacutecie eacute realizado apoacutes a usinagem depois de
remover resiacuteduos como oacuteleo e outros contaminantes As superfiacutecies com capacidade
osteoindutora preparadas com um processo que vai aleacutem de uma simples limpeza satildeo
comumente chamadas de ativas Os dados disponiacuteveis de estudos com animais e em seres
humanos sugerem que a topografia da superfiacutecie melhorada estaacute associada ao aumento da
biocompatibilidade e do contato osso-implante ocasionando um maior intertravamento com o
osso e dessa forma contribuindo para uma obtenccedilatildeo de uma integraccedilatildeo mais raacutepida e
duradoura
Vaacuterios meacutetodos para modificar a topografia das superfiacutecies dos implantes jaacute foram
introduzidos como revestimento com hidroxiapatita que usa o processo conhecido como
Titacircnio Plasma spray (TPS) abrasotildees com jateamento com oxido de titacircnio ou oxido de
alumiacutenio pulverizaccedilatildeo catoacutedica com fosfato de Caacutelcio anodizaccedilatildeo aleacutem do Laser Nd-Yag
segundo Braringnemark et al (2011) e diferentes meacutetodos quiacutemicos e bioloacutegicos como a adiccedilatildeo
de peptiacutedeos ( KAumlMMERER et al 2012)
O ataque aacutecido foi citado por vaacuterios autores como mecanismo uacutetil para promover
micro ranhuras que aumentariam a aacuterea de contato permitindo deposiccedilatildeo da matriz oacutessea
secretada pelos osteoblastos e posterior calcificaccedilatildeo Efeito sobre a densidade oacutessea foi
observado em estudos com diferentes superfiacutecies quando peptiacutedeos foram adicionados
(HAMLET et al 2012) Os aacutecidos mais utilizados satildeo cloriacutedrico sulfuacuterico fosfoacuterico e o
fluoriacutedrico onde dependendo da composiccedilatildeo tempo de contato e temperatura os resultados
poderatildeo ser diferentes O tratamento com aacutecidos na superfiacutecie de titacircnio em estudos com
cultura de ceacutelulas confirmou presenccedila de titacircnia anastase e maior proliferaccedilatildeo celular
(ZHANG et al 2010) O efeito da temperatura na formaccedilatildeo de cristais foi maior quando o
titacircnio foi submetido a tratamento teacutermico entre 400 e a 600ordm C (SULTANA et al 2009)
12
Os implantes satildeo avaliados macroscopicamente quanto a seu desenho enquanto para
a caracterizaccedilatildeo da topografia usa-se a microscopia eletrocircnica de varredura (MEV) a niacuteveis
micromeacutetricos e sub micromeacutetricos (PERROTTI et al 2011 CARNEIRO-CAMPOS et al
2010) e para a caracterizaccedilatildeo da composiccedilatildeo atocircmica usam-se Raios X (EDS) e a
cristalografia (PARK et al 2007 WENNERBERG et al 2009 NOVAES et al 2010 GAO
et al 2009)
Pelo menos cinco efeitos poderatildeo ser atribuiacutedos agrave formaccedilatildeo das rugosidades i) o
aumento da superfiacutecie junto ao osso adjacente ii) melhoria da fixaccedilatildeo celular ao titacircnio iii)
aumento da quantidade de osso junto ao implante iv) aumento da interaccedilatildeo biomecacircnica entre
o osso e o implante e v) processos inflamatoacuterios Peri implantares quando a rugosidade
apresenta-se na aacuterea trans mucosa (PERROTTI et al 2011) Poreacutem ainda natildeo existe
consenso geral tanto na literatura cientiacutefica quanto na pratica sobre quais tratamentos de
superfiacutecie de implantes resultariam em melhor e mais raacutepida osseointegraccedilatildeo e quais as
melhores propriedades dos implantes em relaccedilatildeo destes efeitos individuais Para contribuir
para o melhor entendimento desta questatildeo o objetivo deste estudo foi analisar ldquoin vitrordquo como
o tratamento da superfiacutecie no processo de fabricaccedilatildeo de implantes afetaria o processo de
formaccedilatildeo de cristais apoacutes imersatildeo no simulador de fluiacutedos corpoacutereos (SBF) Implantes de
titacircnio foram sujeitos agraves diferentes combinaccedilotildees de tratamento de superfiacutecie com i)
jateamento ii) ataque aacutecido e iii) fosfato de caacutelcio e depois de imersatildeo no SBF por 30 dias as
imagens da superfiacutecie obtidas por microscopia eletrocircnica foram sujeitas a analise fractal
13
2 REVISAtildeO DA LITERATURA
Osseointegraccedilatildeo eacute a uniatildeo estrutural e funcional entre o implante e o tecido oacutesseo
quando submetido a uma carga funcional (BRANEMARCK et al 1977) Vaacuterios fatores
poderatildeo interferir na forma e no tempo dessa integraccedilatildeo
21 Biocompatibilidade
Os materiais utilizados para fabricaccedilatildeo de implantes devem ter uma boa resistecircncia
mecacircnica elevada estabilidade quiacutemica excelente resistecircncia agrave corrosatildeo e
biocompatibilidade O titacircnio eacute usado extensivamente nos ossos como sistemas de ancoragem
implantes dentaacuterios e ortopeacutedicos bem como aplicaccedilotildees de osteossiacutentese (MARQUES 2007)
Nos implantes a cicatrizaccedilatildeo oacutessea sem a presenccedila de fibroses eacute desejaacutevel Fatores
relacionados agrave teacutecnica ciruacutergica desenho do implante com o seu respectivo tratamento de
superfiacutecie e fatores ligados ao paciente satildeo variaacuteveis que poderatildeo influenciar na sua
integraccedilatildeo
22 Estrutura oacutessea
A densidade oacutessea eacute um fator importante na longevidade dos implantes independente
da regiatildeo na arcada dentaacuteria baseado em caracteriacutesticas macroscoacutepicas da cortical e do
trabeculado oacutesseo (Misch 1998) classificou em cinco tipos de osso
D1 Osso cortical denso (gt 1250 UH)
D2 Apresenta cortical denso e osso trabeculado grosso (850 a 1250 UH)
D3 Cortical oacutessea fina e trabeculado fino (350 a 850 UH)
D4 Osso trabecular fino (150 a 350 UH)
D5 Osso natildeo-mineralizado imaturo (lt 150 UH)
onde UH satildeo unidades da escala de Hounsfield (com valores -1000 para ar 0 para aacutegua e
3000 para dentes)
23 Titacircnio e a hidroxiapatita
Verick (2003) verificou o meacutetodo de biomimetizaccedilatildeo de superfiacutecie de titacircnio
comercialmente puro (Ti-cp) tratado com hidroacutexido de soacutedio e colocado no SBF super
saturado e observou apoacutes 24 horas alguns tipos de apatitas precipitadas sobre o substrato
14
juntamente com a fase cristalina da hidroxiapatita e comparou com o difratograma de uma
mandiacutebula humana onde observou-se a semelhanccedila dos picos Concluiu que no processo de
nucleaccedilatildeo lento a fase majoritaacuteria encontrada foi a hidroxiapatita As outras fases presentes
apareceram em pequenas quantidades sendo a proacutexima fase da maior presenccedila fosfato
octacaacutelcico
Titacircnio comercialmente puro e suas ligas como Ti-6Al-4V satildeo usadas em cirurgias
ortopeacutedicas O moacutedulo de elasticidade do titacircnio e da liga Ti6Al4V variaria entre 100 e
120GPa e do osso entre 10 e 30GPa A diferenccedila do moacutedulo de elasticidade da proacutetese e do
osso seria desfavoraacutevel para o remodelamento oacutesseo Para resolver este problema e melhorar
as propriedades mecacircnicas e bioloacutegicas novas ligas de titacircnio foram desenvolvidas para
aplicaccedilotildees biomeacutedicas O meacutetodo normal para se conseguir um melhor desempenho das ligas
de titacircnio quanto agraves propriedades mecacircnicas e bioloacutegicas seria modificar sua composiccedilatildeo
Alguns elementos como NbTa Mo e Zr Fe Cr e Sn usualmente adicionados nas ligas de
titacircnio para formar completa ou parcialmente a estrutura que possuem baixo moacutedulo de
elasticidade e contribuem para diminuir a diferenccedila entre o moacutedulo de elasticidade da liga e
do osso Aleacutem disso certos elementos de liga como Cu Co Ni e Si satildeo utilizados para
aumentar a resistecircncia mecacircnica das ligas Nos estudos comparativos com quatro superfiacutecies
tratadas com aacutecidos fluoretos e apenas usinada as anodizadas mostraram melhores resultados
de deposiccedilatildeo de iacuteons (MARQUES 2007)
A Hidroxiapatita sintetizada eacute um dos materiais mais atrativos para uso como
biomaterial devido a sua similaridade composicional e bioloacutegica com a fase inorgacircnica do
osso humano A estrutura da HA permite substituiccedilotildees catiocircnicas e aniocircnicas isomorfas com
facilidade as quais poderatildeo alterar a cristalinidade a morfologia e os paracircmetros de rede A
estabilidade a bioatividade e a biocompatibilidade do material obtido Tais caracteriacutesticas
positivas podem ser explicadas pela natureza quiacutemica por serem formados basicamente por
iacuteons caacutelcio e fosfato participam ativamente do equiliacutebrio iocircnico entre o fluido bioloacutegico e a
ceracircmica Uma forma conveniente de classificar os vaacuterios fosfatos de caacutelcio eacute pela sua razatildeo
molar CaP que pode variar de 05 a 20 A solubilidade eacute uma das mais importantes
propriedades dos compostos de fosfato de caacutelcio Esta biocompatibilidade favorece o
crescimento oacutesseo para os locais em que a HA se encontra Estabelecendo ligaccedilotildees de
natureza quiacutemica entre ela e o tecido oacutesseo (bioativo) permitindo a proliferaccedilatildeo de
fibroblastos osteoblastos e outras ceacutelulas oacutesseas as quais natildeo a distinguem da superfiacutecie
oacutessea o que indica a grande similaridade quiacutemica superficial (GOUVEIA 2008)
15
O tratamento teacutermico da superfiacutecie pode induzir aumento da nucleaccedilatildeo dos cristais de
hidroxiapatita como mostrado pelo Ling e colaboradores (GAO et al 2009) As superfiacutecies
tratadas com ataque aacutecido e anodizaccedilatildeo foram submetidas a tratamento teacutermico a 450ordm C por 6
horas Foram observados cristais de anatase medindo em torno de 20 nm e em seguida as
amostras com e sem tratamento teacutermico foram colocadas em 15 SBF por 7 dias e avaliados
em termos de nucleaccedilatildeo dos cristais
Superfiacutecie tratada por laser tambeacutem pode apresentar melhor fixaccedilatildeo da interface osso-
implante como mostrado (BRAringNEMARK et al 2011) a niacutevel micro e nano escala em
estudos em tiacutebia de coelho com o objetivo de avaliar a resposta biomecacircnica e histoloacutegica de
implantes de titacircnio tratados por laser em comparaccedilatildeo com os implantes apenas usinados
Verificaram que apoacutes 8 semanas tiveram um aumento de 250 no torque de remoccedilatildeo para
superfiacutecies tratadas com laser em relaccedilatildeo as apenas maquinadas Concluiacuteram que existiu uma
melhor fixaccedilatildeo da interface osso-implante promovida por alteraccedilotildees em micro e nano-escala
da topografia da superfiacutecie do implante
Em outro recente experimento ldquoin vivordquo (ORSINI et al 2012) a superfiacutecie tratada
com jateamento e ataque aacutecido (SLA) apresentou maior osteocondutividade quando
comparada com a superfiacutecie natildeo tratada verificando que houve maior deposiccedilatildeo de novo osso
na superfiacutecie de titacircnio
Implantes revestidos com Hidroxiapatiata (HA) reagem de uma maneira direta com
o tecido oacutesseo em cinco fases distintas i) com a dissoluccedilatildeo de HA ii) a precipitaccedilatildeo de
apatita iii) trocas iocircnicas acompanhada por absorccedilatildeo e incorporaccedilatildeo de moleacuteculas bioloacutegicas
iv) a ligaccedilatildeo de ceacutelulas proliferaccedilatildeo e diferenciaccedilatildeo em osteoblastos e v) a formaccedilatildeo da
matriz extra celular e mineralizaccedilatildeo Para que esses efeitos em cascata ocorram a dissoluccedilatildeo
do revestimento de HA representa um passo fundamental Esta dissoluccedilatildeo eacute citada como um
requisito importante para induzir a precipitaccedilatildeo da hiroxiapatita sobre a superfiacutecie do implante
(TAPASH et al 2011) O tratamento quiacutemico dos biomateriais poderaacute apresentar alto impacto
na ativaccedilatildeo plaquetaacuteria Mais especificamente o adesivo sequecircncia peptiacutedica ceacutelula bioativo
Arg-Gli-Asp (RGD) desencadeia a ativaccedilatildeo plaquetaacuteria mediada pelo receptor de integrina
aIIbb3 Deste modo as superfiacutecies tratadas com substacircncias biomimeacutetica (peacuteptidio RGD
imobilizado) poderiam aumentar no iniacutecio ativaccedilatildeo de plaquetas e da cicatrizaccedilatildeo oacutessea junto
ao implante (KAumlMMERER et al 2012)
16
24 Fractais
O termo fractal foi introduzido por Benoit Mandelbrot (MANDELBROT 1983) para
descrever geometria dos sistemas naturais formados pelos processos estocaacutesticos longe do
equiliacutebrio Como exemplos desses sistemas podem-se citar as aacutervores ramificadas linhas
costeiras nuvens poliacutemeros estruturas cardiopulmonares (rede arterial aacutervore
traqueobronquial) etc (MANDELBROT 1983 BASSINGTHWAIGHTE et al 1994) A
diferenccedila entre a geometria fractal e a geometria euclidiana eacute que fractais possuem dimensatildeo
natildeo inteira (fracionaacuteria) e propriedade de auto-similaridade (partes do objeto se assemelham ao
objeto como todo) Os exemplos citados representam fractais estocaacutesticos e possuem a
propriedade de auto-similaridade em sentido estatiacutestico dentro de um intervalo de escala onde
o limite inferior representa a dimensatildeo das componentes elementares (eg partiacuteculas) do
sistema e o limite superior representa a dimensatildeo linear do sistema Durante ultimas deacutecadas o
conceito fractal foi amplamente utilizado para descrever a complexidade dos sistemas
fisioloacutegicos tanto na analise das imagens medicas quanto na analise dos sinais fisioloacutegicos e
mostrou se eficiente em diferenciaccedilatildeo entre os casos saudaacuteveis e patoloacutegicos Os exemplos
incluem osteoporoses (ZAIA et al 2006) enfisema pulmonar (CHUNG e HUANG 2000)
doenccedilas degenerativas neuroloacutegicas (WU et al 2010) alteraccedilotildees em vascularizaccedilatildeo da retina
(STOSIC 2006) doenccedilas cardiovasculares (IVANOV et al 1999) entre outros
O potencial da analise fractal tambeacutem foi explorado na odontologia (SAacuteNCHEZ e
UZCAacuteTEGUI 2011 UPDIKE e NOWZARI 2008) Nos uacuteltimos anos a dimensatildeo fractal foi
utilizada para descrever a rugosidade da superfiacutecie do implante sendo uacutetil para quantificaccedilatildeo
das diferenccedilas entre as superfiacutecies dos implantes obtidas utilizando diversos tratamentos
(PEROTTI et al 2011 LEZZI et al 2012 EHRENFEST et al 2011)
17
3 MATERIAL E MEacuteTODO
Este estudo foi planejado uma anaacutelise multifatorial tendo como objetivo analisar
diferentes tratamentos da superfiacutecie de implante em relaccedilatildeo agrave deposiccedilatildeo de Hidroxiapatita que
eacute considerado um fator relevante pela literatura especializada
31 Modelo experimental
Foi desenvolvido um modelo ldquoin vitrordquo utilizando simulador de fluiacutedos corpoacutereos onde
as amostras foram submergidas por 30 dias e em seguida analisadas por microscopia eletrocircnica
32 Preparos dos Corpos de Provas
O titacircnio foi adquirido atraveacutes da Empresa Tinbrazil barras medindo 6 mm de
diacircmetro por 1 metro de comprimento com laudo de certificaccedilatildeo emitido pela importadora
acima Como sendo titacircnio grau II Ti-6Al-4V conforme a ASTM usados na fabricaccedilatildeo de
implantes dentaacuterios
33 Usinagem
Foi utilizado torno computadorizado marca ROMI com ferramentas de corte
fabricadas em ceracircmica no Departamento de Engenharia Mecacircnica da Universidade Federal
de Pernambuco A vareta foi reduzida em 86 discos medindo 5 mm de diacircmetro e 2 mm de
altura As amostras foram levadas para tratamento de superfiacutecie no laboratoacuterio de
Farmacognosia do Departamento de Ciecircncias Farmacecircuticas da UFPE
34 Limpeza das amostras
As amostras foram lavadas com hexano por 10 minutos em ultrassom O solvente foi
desprezado em recipiente apropriado As amostras foram colocadas em um Becker de vidro
colocados em estufa a 80ordm C por 10 minutos
35 Divisatildeo dos grupos
Os grupos foram divididos seguindo o Planejamento Fatorial de 23
satildeo apresentados na
Tabela 1
18
Tabela 1 ndash Organizaccedilatildeo dos grupos
Jateamento Ataque aacutecido Fosfato de caacutelcio
Grupo A Sim Sim Sim
Grupo B Natildeo Natildeo Natildeo
Grupo C Sim Natildeo Sim
Grupo D Sim Sim Natildeo
Grupo E Natildeo Natildeo Sim
Grupo F Natildeo Sim Natildeo
Grupo G Natildeo Sim Sim
Grupo H Sim Natildeo Natildeo
36 Tratamentos das superfiacutecies
361 Jateamento com Oacutexido de Alumiacutenio
Foi realizado utilizando oacutexido de alumiacutenio com granulaccedilatildeo meacutedia agrave 80 libras com o
jato direcionado a superfiacutecies dos discos por 10 segundos em cada lado
362 Ataque aacutecido
A segunda etapa foi o ataque aacutecido cuja composiccedilatildeo foi aacutecido cloriacutedrico 59 + 1
de aacutecido fluoriacutedrico e 40 de aacutegua destilada acondicionado em recipiente de polietileno ateacute
momento do uso Em um Becker de 50 ml foram colocados 20 ml do aacutecido por um (01)
minuto
363 Fosfato de Caacutelcio
Foi desenvolvida uma pasta contendo proporccedilatildeo de 13 de aacutegua e fosfato de caacutelcio
terciaacuterio No final da segunda etapa o excesso de aacutecido eacute desprezado e a pasta eacute adicionada ao
Becker onde permanece no ultrassom por 20 minutos Apoacutes a lavagem o material foi
colocado em recipiente de vidro seco em estufa a 40 C por 1 hora armazenados em tubos
tipo Ependorf e encaminhados para as anaacutelises
37 Preparaccedilatildeo do Simulador de Fluiacutedos Corpoacutereos (SBF)
Foi preparado conforme meacutetodo de Kokubo e Takadama (2006) no laboratoacuterio de
Farmacognosia Departamento de Ciecircncias Farmacecircuticas da UFPE
19
Tabela 2 - Composiccedilatildeo quiacutemica do SBF proposta por Kokubo e Takadama (2006)
Reagentes Quantidade Pureza
NaCl 8055 g 995
NaHCO3 0355 g 995
Kcl 0225 g 995
K2PO4 3H2O 0231 g 990
MgCl2 6H2O 0311 g 980
10 M- HCl 39 ml -----------
CaCl2 0292 g 950
NaSO4 0072 g 990
Tris 6118 g 990
10 M HCl 0-5ml ------------ Hidroximetil aminometano
38 Meacutetodos de Avaliaccedilatildeo
381 Microscopia Eletrocircnica de Varredura (MEV)
Para analise da superfiacutecie das amostras foi utilizada microcopia eletrocircnica de varredura
(MEV) JEOL 5600 LV (Japan) voltagem de 10 kV do Departamento de Fiacutesica da UFPE
Foram analisadas em arquivos digitais trecircs campos visuais diferentes para cada disco
Para cada grupo foram avaliados 3 discos totalizando nove aacutereas por grupo Em cada campo
foram obtidas imagens de 200x 1000x e 15000x para anaacutelises comparativas
382 Dimensatildeo Fractal
Existem vaacuterios meacutetodos para o caacutelculo de dimensatildeo fractal como contagem de caixas
(ldquobox countingrdquo) meacutetodo massa-raio (ldquomass-radius methodrdquo) e meacutetodo de correlaccedilatildeo
densidade-densidade (ldquodensity-density correlation function methodrdquo) O meacutetodo contagem de
caixas eacute mais utilizado e consiste em cobrir a estrutura com uma grade de caixas com arestas
de tamanho l e contar o nuacutemero N(l) de caixas que conteacutem pelo menos uma partiacutecula do
sistema Reduz-se sucessivamente o tamanho das caixas e mede-se para cada tamanho o
numero de caixas N(l) nos quais existe pelo menos um ponto do sistema A dimensatildeo fractal eacute
definida pela equaccedilatildeo
de onde segue
Assim traccedila-se um graacutefico do logaritmo de N(l) em funccedilatildeo do logaritmo de 1l e determina-se
a dimensatildeo fractal pela inclinaccedilatildeo do graacutefico (BASSINGTHWAIGHTHE et al 1994)
fDllN
~)(
)1log(~)(log lDlN f
20
4 RESULTADOS E DISCUSSAtildeO
A Figura 3 mostra os cristais formados depois submersatildeo dos implantes em Simulador
de Fluiacutedos Corpoacutereos (SBF) por 30 dias obtidas com auxilio da Microscopia Eletrocircnica de
Varredura Observam-se as formas diferentes dos cristais (cristais grandes ou pequenos
distribuiacutedos uniformemente ou agrupados simples ou ramificados) para diferentes
tratamentos da superfiacutecie dos implantes A forma e a distribuiccedilatildeo espacial dos cristais
formados por SBF refletem o processo de osseointegraccedilatildeo e indicam que uma analise das
propriedades geomeacutetricas destas estruturas para vaacuterios tipos de tratamento da superfiacutecie dos
implantes poderia providenciar informaccedilotildees importantes para avaliaccedilatildeo da qualidade do
implante
A dimensatildeo fractal das imagens dos cristais formados por SBF nas superfiacutecies dos
implantes foi calculada para diferentes tratamentos da superfiacutecie As imagens da Figura 3
foram binarizadas como apresentado na Figura 4 e em seguida a dimensatildeo fractal foi
calculada utilizando o pacote FracLac do software gratuito ImageJ com meacutetodo ldquoBox
countingrdquo Os resultados destes caacutelculos satildeo apresentados na Tabela 3
21
Com jateamento Sem jateamento
Com
ata
que
aacutecid
o
Com
fosf
ato d
e caacute
lcio
S
em f
osf
ato d
e caacute
lcio
Sem
ata
que
aacutecid
o
Com
fosf
ato d
e caacute
lcio
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
Figura 3 Imagens das formaccedilotildees cristalinas nas superfiacutecies das amostras A-H
22
Figura 4 Imagens binarizadas das formaccedilotildees cristalinas nas superfiacutecies das
amostras A-H
Com jateamento
Sem jateamento
Com
ata
que
aacutecid
o
C
om
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
ata
que
aacutecid
o
C
om
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
23
Tabela 3 Dimensatildeo Fractal (desvio padratildeo) das imagens binarizadas apresentadas na Fig 4
Com aacutecido Sem aacutecido
Com fosfato
de caacutelcio
Sem fosfato
de caacutelcio
Com fosfato
de caacutelcio
Sem fosfato
de caacutelcio
Com jateamento 1859 (0014) 1930 (0015) 1693 (0011) 1903 (0014)
Sem jateamento 1920 (0015) 1845 (0013) 1881 (0014) 1687 (0012)
Na Tabela 3 observa-se a maior dimensatildeo fractal dos cristais formados na superfiacutecie
dos implantes tratados com aacutecido do que em tratamentos sem aacutecido indicando maior
preenchimento espacial dos cristais Este resultado pode ser explicado pelo fato que o
tratamento com acido produz uma superfiacutecie de maior rugosidade aumentando a aacuterea de
contato que pode causar uma deposiccedilatildeo maior e mais uniforme As superfiacutecies apenas
maquinadas que natildeo receberam nenhum tratamento tambeacutem apresentaram as formaccedilotildees de
cristais apoacutes imersatildeo no SBF por 30 dias poreacutem em quantidades aparentemente menores
resultando em menor dimensatildeo fractal (1687) do que para as superfiacutecies com tratamentos
diferentes
24
5 CONCLUSAtildeO
A dimensatildeo fractal das imagens dos implantes de titacircnio submetidos agraves diferentes
combinaccedilotildees dos tratamentos da superfiacutecie e submersos em Simulador de Fluiacutedos Corpoacutereos
por 30 dias varia entre Df=168 ate Df=193 refletindo a complexidade da formaccedilatildeo cristal
caracterizada por pequenos ou grandes cristais depositados localmente ou de forma uniforme
com geometria simples ou dendritica dependendo da combinaccedilatildeo dos tratamentos A menor
dimensatildeo fractal de Df=168 foi obtida para amostras sem tratamento nenhum enquanto a
maior dimensatildeo fractal de Df=193 foi obtida para amostras com jateamento e ataque aacutecido
(sem fosfato de caacutelcio) Ataque aacutecido foi identificado como uacutenico dos tratamentos que leva
sistematicamente ao aumento da dimensatildeo cristal enquanto o tamanho e a distribuiccedilatildeo
espacial dos cristais formados demonstram grande diversidade sem aparente dependecircncia em
nenhum dos tratamentos Estudos sistemaacuteticos ldquoin vivordquo satildeo necessaacuterios para estabelecer
quais combinaccedilotildees destes tratamentos de superfiacutecie geram implantes mais biologicamente
estaacuteveis e mecanicamente robustos e como estas propriedades podem ser associadas com a
dimensatildeo fractal dos cristais depositados
25
REFEREcircNCIAS
BARROS NETO B SCHARMINIO I E BRUNS R E Como Fazer experimentos
Pesquisa e desenvolvimento na ciecircncia e na Induacutestria 2 ed- Campinas-SP Editora
Unicamp 2003
BASSINTHWAITGHT JB LIEBOVITCH LS BRUCE JW Fractal physiology New
York Oxford American Physiological Society 1994
BRAringNEMARK R et al Bone response to laser-induced micro- and nano-size titanium
surface features Nanomedicine v 7 n 2 p 220-227 2011
BRAringNEMARK PI et al Osseointegreated implants in the treatment of edentulous jaw
Experience from a 10- year period Scand J Plast Reconst Surg Suppl v 16 p 1-132
1977
CARNEIRO-CAMPOS LE et al The effect of titanium topography features on mesenchymal
human stromal cells adhesion Clin Oral Implants Res v 21 n 2 p 251-254 2010
CHUNG H-W HUANG Y-H Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the
Diagnosis of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology v 174 p
1055-1059 2000
EHRENFEST D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol v 37 p 506-509 2011
GAO L et al MicroNanostructural Porous Surface on Titanium and Bioactivity J Biomed
Mater Res Part B Appl Biomater v 89B n 2 p 335ndash341 2009
GOUVEIA DS Obtenccedilatildeo de poacutes nanomeacutetricos de hidroxiapatita sintetizados com
magneacutesio utilizando ultra-som Tese Instituto de Pesquisas Energeacuteticas e Nucleares S
Paulo 2008
HAMLET S et al The effect of hydrophilic titanium surface modification on macrophage
inflammatory cytokine gene expression Clin Oral Implants Res v 23 n 5 p 584-90
2012
IVANOV PCH et al Multifractality in Human Heartbeat Dynamics Nature v 399 p
461-465 1999
KAumlMMERER PW et al Early implant healing promotion of platelet activation and
cytokine release by topographical chemical and biomimetical titanium surface modifications
in vitro Clin Oral Implants Res v 23 n4 p 504-10 2012
26
KOKUBO TTAKADAMA H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
BIOMATERIALS v 27 n 15 p 2907-2915 2006
LEZZIG et al Implant surface topographies analyzed using fractal dimension Implant
Dent v 20 p 131-138 2012
MANDELBROT BB How long is the coast of Britain Statistical self-similarity and
fractional dimension Science 156 1967 636-638
MANDELBROT BB The Fractal Geometry of Nature New York 1983
MARQUES C Tratamento de superfiacutecies de implantes de titacircnio Dissertaccedilatildeo de
Mestrado apresentada ao Curso de Mestrado em Ciecircncia dos Materiais do Instituto Militar de
Engenharia (IME) 2007
MISCH CE Misch bone density classification In Misch CE ed Contemporary Implant
Densitry 113-114 St Luis Mosby Inc 2009
NOVAES ABJR et al Influence of Implant Surfaces on Osseointegration Braz Dent J v
21 n 6 p 471-481 2010
ORSINI E et al Early Healing Events around Titanium Implant Devices with Different
Surface Microtopography A Pilot Study in an In Vivo Rabbit Model The Scientific World
Journal 349042 2012
PARK S et al The Effect of Fluoride Treatment on Titanium Treated with Anodic Spark
Oxidation Metals and Materials International v 13 n 2 p 117-122 2007
PERROTTI V et al Fractal Analysis A Novel Method to Assess Roughness Organization of
Implant Surface Topography International Journal of Periodontics amp Restorative
Dentistry v 31 n 6 p 633-639 2011
SAacuteNCHEZ I UZCAacuteTEGUI G Fractals in dentistry Journal of Dentistry v 39 n 4 p
273-292 2011
STOSIC T STOSIC B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels IEEE
Transactions on Medical Imaging v 25 p 1101-1107 2006
SULTANA R et al Effects of heat treatment on the bioactivity of surface-modified titanium
in calcium solution Biomed Mater Eng v 19 n 2 p 193-204 2009
TAPASH RR NARAYANAN R KIM K-H Ion implantation of titanium based
biomaterials Progress in Materials Science v 56 n 8 p 1137-1177 2011
27
UPDIKE SX NOWZARI H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res v 43 n 6 p 658-664 2008
WENNERBERG A ALBREKTSSON T Effects of titanium surface topography on bone
integration a systematic review Clin Oral Implants Res v 20 n 4 p 172-84 2009
WUY-T et al Fractal dimension analysis for quantifying cerebellar morphological change
of multiple system atrophy of the cerebellar type (MSA-C) NeuroImage v 49 n 1 p 539-
551 2010
ZAIA A et al MR imaging and osteoporosis fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute
IEEE Trans Inf Technol Biomed v 10 n 3 p 484-489 2006
ZHANG F et al Cell response of titanium implant with a roughened surface containing
titanium hydride an in vitro study J Oral Maxillofac Surg v 68 n 5 p 1131-1139 2010
28
APEcircNDICE
Artigo submetido agrave publicaccedilatildeo na revista
Fractal measure and microscopic modeling of osseointegration
Leonardo Cavalcanti Bezerra dos Santos1 Alessandra de Albuquerque Tavares Carvalho
1
Borko Stosic2 Tatijana Stosic
2 Paulo Jose Duarte Neto
2
1Departamento de Cliacutenica e Odontologia Preventiva Universidade Federal de Pernambuco
Quarta Travessa Artur de Saacute sn Cidade Universitaacuteria 50670-901 Recife PE Brazil
2Departamento de Estatiacutestica e Informaacutetica Universidade Federal Rural de Pernambuco
Rua Dom Manoel de Medeiros sn Dois Irmatildeos 52171-900 Recife PE Brazil
Abstract
In this work the process of osseointegration on titanium implant surfaces with
different physicochemical treatment subjected to a simulated corporal fluid
submersion is evaluated using the concept of fractal dimension It is found that
different treatments lead to rather different calcium phosphate crystal growth
patterns with fractal dimension ranging from Df=168 to Df=193 The
observed crystal patterns may be explained by a general deposition- diffusion-
aggregation growth mechanism where diffusing particle sticking probability
plays a fundamental role
Key words dental implants osseointegration fractal dimension
Introduction
Practical techniques enhancing implant osseointegration represent a fundamental
research topic not only in dentistry but also in other diverse areas of medicine and veterinary
sciences where bone implants or bone restoration is applied [1-3] While great advances in
this direction have undoubtedly been made over the past decades the full understanding is
still lacking on the effects of different implant surface physicochemical treatments as well as
on the microscopic mechanisms of the posterior osseointegration process [4]
Fractal dimension is a novel concept that has been increasingly employed in diverse
areas of knowledge for quantifying the complexity of natural phenomena ranging from
coastlines [5] and shape of volcanic ash particles [6] bronchial tree [7] and neurons [8]
Fractals are in fact commonly found in nature being characterized by scale invariance and
29
self-similarity During the last decades fractal analysis was used in studying diverse
phenomena in physiology and medicine including pulmonary emphysema [9] osteoporoses
[10] retinal blood vessels [11] and heart rate [12] The potential of fractal analysis was also
explored in dentistry [1314] Recently fractal dimension was used to quantify the surface
roughness of dental implants and shown to be promising to differentiate between topological
properties of dental implant surfaces obtained with different treatments [151617]
In this work we follow up on recent studies [15-17] as to how one may employ fractal
analysis to assess roughness organization of implant surface topology Rather than
concentrating on the implant surface properties subject to different physicochemical treatment
processes [15] here we put the emphasis on the results of simulated body fluid submersion
representing a step forward in understanding of implant osseointegration
Materials and Methods
Machined titanium implant samples were first subjected to different combinations of
a) sand blasting with aluminum oxide b) treatment with hydrofluoric acid and c) treatment
with calcium phosphate [18] after which they were submersed in a simulated body fluid [19]
for thirty days Magnified images of these samples were then acquired through scanning
electron microscopy as shown in Fig1 and subjected to image analysis
As opposed to fractal analysis performed in [15] to find the fractal dimension here we
only binarize the images as shown in Fig2 without skeletonization since we are interested in
crystal formation and it was found that skeletonization introduces artefacts (local networks of
lines) not apparent in the original crystal structure There are various methods for fractal
dimension calculation among which the box-counting method is perhaps the most widely
used because of its simplicity and robustness [20] It proceeds as follows Cover the structure
with a grid of size r and count the number of nonempty grid boxes )(rn Repeat this
procedure for different grid size for fractal self-similar structures 0~)(D
rrn
Box-counting
dimension is defined as
)1log(
)(loglim
0 r
rnD
rf
and can be estimated as the slope of the linear regression of )(log rn versus )1log( r We
calculate fractal dimension using the box counting method implemented in the FracLac
Package of open source software ImageJ
30
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid
tre
atm
ent
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 1 Electron microscope images of samples with different treatment after
submersion in simulated body fluid
31
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid t
reat
men
t
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 2 Same images as in Fig1 after binarization
32
Results and Discussion
It is seen on Fig1 that different combinations of implant surface treatment lead to
rather different crystal pattern formation during the simulated body fluid submersion No clear
conclusions can be drawn as to the size of spatial distribution of formed crystals
corresponding to any single treatment rather it is the combinations of these procedures that
lead to specific resulting structures Large and small crystals uniformly or locally deposited
of simple or dendritic shape are found for different treatment combinations and further in
vivo studies are necessary to determine which of these provide more robust implants with
best mechanical properties
In line with the previous study [15] that has motivated the current work we calculate
the fractal dimension of binarized images shown in Fig2 with the results presented in Table
1 The obtained fractal dimension values vary between Df=168 and Df=193 indicating the
potential of this method to quantify spatial complexity of formed crystals for different implant
surface treatments It is seen from Table 1 that in general the fractal dimension of implant
surface after submersion in SBF tends to be greater in the cases of treatment with acid
(keeping the same combination of sand blasting and calcium phosphate coating) that reflects
the fact that acid etching produces micro pits on titanium surface that greatly enhance
osseointegration [4] The highest value of fractal dimension (193) is obtained for the implant
treated by sand blasting and acid etching indicating that the surface roughness produced by
this treatment results in more uniform and more space filling crystal deposits The fractal
dimension of surfaces treated only by sand blasting acid etching and calcium phosphate are
1903 1845 and 1881 respectively and they are significantly higher than the fractal
dimension of untreated surface (1687) confirming the role of implant surface chemistry and
topology in the process of osseointegration Although our results show that surface topology
of treated implants has higher fractal dimension than that of untreated implants it is still not
clear which treatment or combination of treatments produces the best surfaces for
osseointegration It is also seen from Table 1 that the fractal dimension is higher for all of the
treated surfaces in comparison with the surface without any treatments (with the smallest
fractal dimension value) which reflects the fact that all these treatments produce surface
effects that favorably influence the complexity of the final crystal structure On the other
hand there is no clear evidence as to how these values may be associated with the quality of
implants without further in vivo experiments
33
Table 1 Fractal dimension (standard deviation) of binarized images shown in Fig2
Acid treatment No acid
Calcium
phosphate
No calcium
phosphate
Calcium
phosphate
No calcium
Phosphate
Sand blasted 1859 (0014) 1930 (0015) 1693 (0011) 1903 (0014)
No sand blasting 1920 (0015) 1845 (0013) 1881 (0014) 1687 (0012)
The current study suggests that a general Deposition Difusion Aggregation (DDA)
model [21] may be used to describe crystal formation in the different scenarios covered in the
present work One may perceive that the molecules present in the solution deposit on the
implant surface and move along this surface until they reach other such molecules andor
already crystallized formations where they become incorporated into the crystal structure
The concentration of the (in the current experiment simulated corporal) fluid determines the
flux of deposition and the mobility of the molecules (and perhaps larger molecular
agglomerates) is governed by the topology (roughness) of the implant surface It is well
known [21] that the flux and mobility of aggregate particles lead to rather different deposition
patterns ranging from many uniformly distributed small DLA (Diffusion Limited
Aggregation) like crystals to large dendritic structures and the DDA model apparently
represents an excellent candidate to describe the diversity of observed crystal patterns seen
on the electron microscope images of Fig 1
Conclusion
We apply fractal analysis on binarized scanning electron microscopy images of the
surface of titanium implants that were first subjected to different treatment combinations of i)
sand blasting ii) acid etching and iii) exposition to calcium phosphate and were then
submersed in a simulated corporal fluid for thirty days The obtained fractal dimension values
vary between Df=168 to Df=193 reflecting the complexity and space filling property of the
final crystal structure characterized by large and small crystals uniformly or locally
deposited of simple or dendritic shape that were found for different treatment combinations
Further in vivo studies are necessary to determine how these values may be associated with
the quality of implants
34
References
[1] Albrektsson T Sennerby L Wennerberg A State of the art of oral implants Periodontol
2000 2008 47 15-26
[2] Wazen JJ Gupta R Ghossaini S Spitzer J Farrugia M Tjellstrom A
Osseointegration timing for Baha system loading Laryngoscope 2007 117 794-796
[3] Palmquist A Jarmar T Emanuelsson L Braringnemark R Engqvist H Thomsen P
Forearm bone-anchored amputationprosthesis a case study on the osseointegration Acta
Orthop 2008 79 78-85
[4] Le Gueacutehennec L Soueidan A Layrolle P Amouriq Y Surface treatments of titanium
dental implants for rapid osseointegration Dental Materiasl 2007 23 844-854
[5] Mandelbrot BB The Fractal Geometry of Nature New York Freeman 1983 25
[6]Dellino PLiotino G The fractal and multifractal dimension of volcanic ash particles
contour a test study on the utility and volcanological relevance Journal of Volcanology and
Geothermal Research 2002 113 1-18
[7] Majumdar A Alencar AM Buldyrev SV Hantos Z Lutchen KR Stanley HE Suki B
Relating airway diameter distributions to regular branching asymmetry in the lung Phys Rev Lett 2005 95 168101
[8] Jelinek HF Fernandez E Neurons and fractals how reliable and useful are calculations of
fractal dimensions Journal of Neuroscience Methods 1998 81 9 ndash 18
[9] Chung HW HUANG YH Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the Diagnosis
of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology 2000 174 1055-1059
[10] Zaia A Eleonori R Maponi P Rossi R Murri R MR imaging and osteoporosis
fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute IEEE Trans Inf Technol Biomed 2006 10
484-489
[11] Stosic T Stosic B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels EEE Transactions
on MIedical Imaging 2006 25 1101-1107
[12] Goldberger AL Amaral LAN Hausdorff JM Ivanov PCh Peng CK Stanley
HE Fractal dynamics in physiology Alterations with disease and aging PNAS 2002 99
2466-2472
[13] Saacutenchez I Uzcaacutetegui G Fractals in dentistry Journal of Dentistry 2011 39 273-292
[14] Updike SX Nowzari H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res 2008 43 658-664
[15] Perotti V Aprile G Degidi M Piatelli A Lezzi G Fractal analysis a novel method to
assess roughness organization of implant surface topography Int J Peridontic Restorative
Dent 2011 31 633-639
[16] Ehrenfest D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol 2011 37 506-509
35
[17] Lezzi G Aprile G Tripodi D Scarano A Piatelli A Perotti V Implant surface
topographies analyzed using fractal dimension Implant Dent 2012 20 131-138
[18] Guo CY Tang ATH Matinlinna JP Insights into surface treatment methods of titanium
dental implants Journal of Adhesion Science amp Technology 2012 26 189ndash205
[19] Kokubo T Takadama H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
Biomaterials 2006 27 2907-2915
[20] Theiller J Estimating fractal dimension J Opt Soc Am 1990 7 1055-1073
[21] P Jensen A-L Barabaacutesi H Larralde S Havlin H E Stanley Model incorporating
deposition diffusion and aggregation in submonolayer nanostructures Phys Rev E (1994)
50 618ndash621
9
ABSTRACT
The data available from animal and human subject studies suggest that enhancing the implant
surface topography is associated with increase of biocompatibility and the bone-implant
interface leading to their better interlock and therefore contributing to more rapid and more
lasting osseointegration With the objective of comparison of different implant surface
treatments the current study was conducted to evaluate the fractal dimension of crystal
structures formed during submersion in a corporal fluid simulator (CFS) of titanium implants
previously subjected to different combinations of surface treatment consisting of i) sand
blasting ii) acid attack and iii) calcium phosphate the combination of all three representing a
surface treatment method developed at the Federal University of Pernambuco (UFPE) A total
of 48 discs of diameter 5mm and heights 2mm were fabricated at the Department of
Mechanical Engineering divided in eight groups of six discs each Group A received the full
treatment composed of sand blasting acid and calcium phosphate group B was control (only
machined) and the other groups received partial treatments following the experimental multi
factor model Crystal formation occurred in all the groups however with crystal formations of
different size and form as well as different spatial distribution Samples with acid attack
demonstrated higher fractal dimension indicating a higher space filling of crystals formations
On the other hand the size of crystals their form in terms of compactness and ramification
level as well as their spatial distribution could not be associated with specific treatments
Further experimental ldquoin vivordquo studies are necessary to shed light on the association between
the fractal dimension observed in the current work and the mechanical and biological
properties of implants implemented using these different procedures
Key words osseointegration implants biomaterials
10
SUMAacuteRIO
1 INTRODUCcedilAtildeO 10
2 REVISAtildeO DA LITERATURA 12
21 Biocompatibilidade 12
22 Estrutura oacutessea 12
23 Titacircnio e a hidroxiapatita 12
24 Fractais 15
3 MATERIAL E MEacuteTODOhellip 16
31 Modelo experimental 16
32 Preparos dos corpos de Provas 16
33 Usinagem 16
34 Limpeza das amostras 16
35 Divisatildeo dos grupos 16
36 Tratamentos das superfiacutecies 17
361 Jateamento com oacutexido de Alumiacutenio 17
362 Ataque aacutecido 17
363 Fosfato de Caacutelcio 17
37 Preparaccedilatildeo do simulador de Fluiacutedos Corpoacutereos (SBF) 17
38 Meacutetodos de Avaliaccedilatildeo 18
381 Microscopia Eletrocircnica de Varredura (MEV) 18
382 Dimensatildeo Fractal 18
4 RESULTADOS E DISCUSSAtildeO 19
5 CONCLUSAtildeO 23
REFEREcircNCIAS 24
APEcircNDICE - Artigo submetido aacute publicaccedilatildeo na revista 27
11
1 INTRODUCcedilAtildeO
A osseointegraccedilatildeo representa um fator fundamental para o sucesso de implantes
dentaacuterios tendo como base o estabelecimento da estabilidade mecacircnica primaacuteria e fixaccedilatildeo
bioloacutegica posterior Ela poderaacute ser influenciada por vaacuterios fatores como arquitetura oacutessea
original e sua densidade o desenho do implante e o tratamento de superfiacutecie (ORSINI et al
2012)
O processo de tratamento de superfiacutecie eacute realizado apoacutes a usinagem depois de
remover resiacuteduos como oacuteleo e outros contaminantes As superfiacutecies com capacidade
osteoindutora preparadas com um processo que vai aleacutem de uma simples limpeza satildeo
comumente chamadas de ativas Os dados disponiacuteveis de estudos com animais e em seres
humanos sugerem que a topografia da superfiacutecie melhorada estaacute associada ao aumento da
biocompatibilidade e do contato osso-implante ocasionando um maior intertravamento com o
osso e dessa forma contribuindo para uma obtenccedilatildeo de uma integraccedilatildeo mais raacutepida e
duradoura
Vaacuterios meacutetodos para modificar a topografia das superfiacutecies dos implantes jaacute foram
introduzidos como revestimento com hidroxiapatita que usa o processo conhecido como
Titacircnio Plasma spray (TPS) abrasotildees com jateamento com oxido de titacircnio ou oxido de
alumiacutenio pulverizaccedilatildeo catoacutedica com fosfato de Caacutelcio anodizaccedilatildeo aleacutem do Laser Nd-Yag
segundo Braringnemark et al (2011) e diferentes meacutetodos quiacutemicos e bioloacutegicos como a adiccedilatildeo
de peptiacutedeos ( KAumlMMERER et al 2012)
O ataque aacutecido foi citado por vaacuterios autores como mecanismo uacutetil para promover
micro ranhuras que aumentariam a aacuterea de contato permitindo deposiccedilatildeo da matriz oacutessea
secretada pelos osteoblastos e posterior calcificaccedilatildeo Efeito sobre a densidade oacutessea foi
observado em estudos com diferentes superfiacutecies quando peptiacutedeos foram adicionados
(HAMLET et al 2012) Os aacutecidos mais utilizados satildeo cloriacutedrico sulfuacuterico fosfoacuterico e o
fluoriacutedrico onde dependendo da composiccedilatildeo tempo de contato e temperatura os resultados
poderatildeo ser diferentes O tratamento com aacutecidos na superfiacutecie de titacircnio em estudos com
cultura de ceacutelulas confirmou presenccedila de titacircnia anastase e maior proliferaccedilatildeo celular
(ZHANG et al 2010) O efeito da temperatura na formaccedilatildeo de cristais foi maior quando o
titacircnio foi submetido a tratamento teacutermico entre 400 e a 600ordm C (SULTANA et al 2009)
12
Os implantes satildeo avaliados macroscopicamente quanto a seu desenho enquanto para
a caracterizaccedilatildeo da topografia usa-se a microscopia eletrocircnica de varredura (MEV) a niacuteveis
micromeacutetricos e sub micromeacutetricos (PERROTTI et al 2011 CARNEIRO-CAMPOS et al
2010) e para a caracterizaccedilatildeo da composiccedilatildeo atocircmica usam-se Raios X (EDS) e a
cristalografia (PARK et al 2007 WENNERBERG et al 2009 NOVAES et al 2010 GAO
et al 2009)
Pelo menos cinco efeitos poderatildeo ser atribuiacutedos agrave formaccedilatildeo das rugosidades i) o
aumento da superfiacutecie junto ao osso adjacente ii) melhoria da fixaccedilatildeo celular ao titacircnio iii)
aumento da quantidade de osso junto ao implante iv) aumento da interaccedilatildeo biomecacircnica entre
o osso e o implante e v) processos inflamatoacuterios Peri implantares quando a rugosidade
apresenta-se na aacuterea trans mucosa (PERROTTI et al 2011) Poreacutem ainda natildeo existe
consenso geral tanto na literatura cientiacutefica quanto na pratica sobre quais tratamentos de
superfiacutecie de implantes resultariam em melhor e mais raacutepida osseointegraccedilatildeo e quais as
melhores propriedades dos implantes em relaccedilatildeo destes efeitos individuais Para contribuir
para o melhor entendimento desta questatildeo o objetivo deste estudo foi analisar ldquoin vitrordquo como
o tratamento da superfiacutecie no processo de fabricaccedilatildeo de implantes afetaria o processo de
formaccedilatildeo de cristais apoacutes imersatildeo no simulador de fluiacutedos corpoacutereos (SBF) Implantes de
titacircnio foram sujeitos agraves diferentes combinaccedilotildees de tratamento de superfiacutecie com i)
jateamento ii) ataque aacutecido e iii) fosfato de caacutelcio e depois de imersatildeo no SBF por 30 dias as
imagens da superfiacutecie obtidas por microscopia eletrocircnica foram sujeitas a analise fractal
13
2 REVISAtildeO DA LITERATURA
Osseointegraccedilatildeo eacute a uniatildeo estrutural e funcional entre o implante e o tecido oacutesseo
quando submetido a uma carga funcional (BRANEMARCK et al 1977) Vaacuterios fatores
poderatildeo interferir na forma e no tempo dessa integraccedilatildeo
21 Biocompatibilidade
Os materiais utilizados para fabricaccedilatildeo de implantes devem ter uma boa resistecircncia
mecacircnica elevada estabilidade quiacutemica excelente resistecircncia agrave corrosatildeo e
biocompatibilidade O titacircnio eacute usado extensivamente nos ossos como sistemas de ancoragem
implantes dentaacuterios e ortopeacutedicos bem como aplicaccedilotildees de osteossiacutentese (MARQUES 2007)
Nos implantes a cicatrizaccedilatildeo oacutessea sem a presenccedila de fibroses eacute desejaacutevel Fatores
relacionados agrave teacutecnica ciruacutergica desenho do implante com o seu respectivo tratamento de
superfiacutecie e fatores ligados ao paciente satildeo variaacuteveis que poderatildeo influenciar na sua
integraccedilatildeo
22 Estrutura oacutessea
A densidade oacutessea eacute um fator importante na longevidade dos implantes independente
da regiatildeo na arcada dentaacuteria baseado em caracteriacutesticas macroscoacutepicas da cortical e do
trabeculado oacutesseo (Misch 1998) classificou em cinco tipos de osso
D1 Osso cortical denso (gt 1250 UH)
D2 Apresenta cortical denso e osso trabeculado grosso (850 a 1250 UH)
D3 Cortical oacutessea fina e trabeculado fino (350 a 850 UH)
D4 Osso trabecular fino (150 a 350 UH)
D5 Osso natildeo-mineralizado imaturo (lt 150 UH)
onde UH satildeo unidades da escala de Hounsfield (com valores -1000 para ar 0 para aacutegua e
3000 para dentes)
23 Titacircnio e a hidroxiapatita
Verick (2003) verificou o meacutetodo de biomimetizaccedilatildeo de superfiacutecie de titacircnio
comercialmente puro (Ti-cp) tratado com hidroacutexido de soacutedio e colocado no SBF super
saturado e observou apoacutes 24 horas alguns tipos de apatitas precipitadas sobre o substrato
14
juntamente com a fase cristalina da hidroxiapatita e comparou com o difratograma de uma
mandiacutebula humana onde observou-se a semelhanccedila dos picos Concluiu que no processo de
nucleaccedilatildeo lento a fase majoritaacuteria encontrada foi a hidroxiapatita As outras fases presentes
apareceram em pequenas quantidades sendo a proacutexima fase da maior presenccedila fosfato
octacaacutelcico
Titacircnio comercialmente puro e suas ligas como Ti-6Al-4V satildeo usadas em cirurgias
ortopeacutedicas O moacutedulo de elasticidade do titacircnio e da liga Ti6Al4V variaria entre 100 e
120GPa e do osso entre 10 e 30GPa A diferenccedila do moacutedulo de elasticidade da proacutetese e do
osso seria desfavoraacutevel para o remodelamento oacutesseo Para resolver este problema e melhorar
as propriedades mecacircnicas e bioloacutegicas novas ligas de titacircnio foram desenvolvidas para
aplicaccedilotildees biomeacutedicas O meacutetodo normal para se conseguir um melhor desempenho das ligas
de titacircnio quanto agraves propriedades mecacircnicas e bioloacutegicas seria modificar sua composiccedilatildeo
Alguns elementos como NbTa Mo e Zr Fe Cr e Sn usualmente adicionados nas ligas de
titacircnio para formar completa ou parcialmente a estrutura que possuem baixo moacutedulo de
elasticidade e contribuem para diminuir a diferenccedila entre o moacutedulo de elasticidade da liga e
do osso Aleacutem disso certos elementos de liga como Cu Co Ni e Si satildeo utilizados para
aumentar a resistecircncia mecacircnica das ligas Nos estudos comparativos com quatro superfiacutecies
tratadas com aacutecidos fluoretos e apenas usinada as anodizadas mostraram melhores resultados
de deposiccedilatildeo de iacuteons (MARQUES 2007)
A Hidroxiapatita sintetizada eacute um dos materiais mais atrativos para uso como
biomaterial devido a sua similaridade composicional e bioloacutegica com a fase inorgacircnica do
osso humano A estrutura da HA permite substituiccedilotildees catiocircnicas e aniocircnicas isomorfas com
facilidade as quais poderatildeo alterar a cristalinidade a morfologia e os paracircmetros de rede A
estabilidade a bioatividade e a biocompatibilidade do material obtido Tais caracteriacutesticas
positivas podem ser explicadas pela natureza quiacutemica por serem formados basicamente por
iacuteons caacutelcio e fosfato participam ativamente do equiliacutebrio iocircnico entre o fluido bioloacutegico e a
ceracircmica Uma forma conveniente de classificar os vaacuterios fosfatos de caacutelcio eacute pela sua razatildeo
molar CaP que pode variar de 05 a 20 A solubilidade eacute uma das mais importantes
propriedades dos compostos de fosfato de caacutelcio Esta biocompatibilidade favorece o
crescimento oacutesseo para os locais em que a HA se encontra Estabelecendo ligaccedilotildees de
natureza quiacutemica entre ela e o tecido oacutesseo (bioativo) permitindo a proliferaccedilatildeo de
fibroblastos osteoblastos e outras ceacutelulas oacutesseas as quais natildeo a distinguem da superfiacutecie
oacutessea o que indica a grande similaridade quiacutemica superficial (GOUVEIA 2008)
15
O tratamento teacutermico da superfiacutecie pode induzir aumento da nucleaccedilatildeo dos cristais de
hidroxiapatita como mostrado pelo Ling e colaboradores (GAO et al 2009) As superfiacutecies
tratadas com ataque aacutecido e anodizaccedilatildeo foram submetidas a tratamento teacutermico a 450ordm C por 6
horas Foram observados cristais de anatase medindo em torno de 20 nm e em seguida as
amostras com e sem tratamento teacutermico foram colocadas em 15 SBF por 7 dias e avaliados
em termos de nucleaccedilatildeo dos cristais
Superfiacutecie tratada por laser tambeacutem pode apresentar melhor fixaccedilatildeo da interface osso-
implante como mostrado (BRAringNEMARK et al 2011) a niacutevel micro e nano escala em
estudos em tiacutebia de coelho com o objetivo de avaliar a resposta biomecacircnica e histoloacutegica de
implantes de titacircnio tratados por laser em comparaccedilatildeo com os implantes apenas usinados
Verificaram que apoacutes 8 semanas tiveram um aumento de 250 no torque de remoccedilatildeo para
superfiacutecies tratadas com laser em relaccedilatildeo as apenas maquinadas Concluiacuteram que existiu uma
melhor fixaccedilatildeo da interface osso-implante promovida por alteraccedilotildees em micro e nano-escala
da topografia da superfiacutecie do implante
Em outro recente experimento ldquoin vivordquo (ORSINI et al 2012) a superfiacutecie tratada
com jateamento e ataque aacutecido (SLA) apresentou maior osteocondutividade quando
comparada com a superfiacutecie natildeo tratada verificando que houve maior deposiccedilatildeo de novo osso
na superfiacutecie de titacircnio
Implantes revestidos com Hidroxiapatiata (HA) reagem de uma maneira direta com
o tecido oacutesseo em cinco fases distintas i) com a dissoluccedilatildeo de HA ii) a precipitaccedilatildeo de
apatita iii) trocas iocircnicas acompanhada por absorccedilatildeo e incorporaccedilatildeo de moleacuteculas bioloacutegicas
iv) a ligaccedilatildeo de ceacutelulas proliferaccedilatildeo e diferenciaccedilatildeo em osteoblastos e v) a formaccedilatildeo da
matriz extra celular e mineralizaccedilatildeo Para que esses efeitos em cascata ocorram a dissoluccedilatildeo
do revestimento de HA representa um passo fundamental Esta dissoluccedilatildeo eacute citada como um
requisito importante para induzir a precipitaccedilatildeo da hiroxiapatita sobre a superfiacutecie do implante
(TAPASH et al 2011) O tratamento quiacutemico dos biomateriais poderaacute apresentar alto impacto
na ativaccedilatildeo plaquetaacuteria Mais especificamente o adesivo sequecircncia peptiacutedica ceacutelula bioativo
Arg-Gli-Asp (RGD) desencadeia a ativaccedilatildeo plaquetaacuteria mediada pelo receptor de integrina
aIIbb3 Deste modo as superfiacutecies tratadas com substacircncias biomimeacutetica (peacuteptidio RGD
imobilizado) poderiam aumentar no iniacutecio ativaccedilatildeo de plaquetas e da cicatrizaccedilatildeo oacutessea junto
ao implante (KAumlMMERER et al 2012)
16
24 Fractais
O termo fractal foi introduzido por Benoit Mandelbrot (MANDELBROT 1983) para
descrever geometria dos sistemas naturais formados pelos processos estocaacutesticos longe do
equiliacutebrio Como exemplos desses sistemas podem-se citar as aacutervores ramificadas linhas
costeiras nuvens poliacutemeros estruturas cardiopulmonares (rede arterial aacutervore
traqueobronquial) etc (MANDELBROT 1983 BASSINGTHWAIGHTE et al 1994) A
diferenccedila entre a geometria fractal e a geometria euclidiana eacute que fractais possuem dimensatildeo
natildeo inteira (fracionaacuteria) e propriedade de auto-similaridade (partes do objeto se assemelham ao
objeto como todo) Os exemplos citados representam fractais estocaacutesticos e possuem a
propriedade de auto-similaridade em sentido estatiacutestico dentro de um intervalo de escala onde
o limite inferior representa a dimensatildeo das componentes elementares (eg partiacuteculas) do
sistema e o limite superior representa a dimensatildeo linear do sistema Durante ultimas deacutecadas o
conceito fractal foi amplamente utilizado para descrever a complexidade dos sistemas
fisioloacutegicos tanto na analise das imagens medicas quanto na analise dos sinais fisioloacutegicos e
mostrou se eficiente em diferenciaccedilatildeo entre os casos saudaacuteveis e patoloacutegicos Os exemplos
incluem osteoporoses (ZAIA et al 2006) enfisema pulmonar (CHUNG e HUANG 2000)
doenccedilas degenerativas neuroloacutegicas (WU et al 2010) alteraccedilotildees em vascularizaccedilatildeo da retina
(STOSIC 2006) doenccedilas cardiovasculares (IVANOV et al 1999) entre outros
O potencial da analise fractal tambeacutem foi explorado na odontologia (SAacuteNCHEZ e
UZCAacuteTEGUI 2011 UPDIKE e NOWZARI 2008) Nos uacuteltimos anos a dimensatildeo fractal foi
utilizada para descrever a rugosidade da superfiacutecie do implante sendo uacutetil para quantificaccedilatildeo
das diferenccedilas entre as superfiacutecies dos implantes obtidas utilizando diversos tratamentos
(PEROTTI et al 2011 LEZZI et al 2012 EHRENFEST et al 2011)
17
3 MATERIAL E MEacuteTODO
Este estudo foi planejado uma anaacutelise multifatorial tendo como objetivo analisar
diferentes tratamentos da superfiacutecie de implante em relaccedilatildeo agrave deposiccedilatildeo de Hidroxiapatita que
eacute considerado um fator relevante pela literatura especializada
31 Modelo experimental
Foi desenvolvido um modelo ldquoin vitrordquo utilizando simulador de fluiacutedos corpoacutereos onde
as amostras foram submergidas por 30 dias e em seguida analisadas por microscopia eletrocircnica
32 Preparos dos Corpos de Provas
O titacircnio foi adquirido atraveacutes da Empresa Tinbrazil barras medindo 6 mm de
diacircmetro por 1 metro de comprimento com laudo de certificaccedilatildeo emitido pela importadora
acima Como sendo titacircnio grau II Ti-6Al-4V conforme a ASTM usados na fabricaccedilatildeo de
implantes dentaacuterios
33 Usinagem
Foi utilizado torno computadorizado marca ROMI com ferramentas de corte
fabricadas em ceracircmica no Departamento de Engenharia Mecacircnica da Universidade Federal
de Pernambuco A vareta foi reduzida em 86 discos medindo 5 mm de diacircmetro e 2 mm de
altura As amostras foram levadas para tratamento de superfiacutecie no laboratoacuterio de
Farmacognosia do Departamento de Ciecircncias Farmacecircuticas da UFPE
34 Limpeza das amostras
As amostras foram lavadas com hexano por 10 minutos em ultrassom O solvente foi
desprezado em recipiente apropriado As amostras foram colocadas em um Becker de vidro
colocados em estufa a 80ordm C por 10 minutos
35 Divisatildeo dos grupos
Os grupos foram divididos seguindo o Planejamento Fatorial de 23
satildeo apresentados na
Tabela 1
18
Tabela 1 ndash Organizaccedilatildeo dos grupos
Jateamento Ataque aacutecido Fosfato de caacutelcio
Grupo A Sim Sim Sim
Grupo B Natildeo Natildeo Natildeo
Grupo C Sim Natildeo Sim
Grupo D Sim Sim Natildeo
Grupo E Natildeo Natildeo Sim
Grupo F Natildeo Sim Natildeo
Grupo G Natildeo Sim Sim
Grupo H Sim Natildeo Natildeo
36 Tratamentos das superfiacutecies
361 Jateamento com Oacutexido de Alumiacutenio
Foi realizado utilizando oacutexido de alumiacutenio com granulaccedilatildeo meacutedia agrave 80 libras com o
jato direcionado a superfiacutecies dos discos por 10 segundos em cada lado
362 Ataque aacutecido
A segunda etapa foi o ataque aacutecido cuja composiccedilatildeo foi aacutecido cloriacutedrico 59 + 1
de aacutecido fluoriacutedrico e 40 de aacutegua destilada acondicionado em recipiente de polietileno ateacute
momento do uso Em um Becker de 50 ml foram colocados 20 ml do aacutecido por um (01)
minuto
363 Fosfato de Caacutelcio
Foi desenvolvida uma pasta contendo proporccedilatildeo de 13 de aacutegua e fosfato de caacutelcio
terciaacuterio No final da segunda etapa o excesso de aacutecido eacute desprezado e a pasta eacute adicionada ao
Becker onde permanece no ultrassom por 20 minutos Apoacutes a lavagem o material foi
colocado em recipiente de vidro seco em estufa a 40 C por 1 hora armazenados em tubos
tipo Ependorf e encaminhados para as anaacutelises
37 Preparaccedilatildeo do Simulador de Fluiacutedos Corpoacutereos (SBF)
Foi preparado conforme meacutetodo de Kokubo e Takadama (2006) no laboratoacuterio de
Farmacognosia Departamento de Ciecircncias Farmacecircuticas da UFPE
19
Tabela 2 - Composiccedilatildeo quiacutemica do SBF proposta por Kokubo e Takadama (2006)
Reagentes Quantidade Pureza
NaCl 8055 g 995
NaHCO3 0355 g 995
Kcl 0225 g 995
K2PO4 3H2O 0231 g 990
MgCl2 6H2O 0311 g 980
10 M- HCl 39 ml -----------
CaCl2 0292 g 950
NaSO4 0072 g 990
Tris 6118 g 990
10 M HCl 0-5ml ------------ Hidroximetil aminometano
38 Meacutetodos de Avaliaccedilatildeo
381 Microscopia Eletrocircnica de Varredura (MEV)
Para analise da superfiacutecie das amostras foi utilizada microcopia eletrocircnica de varredura
(MEV) JEOL 5600 LV (Japan) voltagem de 10 kV do Departamento de Fiacutesica da UFPE
Foram analisadas em arquivos digitais trecircs campos visuais diferentes para cada disco
Para cada grupo foram avaliados 3 discos totalizando nove aacutereas por grupo Em cada campo
foram obtidas imagens de 200x 1000x e 15000x para anaacutelises comparativas
382 Dimensatildeo Fractal
Existem vaacuterios meacutetodos para o caacutelculo de dimensatildeo fractal como contagem de caixas
(ldquobox countingrdquo) meacutetodo massa-raio (ldquomass-radius methodrdquo) e meacutetodo de correlaccedilatildeo
densidade-densidade (ldquodensity-density correlation function methodrdquo) O meacutetodo contagem de
caixas eacute mais utilizado e consiste em cobrir a estrutura com uma grade de caixas com arestas
de tamanho l e contar o nuacutemero N(l) de caixas que conteacutem pelo menos uma partiacutecula do
sistema Reduz-se sucessivamente o tamanho das caixas e mede-se para cada tamanho o
numero de caixas N(l) nos quais existe pelo menos um ponto do sistema A dimensatildeo fractal eacute
definida pela equaccedilatildeo
de onde segue
Assim traccedila-se um graacutefico do logaritmo de N(l) em funccedilatildeo do logaritmo de 1l e determina-se
a dimensatildeo fractal pela inclinaccedilatildeo do graacutefico (BASSINGTHWAIGHTHE et al 1994)
fDllN
~)(
)1log(~)(log lDlN f
20
4 RESULTADOS E DISCUSSAtildeO
A Figura 3 mostra os cristais formados depois submersatildeo dos implantes em Simulador
de Fluiacutedos Corpoacutereos (SBF) por 30 dias obtidas com auxilio da Microscopia Eletrocircnica de
Varredura Observam-se as formas diferentes dos cristais (cristais grandes ou pequenos
distribuiacutedos uniformemente ou agrupados simples ou ramificados) para diferentes
tratamentos da superfiacutecie dos implantes A forma e a distribuiccedilatildeo espacial dos cristais
formados por SBF refletem o processo de osseointegraccedilatildeo e indicam que uma analise das
propriedades geomeacutetricas destas estruturas para vaacuterios tipos de tratamento da superfiacutecie dos
implantes poderia providenciar informaccedilotildees importantes para avaliaccedilatildeo da qualidade do
implante
A dimensatildeo fractal das imagens dos cristais formados por SBF nas superfiacutecies dos
implantes foi calculada para diferentes tratamentos da superfiacutecie As imagens da Figura 3
foram binarizadas como apresentado na Figura 4 e em seguida a dimensatildeo fractal foi
calculada utilizando o pacote FracLac do software gratuito ImageJ com meacutetodo ldquoBox
countingrdquo Os resultados destes caacutelculos satildeo apresentados na Tabela 3
21
Com jateamento Sem jateamento
Com
ata
que
aacutecid
o
Com
fosf
ato d
e caacute
lcio
S
em f
osf
ato d
e caacute
lcio
Sem
ata
que
aacutecid
o
Com
fosf
ato d
e caacute
lcio
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
Figura 3 Imagens das formaccedilotildees cristalinas nas superfiacutecies das amostras A-H
22
Figura 4 Imagens binarizadas das formaccedilotildees cristalinas nas superfiacutecies das
amostras A-H
Com jateamento
Sem jateamento
Com
ata
que
aacutecid
o
C
om
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
ata
que
aacutecid
o
C
om
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
23
Tabela 3 Dimensatildeo Fractal (desvio padratildeo) das imagens binarizadas apresentadas na Fig 4
Com aacutecido Sem aacutecido
Com fosfato
de caacutelcio
Sem fosfato
de caacutelcio
Com fosfato
de caacutelcio
Sem fosfato
de caacutelcio
Com jateamento 1859 (0014) 1930 (0015) 1693 (0011) 1903 (0014)
Sem jateamento 1920 (0015) 1845 (0013) 1881 (0014) 1687 (0012)
Na Tabela 3 observa-se a maior dimensatildeo fractal dos cristais formados na superfiacutecie
dos implantes tratados com aacutecido do que em tratamentos sem aacutecido indicando maior
preenchimento espacial dos cristais Este resultado pode ser explicado pelo fato que o
tratamento com acido produz uma superfiacutecie de maior rugosidade aumentando a aacuterea de
contato que pode causar uma deposiccedilatildeo maior e mais uniforme As superfiacutecies apenas
maquinadas que natildeo receberam nenhum tratamento tambeacutem apresentaram as formaccedilotildees de
cristais apoacutes imersatildeo no SBF por 30 dias poreacutem em quantidades aparentemente menores
resultando em menor dimensatildeo fractal (1687) do que para as superfiacutecies com tratamentos
diferentes
24
5 CONCLUSAtildeO
A dimensatildeo fractal das imagens dos implantes de titacircnio submetidos agraves diferentes
combinaccedilotildees dos tratamentos da superfiacutecie e submersos em Simulador de Fluiacutedos Corpoacutereos
por 30 dias varia entre Df=168 ate Df=193 refletindo a complexidade da formaccedilatildeo cristal
caracterizada por pequenos ou grandes cristais depositados localmente ou de forma uniforme
com geometria simples ou dendritica dependendo da combinaccedilatildeo dos tratamentos A menor
dimensatildeo fractal de Df=168 foi obtida para amostras sem tratamento nenhum enquanto a
maior dimensatildeo fractal de Df=193 foi obtida para amostras com jateamento e ataque aacutecido
(sem fosfato de caacutelcio) Ataque aacutecido foi identificado como uacutenico dos tratamentos que leva
sistematicamente ao aumento da dimensatildeo cristal enquanto o tamanho e a distribuiccedilatildeo
espacial dos cristais formados demonstram grande diversidade sem aparente dependecircncia em
nenhum dos tratamentos Estudos sistemaacuteticos ldquoin vivordquo satildeo necessaacuterios para estabelecer
quais combinaccedilotildees destes tratamentos de superfiacutecie geram implantes mais biologicamente
estaacuteveis e mecanicamente robustos e como estas propriedades podem ser associadas com a
dimensatildeo fractal dos cristais depositados
25
REFEREcircNCIAS
BARROS NETO B SCHARMINIO I E BRUNS R E Como Fazer experimentos
Pesquisa e desenvolvimento na ciecircncia e na Induacutestria 2 ed- Campinas-SP Editora
Unicamp 2003
BASSINTHWAITGHT JB LIEBOVITCH LS BRUCE JW Fractal physiology New
York Oxford American Physiological Society 1994
BRAringNEMARK R et al Bone response to laser-induced micro- and nano-size titanium
surface features Nanomedicine v 7 n 2 p 220-227 2011
BRAringNEMARK PI et al Osseointegreated implants in the treatment of edentulous jaw
Experience from a 10- year period Scand J Plast Reconst Surg Suppl v 16 p 1-132
1977
CARNEIRO-CAMPOS LE et al The effect of titanium topography features on mesenchymal
human stromal cells adhesion Clin Oral Implants Res v 21 n 2 p 251-254 2010
CHUNG H-W HUANG Y-H Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the
Diagnosis of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology v 174 p
1055-1059 2000
EHRENFEST D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol v 37 p 506-509 2011
GAO L et al MicroNanostructural Porous Surface on Titanium and Bioactivity J Biomed
Mater Res Part B Appl Biomater v 89B n 2 p 335ndash341 2009
GOUVEIA DS Obtenccedilatildeo de poacutes nanomeacutetricos de hidroxiapatita sintetizados com
magneacutesio utilizando ultra-som Tese Instituto de Pesquisas Energeacuteticas e Nucleares S
Paulo 2008
HAMLET S et al The effect of hydrophilic titanium surface modification on macrophage
inflammatory cytokine gene expression Clin Oral Implants Res v 23 n 5 p 584-90
2012
IVANOV PCH et al Multifractality in Human Heartbeat Dynamics Nature v 399 p
461-465 1999
KAumlMMERER PW et al Early implant healing promotion of platelet activation and
cytokine release by topographical chemical and biomimetical titanium surface modifications
in vitro Clin Oral Implants Res v 23 n4 p 504-10 2012
26
KOKUBO TTAKADAMA H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
BIOMATERIALS v 27 n 15 p 2907-2915 2006
LEZZIG et al Implant surface topographies analyzed using fractal dimension Implant
Dent v 20 p 131-138 2012
MANDELBROT BB How long is the coast of Britain Statistical self-similarity and
fractional dimension Science 156 1967 636-638
MANDELBROT BB The Fractal Geometry of Nature New York 1983
MARQUES C Tratamento de superfiacutecies de implantes de titacircnio Dissertaccedilatildeo de
Mestrado apresentada ao Curso de Mestrado em Ciecircncia dos Materiais do Instituto Militar de
Engenharia (IME) 2007
MISCH CE Misch bone density classification In Misch CE ed Contemporary Implant
Densitry 113-114 St Luis Mosby Inc 2009
NOVAES ABJR et al Influence of Implant Surfaces on Osseointegration Braz Dent J v
21 n 6 p 471-481 2010
ORSINI E et al Early Healing Events around Titanium Implant Devices with Different
Surface Microtopography A Pilot Study in an In Vivo Rabbit Model The Scientific World
Journal 349042 2012
PARK S et al The Effect of Fluoride Treatment on Titanium Treated with Anodic Spark
Oxidation Metals and Materials International v 13 n 2 p 117-122 2007
PERROTTI V et al Fractal Analysis A Novel Method to Assess Roughness Organization of
Implant Surface Topography International Journal of Periodontics amp Restorative
Dentistry v 31 n 6 p 633-639 2011
SAacuteNCHEZ I UZCAacuteTEGUI G Fractals in dentistry Journal of Dentistry v 39 n 4 p
273-292 2011
STOSIC T STOSIC B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels IEEE
Transactions on Medical Imaging v 25 p 1101-1107 2006
SULTANA R et al Effects of heat treatment on the bioactivity of surface-modified titanium
in calcium solution Biomed Mater Eng v 19 n 2 p 193-204 2009
TAPASH RR NARAYANAN R KIM K-H Ion implantation of titanium based
biomaterials Progress in Materials Science v 56 n 8 p 1137-1177 2011
27
UPDIKE SX NOWZARI H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res v 43 n 6 p 658-664 2008
WENNERBERG A ALBREKTSSON T Effects of titanium surface topography on bone
integration a systematic review Clin Oral Implants Res v 20 n 4 p 172-84 2009
WUY-T et al Fractal dimension analysis for quantifying cerebellar morphological change
of multiple system atrophy of the cerebellar type (MSA-C) NeuroImage v 49 n 1 p 539-
551 2010
ZAIA A et al MR imaging and osteoporosis fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute
IEEE Trans Inf Technol Biomed v 10 n 3 p 484-489 2006
ZHANG F et al Cell response of titanium implant with a roughened surface containing
titanium hydride an in vitro study J Oral Maxillofac Surg v 68 n 5 p 1131-1139 2010
28
APEcircNDICE
Artigo submetido agrave publicaccedilatildeo na revista
Fractal measure and microscopic modeling of osseointegration
Leonardo Cavalcanti Bezerra dos Santos1 Alessandra de Albuquerque Tavares Carvalho
1
Borko Stosic2 Tatijana Stosic
2 Paulo Jose Duarte Neto
2
1Departamento de Cliacutenica e Odontologia Preventiva Universidade Federal de Pernambuco
Quarta Travessa Artur de Saacute sn Cidade Universitaacuteria 50670-901 Recife PE Brazil
2Departamento de Estatiacutestica e Informaacutetica Universidade Federal Rural de Pernambuco
Rua Dom Manoel de Medeiros sn Dois Irmatildeos 52171-900 Recife PE Brazil
Abstract
In this work the process of osseointegration on titanium implant surfaces with
different physicochemical treatment subjected to a simulated corporal fluid
submersion is evaluated using the concept of fractal dimension It is found that
different treatments lead to rather different calcium phosphate crystal growth
patterns with fractal dimension ranging from Df=168 to Df=193 The
observed crystal patterns may be explained by a general deposition- diffusion-
aggregation growth mechanism where diffusing particle sticking probability
plays a fundamental role
Key words dental implants osseointegration fractal dimension
Introduction
Practical techniques enhancing implant osseointegration represent a fundamental
research topic not only in dentistry but also in other diverse areas of medicine and veterinary
sciences where bone implants or bone restoration is applied [1-3] While great advances in
this direction have undoubtedly been made over the past decades the full understanding is
still lacking on the effects of different implant surface physicochemical treatments as well as
on the microscopic mechanisms of the posterior osseointegration process [4]
Fractal dimension is a novel concept that has been increasingly employed in diverse
areas of knowledge for quantifying the complexity of natural phenomena ranging from
coastlines [5] and shape of volcanic ash particles [6] bronchial tree [7] and neurons [8]
Fractals are in fact commonly found in nature being characterized by scale invariance and
29
self-similarity During the last decades fractal analysis was used in studying diverse
phenomena in physiology and medicine including pulmonary emphysema [9] osteoporoses
[10] retinal blood vessels [11] and heart rate [12] The potential of fractal analysis was also
explored in dentistry [1314] Recently fractal dimension was used to quantify the surface
roughness of dental implants and shown to be promising to differentiate between topological
properties of dental implant surfaces obtained with different treatments [151617]
In this work we follow up on recent studies [15-17] as to how one may employ fractal
analysis to assess roughness organization of implant surface topology Rather than
concentrating on the implant surface properties subject to different physicochemical treatment
processes [15] here we put the emphasis on the results of simulated body fluid submersion
representing a step forward in understanding of implant osseointegration
Materials and Methods
Machined titanium implant samples were first subjected to different combinations of
a) sand blasting with aluminum oxide b) treatment with hydrofluoric acid and c) treatment
with calcium phosphate [18] after which they were submersed in a simulated body fluid [19]
for thirty days Magnified images of these samples were then acquired through scanning
electron microscopy as shown in Fig1 and subjected to image analysis
As opposed to fractal analysis performed in [15] to find the fractal dimension here we
only binarize the images as shown in Fig2 without skeletonization since we are interested in
crystal formation and it was found that skeletonization introduces artefacts (local networks of
lines) not apparent in the original crystal structure There are various methods for fractal
dimension calculation among which the box-counting method is perhaps the most widely
used because of its simplicity and robustness [20] It proceeds as follows Cover the structure
with a grid of size r and count the number of nonempty grid boxes )(rn Repeat this
procedure for different grid size for fractal self-similar structures 0~)(D
rrn
Box-counting
dimension is defined as
)1log(
)(loglim
0 r
rnD
rf
and can be estimated as the slope of the linear regression of )(log rn versus )1log( r We
calculate fractal dimension using the box counting method implemented in the FracLac
Package of open source software ImageJ
30
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid
tre
atm
ent
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 1 Electron microscope images of samples with different treatment after
submersion in simulated body fluid
31
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid t
reat
men
t
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 2 Same images as in Fig1 after binarization
32
Results and Discussion
It is seen on Fig1 that different combinations of implant surface treatment lead to
rather different crystal pattern formation during the simulated body fluid submersion No clear
conclusions can be drawn as to the size of spatial distribution of formed crystals
corresponding to any single treatment rather it is the combinations of these procedures that
lead to specific resulting structures Large and small crystals uniformly or locally deposited
of simple or dendritic shape are found for different treatment combinations and further in
vivo studies are necessary to determine which of these provide more robust implants with
best mechanical properties
In line with the previous study [15] that has motivated the current work we calculate
the fractal dimension of binarized images shown in Fig2 with the results presented in Table
1 The obtained fractal dimension values vary between Df=168 and Df=193 indicating the
potential of this method to quantify spatial complexity of formed crystals for different implant
surface treatments It is seen from Table 1 that in general the fractal dimension of implant
surface after submersion in SBF tends to be greater in the cases of treatment with acid
(keeping the same combination of sand blasting and calcium phosphate coating) that reflects
the fact that acid etching produces micro pits on titanium surface that greatly enhance
osseointegration [4] The highest value of fractal dimension (193) is obtained for the implant
treated by sand blasting and acid etching indicating that the surface roughness produced by
this treatment results in more uniform and more space filling crystal deposits The fractal
dimension of surfaces treated only by sand blasting acid etching and calcium phosphate are
1903 1845 and 1881 respectively and they are significantly higher than the fractal
dimension of untreated surface (1687) confirming the role of implant surface chemistry and
topology in the process of osseointegration Although our results show that surface topology
of treated implants has higher fractal dimension than that of untreated implants it is still not
clear which treatment or combination of treatments produces the best surfaces for
osseointegration It is also seen from Table 1 that the fractal dimension is higher for all of the
treated surfaces in comparison with the surface without any treatments (with the smallest
fractal dimension value) which reflects the fact that all these treatments produce surface
effects that favorably influence the complexity of the final crystal structure On the other
hand there is no clear evidence as to how these values may be associated with the quality of
implants without further in vivo experiments
33
Table 1 Fractal dimension (standard deviation) of binarized images shown in Fig2
Acid treatment No acid
Calcium
phosphate
No calcium
phosphate
Calcium
phosphate
No calcium
Phosphate
Sand blasted 1859 (0014) 1930 (0015) 1693 (0011) 1903 (0014)
No sand blasting 1920 (0015) 1845 (0013) 1881 (0014) 1687 (0012)
The current study suggests that a general Deposition Difusion Aggregation (DDA)
model [21] may be used to describe crystal formation in the different scenarios covered in the
present work One may perceive that the molecules present in the solution deposit on the
implant surface and move along this surface until they reach other such molecules andor
already crystallized formations where they become incorporated into the crystal structure
The concentration of the (in the current experiment simulated corporal) fluid determines the
flux of deposition and the mobility of the molecules (and perhaps larger molecular
agglomerates) is governed by the topology (roughness) of the implant surface It is well
known [21] that the flux and mobility of aggregate particles lead to rather different deposition
patterns ranging from many uniformly distributed small DLA (Diffusion Limited
Aggregation) like crystals to large dendritic structures and the DDA model apparently
represents an excellent candidate to describe the diversity of observed crystal patterns seen
on the electron microscope images of Fig 1
Conclusion
We apply fractal analysis on binarized scanning electron microscopy images of the
surface of titanium implants that were first subjected to different treatment combinations of i)
sand blasting ii) acid etching and iii) exposition to calcium phosphate and were then
submersed in a simulated corporal fluid for thirty days The obtained fractal dimension values
vary between Df=168 to Df=193 reflecting the complexity and space filling property of the
final crystal structure characterized by large and small crystals uniformly or locally
deposited of simple or dendritic shape that were found for different treatment combinations
Further in vivo studies are necessary to determine how these values may be associated with
the quality of implants
34
References
[1] Albrektsson T Sennerby L Wennerberg A State of the art of oral implants Periodontol
2000 2008 47 15-26
[2] Wazen JJ Gupta R Ghossaini S Spitzer J Farrugia M Tjellstrom A
Osseointegration timing for Baha system loading Laryngoscope 2007 117 794-796
[3] Palmquist A Jarmar T Emanuelsson L Braringnemark R Engqvist H Thomsen P
Forearm bone-anchored amputationprosthesis a case study on the osseointegration Acta
Orthop 2008 79 78-85
[4] Le Gueacutehennec L Soueidan A Layrolle P Amouriq Y Surface treatments of titanium
dental implants for rapid osseointegration Dental Materiasl 2007 23 844-854
[5] Mandelbrot BB The Fractal Geometry of Nature New York Freeman 1983 25
[6]Dellino PLiotino G The fractal and multifractal dimension of volcanic ash particles
contour a test study on the utility and volcanological relevance Journal of Volcanology and
Geothermal Research 2002 113 1-18
[7] Majumdar A Alencar AM Buldyrev SV Hantos Z Lutchen KR Stanley HE Suki B
Relating airway diameter distributions to regular branching asymmetry in the lung Phys Rev Lett 2005 95 168101
[8] Jelinek HF Fernandez E Neurons and fractals how reliable and useful are calculations of
fractal dimensions Journal of Neuroscience Methods 1998 81 9 ndash 18
[9] Chung HW HUANG YH Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the Diagnosis
of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology 2000 174 1055-1059
[10] Zaia A Eleonori R Maponi P Rossi R Murri R MR imaging and osteoporosis
fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute IEEE Trans Inf Technol Biomed 2006 10
484-489
[11] Stosic T Stosic B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels EEE Transactions
on MIedical Imaging 2006 25 1101-1107
[12] Goldberger AL Amaral LAN Hausdorff JM Ivanov PCh Peng CK Stanley
HE Fractal dynamics in physiology Alterations with disease and aging PNAS 2002 99
2466-2472
[13] Saacutenchez I Uzcaacutetegui G Fractals in dentistry Journal of Dentistry 2011 39 273-292
[14] Updike SX Nowzari H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res 2008 43 658-664
[15] Perotti V Aprile G Degidi M Piatelli A Lezzi G Fractal analysis a novel method to
assess roughness organization of implant surface topography Int J Peridontic Restorative
Dent 2011 31 633-639
[16] Ehrenfest D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol 2011 37 506-509
35
[17] Lezzi G Aprile G Tripodi D Scarano A Piatelli A Perotti V Implant surface
topographies analyzed using fractal dimension Implant Dent 2012 20 131-138
[18] Guo CY Tang ATH Matinlinna JP Insights into surface treatment methods of titanium
dental implants Journal of Adhesion Science amp Technology 2012 26 189ndash205
[19] Kokubo T Takadama H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
Biomaterials 2006 27 2907-2915
[20] Theiller J Estimating fractal dimension J Opt Soc Am 1990 7 1055-1073
[21] P Jensen A-L Barabaacutesi H Larralde S Havlin H E Stanley Model incorporating
deposition diffusion and aggregation in submonolayer nanostructures Phys Rev E (1994)
50 618ndash621
10
SUMAacuteRIO
1 INTRODUCcedilAtildeO 10
2 REVISAtildeO DA LITERATURA 12
21 Biocompatibilidade 12
22 Estrutura oacutessea 12
23 Titacircnio e a hidroxiapatita 12
24 Fractais 15
3 MATERIAL E MEacuteTODOhellip 16
31 Modelo experimental 16
32 Preparos dos corpos de Provas 16
33 Usinagem 16
34 Limpeza das amostras 16
35 Divisatildeo dos grupos 16
36 Tratamentos das superfiacutecies 17
361 Jateamento com oacutexido de Alumiacutenio 17
362 Ataque aacutecido 17
363 Fosfato de Caacutelcio 17
37 Preparaccedilatildeo do simulador de Fluiacutedos Corpoacutereos (SBF) 17
38 Meacutetodos de Avaliaccedilatildeo 18
381 Microscopia Eletrocircnica de Varredura (MEV) 18
382 Dimensatildeo Fractal 18
4 RESULTADOS E DISCUSSAtildeO 19
5 CONCLUSAtildeO 23
REFEREcircNCIAS 24
APEcircNDICE - Artigo submetido aacute publicaccedilatildeo na revista 27
11
1 INTRODUCcedilAtildeO
A osseointegraccedilatildeo representa um fator fundamental para o sucesso de implantes
dentaacuterios tendo como base o estabelecimento da estabilidade mecacircnica primaacuteria e fixaccedilatildeo
bioloacutegica posterior Ela poderaacute ser influenciada por vaacuterios fatores como arquitetura oacutessea
original e sua densidade o desenho do implante e o tratamento de superfiacutecie (ORSINI et al
2012)
O processo de tratamento de superfiacutecie eacute realizado apoacutes a usinagem depois de
remover resiacuteduos como oacuteleo e outros contaminantes As superfiacutecies com capacidade
osteoindutora preparadas com um processo que vai aleacutem de uma simples limpeza satildeo
comumente chamadas de ativas Os dados disponiacuteveis de estudos com animais e em seres
humanos sugerem que a topografia da superfiacutecie melhorada estaacute associada ao aumento da
biocompatibilidade e do contato osso-implante ocasionando um maior intertravamento com o
osso e dessa forma contribuindo para uma obtenccedilatildeo de uma integraccedilatildeo mais raacutepida e
duradoura
Vaacuterios meacutetodos para modificar a topografia das superfiacutecies dos implantes jaacute foram
introduzidos como revestimento com hidroxiapatita que usa o processo conhecido como
Titacircnio Plasma spray (TPS) abrasotildees com jateamento com oxido de titacircnio ou oxido de
alumiacutenio pulverizaccedilatildeo catoacutedica com fosfato de Caacutelcio anodizaccedilatildeo aleacutem do Laser Nd-Yag
segundo Braringnemark et al (2011) e diferentes meacutetodos quiacutemicos e bioloacutegicos como a adiccedilatildeo
de peptiacutedeos ( KAumlMMERER et al 2012)
O ataque aacutecido foi citado por vaacuterios autores como mecanismo uacutetil para promover
micro ranhuras que aumentariam a aacuterea de contato permitindo deposiccedilatildeo da matriz oacutessea
secretada pelos osteoblastos e posterior calcificaccedilatildeo Efeito sobre a densidade oacutessea foi
observado em estudos com diferentes superfiacutecies quando peptiacutedeos foram adicionados
(HAMLET et al 2012) Os aacutecidos mais utilizados satildeo cloriacutedrico sulfuacuterico fosfoacuterico e o
fluoriacutedrico onde dependendo da composiccedilatildeo tempo de contato e temperatura os resultados
poderatildeo ser diferentes O tratamento com aacutecidos na superfiacutecie de titacircnio em estudos com
cultura de ceacutelulas confirmou presenccedila de titacircnia anastase e maior proliferaccedilatildeo celular
(ZHANG et al 2010) O efeito da temperatura na formaccedilatildeo de cristais foi maior quando o
titacircnio foi submetido a tratamento teacutermico entre 400 e a 600ordm C (SULTANA et al 2009)
12
Os implantes satildeo avaliados macroscopicamente quanto a seu desenho enquanto para
a caracterizaccedilatildeo da topografia usa-se a microscopia eletrocircnica de varredura (MEV) a niacuteveis
micromeacutetricos e sub micromeacutetricos (PERROTTI et al 2011 CARNEIRO-CAMPOS et al
2010) e para a caracterizaccedilatildeo da composiccedilatildeo atocircmica usam-se Raios X (EDS) e a
cristalografia (PARK et al 2007 WENNERBERG et al 2009 NOVAES et al 2010 GAO
et al 2009)
Pelo menos cinco efeitos poderatildeo ser atribuiacutedos agrave formaccedilatildeo das rugosidades i) o
aumento da superfiacutecie junto ao osso adjacente ii) melhoria da fixaccedilatildeo celular ao titacircnio iii)
aumento da quantidade de osso junto ao implante iv) aumento da interaccedilatildeo biomecacircnica entre
o osso e o implante e v) processos inflamatoacuterios Peri implantares quando a rugosidade
apresenta-se na aacuterea trans mucosa (PERROTTI et al 2011) Poreacutem ainda natildeo existe
consenso geral tanto na literatura cientiacutefica quanto na pratica sobre quais tratamentos de
superfiacutecie de implantes resultariam em melhor e mais raacutepida osseointegraccedilatildeo e quais as
melhores propriedades dos implantes em relaccedilatildeo destes efeitos individuais Para contribuir
para o melhor entendimento desta questatildeo o objetivo deste estudo foi analisar ldquoin vitrordquo como
o tratamento da superfiacutecie no processo de fabricaccedilatildeo de implantes afetaria o processo de
formaccedilatildeo de cristais apoacutes imersatildeo no simulador de fluiacutedos corpoacutereos (SBF) Implantes de
titacircnio foram sujeitos agraves diferentes combinaccedilotildees de tratamento de superfiacutecie com i)
jateamento ii) ataque aacutecido e iii) fosfato de caacutelcio e depois de imersatildeo no SBF por 30 dias as
imagens da superfiacutecie obtidas por microscopia eletrocircnica foram sujeitas a analise fractal
13
2 REVISAtildeO DA LITERATURA
Osseointegraccedilatildeo eacute a uniatildeo estrutural e funcional entre o implante e o tecido oacutesseo
quando submetido a uma carga funcional (BRANEMARCK et al 1977) Vaacuterios fatores
poderatildeo interferir na forma e no tempo dessa integraccedilatildeo
21 Biocompatibilidade
Os materiais utilizados para fabricaccedilatildeo de implantes devem ter uma boa resistecircncia
mecacircnica elevada estabilidade quiacutemica excelente resistecircncia agrave corrosatildeo e
biocompatibilidade O titacircnio eacute usado extensivamente nos ossos como sistemas de ancoragem
implantes dentaacuterios e ortopeacutedicos bem como aplicaccedilotildees de osteossiacutentese (MARQUES 2007)
Nos implantes a cicatrizaccedilatildeo oacutessea sem a presenccedila de fibroses eacute desejaacutevel Fatores
relacionados agrave teacutecnica ciruacutergica desenho do implante com o seu respectivo tratamento de
superfiacutecie e fatores ligados ao paciente satildeo variaacuteveis que poderatildeo influenciar na sua
integraccedilatildeo
22 Estrutura oacutessea
A densidade oacutessea eacute um fator importante na longevidade dos implantes independente
da regiatildeo na arcada dentaacuteria baseado em caracteriacutesticas macroscoacutepicas da cortical e do
trabeculado oacutesseo (Misch 1998) classificou em cinco tipos de osso
D1 Osso cortical denso (gt 1250 UH)
D2 Apresenta cortical denso e osso trabeculado grosso (850 a 1250 UH)
D3 Cortical oacutessea fina e trabeculado fino (350 a 850 UH)
D4 Osso trabecular fino (150 a 350 UH)
D5 Osso natildeo-mineralizado imaturo (lt 150 UH)
onde UH satildeo unidades da escala de Hounsfield (com valores -1000 para ar 0 para aacutegua e
3000 para dentes)
23 Titacircnio e a hidroxiapatita
Verick (2003) verificou o meacutetodo de biomimetizaccedilatildeo de superfiacutecie de titacircnio
comercialmente puro (Ti-cp) tratado com hidroacutexido de soacutedio e colocado no SBF super
saturado e observou apoacutes 24 horas alguns tipos de apatitas precipitadas sobre o substrato
14
juntamente com a fase cristalina da hidroxiapatita e comparou com o difratograma de uma
mandiacutebula humana onde observou-se a semelhanccedila dos picos Concluiu que no processo de
nucleaccedilatildeo lento a fase majoritaacuteria encontrada foi a hidroxiapatita As outras fases presentes
apareceram em pequenas quantidades sendo a proacutexima fase da maior presenccedila fosfato
octacaacutelcico
Titacircnio comercialmente puro e suas ligas como Ti-6Al-4V satildeo usadas em cirurgias
ortopeacutedicas O moacutedulo de elasticidade do titacircnio e da liga Ti6Al4V variaria entre 100 e
120GPa e do osso entre 10 e 30GPa A diferenccedila do moacutedulo de elasticidade da proacutetese e do
osso seria desfavoraacutevel para o remodelamento oacutesseo Para resolver este problema e melhorar
as propriedades mecacircnicas e bioloacutegicas novas ligas de titacircnio foram desenvolvidas para
aplicaccedilotildees biomeacutedicas O meacutetodo normal para se conseguir um melhor desempenho das ligas
de titacircnio quanto agraves propriedades mecacircnicas e bioloacutegicas seria modificar sua composiccedilatildeo
Alguns elementos como NbTa Mo e Zr Fe Cr e Sn usualmente adicionados nas ligas de
titacircnio para formar completa ou parcialmente a estrutura que possuem baixo moacutedulo de
elasticidade e contribuem para diminuir a diferenccedila entre o moacutedulo de elasticidade da liga e
do osso Aleacutem disso certos elementos de liga como Cu Co Ni e Si satildeo utilizados para
aumentar a resistecircncia mecacircnica das ligas Nos estudos comparativos com quatro superfiacutecies
tratadas com aacutecidos fluoretos e apenas usinada as anodizadas mostraram melhores resultados
de deposiccedilatildeo de iacuteons (MARQUES 2007)
A Hidroxiapatita sintetizada eacute um dos materiais mais atrativos para uso como
biomaterial devido a sua similaridade composicional e bioloacutegica com a fase inorgacircnica do
osso humano A estrutura da HA permite substituiccedilotildees catiocircnicas e aniocircnicas isomorfas com
facilidade as quais poderatildeo alterar a cristalinidade a morfologia e os paracircmetros de rede A
estabilidade a bioatividade e a biocompatibilidade do material obtido Tais caracteriacutesticas
positivas podem ser explicadas pela natureza quiacutemica por serem formados basicamente por
iacuteons caacutelcio e fosfato participam ativamente do equiliacutebrio iocircnico entre o fluido bioloacutegico e a
ceracircmica Uma forma conveniente de classificar os vaacuterios fosfatos de caacutelcio eacute pela sua razatildeo
molar CaP que pode variar de 05 a 20 A solubilidade eacute uma das mais importantes
propriedades dos compostos de fosfato de caacutelcio Esta biocompatibilidade favorece o
crescimento oacutesseo para os locais em que a HA se encontra Estabelecendo ligaccedilotildees de
natureza quiacutemica entre ela e o tecido oacutesseo (bioativo) permitindo a proliferaccedilatildeo de
fibroblastos osteoblastos e outras ceacutelulas oacutesseas as quais natildeo a distinguem da superfiacutecie
oacutessea o que indica a grande similaridade quiacutemica superficial (GOUVEIA 2008)
15
O tratamento teacutermico da superfiacutecie pode induzir aumento da nucleaccedilatildeo dos cristais de
hidroxiapatita como mostrado pelo Ling e colaboradores (GAO et al 2009) As superfiacutecies
tratadas com ataque aacutecido e anodizaccedilatildeo foram submetidas a tratamento teacutermico a 450ordm C por 6
horas Foram observados cristais de anatase medindo em torno de 20 nm e em seguida as
amostras com e sem tratamento teacutermico foram colocadas em 15 SBF por 7 dias e avaliados
em termos de nucleaccedilatildeo dos cristais
Superfiacutecie tratada por laser tambeacutem pode apresentar melhor fixaccedilatildeo da interface osso-
implante como mostrado (BRAringNEMARK et al 2011) a niacutevel micro e nano escala em
estudos em tiacutebia de coelho com o objetivo de avaliar a resposta biomecacircnica e histoloacutegica de
implantes de titacircnio tratados por laser em comparaccedilatildeo com os implantes apenas usinados
Verificaram que apoacutes 8 semanas tiveram um aumento de 250 no torque de remoccedilatildeo para
superfiacutecies tratadas com laser em relaccedilatildeo as apenas maquinadas Concluiacuteram que existiu uma
melhor fixaccedilatildeo da interface osso-implante promovida por alteraccedilotildees em micro e nano-escala
da topografia da superfiacutecie do implante
Em outro recente experimento ldquoin vivordquo (ORSINI et al 2012) a superfiacutecie tratada
com jateamento e ataque aacutecido (SLA) apresentou maior osteocondutividade quando
comparada com a superfiacutecie natildeo tratada verificando que houve maior deposiccedilatildeo de novo osso
na superfiacutecie de titacircnio
Implantes revestidos com Hidroxiapatiata (HA) reagem de uma maneira direta com
o tecido oacutesseo em cinco fases distintas i) com a dissoluccedilatildeo de HA ii) a precipitaccedilatildeo de
apatita iii) trocas iocircnicas acompanhada por absorccedilatildeo e incorporaccedilatildeo de moleacuteculas bioloacutegicas
iv) a ligaccedilatildeo de ceacutelulas proliferaccedilatildeo e diferenciaccedilatildeo em osteoblastos e v) a formaccedilatildeo da
matriz extra celular e mineralizaccedilatildeo Para que esses efeitos em cascata ocorram a dissoluccedilatildeo
do revestimento de HA representa um passo fundamental Esta dissoluccedilatildeo eacute citada como um
requisito importante para induzir a precipitaccedilatildeo da hiroxiapatita sobre a superfiacutecie do implante
(TAPASH et al 2011) O tratamento quiacutemico dos biomateriais poderaacute apresentar alto impacto
na ativaccedilatildeo plaquetaacuteria Mais especificamente o adesivo sequecircncia peptiacutedica ceacutelula bioativo
Arg-Gli-Asp (RGD) desencadeia a ativaccedilatildeo plaquetaacuteria mediada pelo receptor de integrina
aIIbb3 Deste modo as superfiacutecies tratadas com substacircncias biomimeacutetica (peacuteptidio RGD
imobilizado) poderiam aumentar no iniacutecio ativaccedilatildeo de plaquetas e da cicatrizaccedilatildeo oacutessea junto
ao implante (KAumlMMERER et al 2012)
16
24 Fractais
O termo fractal foi introduzido por Benoit Mandelbrot (MANDELBROT 1983) para
descrever geometria dos sistemas naturais formados pelos processos estocaacutesticos longe do
equiliacutebrio Como exemplos desses sistemas podem-se citar as aacutervores ramificadas linhas
costeiras nuvens poliacutemeros estruturas cardiopulmonares (rede arterial aacutervore
traqueobronquial) etc (MANDELBROT 1983 BASSINGTHWAIGHTE et al 1994) A
diferenccedila entre a geometria fractal e a geometria euclidiana eacute que fractais possuem dimensatildeo
natildeo inteira (fracionaacuteria) e propriedade de auto-similaridade (partes do objeto se assemelham ao
objeto como todo) Os exemplos citados representam fractais estocaacutesticos e possuem a
propriedade de auto-similaridade em sentido estatiacutestico dentro de um intervalo de escala onde
o limite inferior representa a dimensatildeo das componentes elementares (eg partiacuteculas) do
sistema e o limite superior representa a dimensatildeo linear do sistema Durante ultimas deacutecadas o
conceito fractal foi amplamente utilizado para descrever a complexidade dos sistemas
fisioloacutegicos tanto na analise das imagens medicas quanto na analise dos sinais fisioloacutegicos e
mostrou se eficiente em diferenciaccedilatildeo entre os casos saudaacuteveis e patoloacutegicos Os exemplos
incluem osteoporoses (ZAIA et al 2006) enfisema pulmonar (CHUNG e HUANG 2000)
doenccedilas degenerativas neuroloacutegicas (WU et al 2010) alteraccedilotildees em vascularizaccedilatildeo da retina
(STOSIC 2006) doenccedilas cardiovasculares (IVANOV et al 1999) entre outros
O potencial da analise fractal tambeacutem foi explorado na odontologia (SAacuteNCHEZ e
UZCAacuteTEGUI 2011 UPDIKE e NOWZARI 2008) Nos uacuteltimos anos a dimensatildeo fractal foi
utilizada para descrever a rugosidade da superfiacutecie do implante sendo uacutetil para quantificaccedilatildeo
das diferenccedilas entre as superfiacutecies dos implantes obtidas utilizando diversos tratamentos
(PEROTTI et al 2011 LEZZI et al 2012 EHRENFEST et al 2011)
17
3 MATERIAL E MEacuteTODO
Este estudo foi planejado uma anaacutelise multifatorial tendo como objetivo analisar
diferentes tratamentos da superfiacutecie de implante em relaccedilatildeo agrave deposiccedilatildeo de Hidroxiapatita que
eacute considerado um fator relevante pela literatura especializada
31 Modelo experimental
Foi desenvolvido um modelo ldquoin vitrordquo utilizando simulador de fluiacutedos corpoacutereos onde
as amostras foram submergidas por 30 dias e em seguida analisadas por microscopia eletrocircnica
32 Preparos dos Corpos de Provas
O titacircnio foi adquirido atraveacutes da Empresa Tinbrazil barras medindo 6 mm de
diacircmetro por 1 metro de comprimento com laudo de certificaccedilatildeo emitido pela importadora
acima Como sendo titacircnio grau II Ti-6Al-4V conforme a ASTM usados na fabricaccedilatildeo de
implantes dentaacuterios
33 Usinagem
Foi utilizado torno computadorizado marca ROMI com ferramentas de corte
fabricadas em ceracircmica no Departamento de Engenharia Mecacircnica da Universidade Federal
de Pernambuco A vareta foi reduzida em 86 discos medindo 5 mm de diacircmetro e 2 mm de
altura As amostras foram levadas para tratamento de superfiacutecie no laboratoacuterio de
Farmacognosia do Departamento de Ciecircncias Farmacecircuticas da UFPE
34 Limpeza das amostras
As amostras foram lavadas com hexano por 10 minutos em ultrassom O solvente foi
desprezado em recipiente apropriado As amostras foram colocadas em um Becker de vidro
colocados em estufa a 80ordm C por 10 minutos
35 Divisatildeo dos grupos
Os grupos foram divididos seguindo o Planejamento Fatorial de 23
satildeo apresentados na
Tabela 1
18
Tabela 1 ndash Organizaccedilatildeo dos grupos
Jateamento Ataque aacutecido Fosfato de caacutelcio
Grupo A Sim Sim Sim
Grupo B Natildeo Natildeo Natildeo
Grupo C Sim Natildeo Sim
Grupo D Sim Sim Natildeo
Grupo E Natildeo Natildeo Sim
Grupo F Natildeo Sim Natildeo
Grupo G Natildeo Sim Sim
Grupo H Sim Natildeo Natildeo
36 Tratamentos das superfiacutecies
361 Jateamento com Oacutexido de Alumiacutenio
Foi realizado utilizando oacutexido de alumiacutenio com granulaccedilatildeo meacutedia agrave 80 libras com o
jato direcionado a superfiacutecies dos discos por 10 segundos em cada lado
362 Ataque aacutecido
A segunda etapa foi o ataque aacutecido cuja composiccedilatildeo foi aacutecido cloriacutedrico 59 + 1
de aacutecido fluoriacutedrico e 40 de aacutegua destilada acondicionado em recipiente de polietileno ateacute
momento do uso Em um Becker de 50 ml foram colocados 20 ml do aacutecido por um (01)
minuto
363 Fosfato de Caacutelcio
Foi desenvolvida uma pasta contendo proporccedilatildeo de 13 de aacutegua e fosfato de caacutelcio
terciaacuterio No final da segunda etapa o excesso de aacutecido eacute desprezado e a pasta eacute adicionada ao
Becker onde permanece no ultrassom por 20 minutos Apoacutes a lavagem o material foi
colocado em recipiente de vidro seco em estufa a 40 C por 1 hora armazenados em tubos
tipo Ependorf e encaminhados para as anaacutelises
37 Preparaccedilatildeo do Simulador de Fluiacutedos Corpoacutereos (SBF)
Foi preparado conforme meacutetodo de Kokubo e Takadama (2006) no laboratoacuterio de
Farmacognosia Departamento de Ciecircncias Farmacecircuticas da UFPE
19
Tabela 2 - Composiccedilatildeo quiacutemica do SBF proposta por Kokubo e Takadama (2006)
Reagentes Quantidade Pureza
NaCl 8055 g 995
NaHCO3 0355 g 995
Kcl 0225 g 995
K2PO4 3H2O 0231 g 990
MgCl2 6H2O 0311 g 980
10 M- HCl 39 ml -----------
CaCl2 0292 g 950
NaSO4 0072 g 990
Tris 6118 g 990
10 M HCl 0-5ml ------------ Hidroximetil aminometano
38 Meacutetodos de Avaliaccedilatildeo
381 Microscopia Eletrocircnica de Varredura (MEV)
Para analise da superfiacutecie das amostras foi utilizada microcopia eletrocircnica de varredura
(MEV) JEOL 5600 LV (Japan) voltagem de 10 kV do Departamento de Fiacutesica da UFPE
Foram analisadas em arquivos digitais trecircs campos visuais diferentes para cada disco
Para cada grupo foram avaliados 3 discos totalizando nove aacutereas por grupo Em cada campo
foram obtidas imagens de 200x 1000x e 15000x para anaacutelises comparativas
382 Dimensatildeo Fractal
Existem vaacuterios meacutetodos para o caacutelculo de dimensatildeo fractal como contagem de caixas
(ldquobox countingrdquo) meacutetodo massa-raio (ldquomass-radius methodrdquo) e meacutetodo de correlaccedilatildeo
densidade-densidade (ldquodensity-density correlation function methodrdquo) O meacutetodo contagem de
caixas eacute mais utilizado e consiste em cobrir a estrutura com uma grade de caixas com arestas
de tamanho l e contar o nuacutemero N(l) de caixas que conteacutem pelo menos uma partiacutecula do
sistema Reduz-se sucessivamente o tamanho das caixas e mede-se para cada tamanho o
numero de caixas N(l) nos quais existe pelo menos um ponto do sistema A dimensatildeo fractal eacute
definida pela equaccedilatildeo
de onde segue
Assim traccedila-se um graacutefico do logaritmo de N(l) em funccedilatildeo do logaritmo de 1l e determina-se
a dimensatildeo fractal pela inclinaccedilatildeo do graacutefico (BASSINGTHWAIGHTHE et al 1994)
fDllN
~)(
)1log(~)(log lDlN f
20
4 RESULTADOS E DISCUSSAtildeO
A Figura 3 mostra os cristais formados depois submersatildeo dos implantes em Simulador
de Fluiacutedos Corpoacutereos (SBF) por 30 dias obtidas com auxilio da Microscopia Eletrocircnica de
Varredura Observam-se as formas diferentes dos cristais (cristais grandes ou pequenos
distribuiacutedos uniformemente ou agrupados simples ou ramificados) para diferentes
tratamentos da superfiacutecie dos implantes A forma e a distribuiccedilatildeo espacial dos cristais
formados por SBF refletem o processo de osseointegraccedilatildeo e indicam que uma analise das
propriedades geomeacutetricas destas estruturas para vaacuterios tipos de tratamento da superfiacutecie dos
implantes poderia providenciar informaccedilotildees importantes para avaliaccedilatildeo da qualidade do
implante
A dimensatildeo fractal das imagens dos cristais formados por SBF nas superfiacutecies dos
implantes foi calculada para diferentes tratamentos da superfiacutecie As imagens da Figura 3
foram binarizadas como apresentado na Figura 4 e em seguida a dimensatildeo fractal foi
calculada utilizando o pacote FracLac do software gratuito ImageJ com meacutetodo ldquoBox
countingrdquo Os resultados destes caacutelculos satildeo apresentados na Tabela 3
21
Com jateamento Sem jateamento
Com
ata
que
aacutecid
o
Com
fosf
ato d
e caacute
lcio
S
em f
osf
ato d
e caacute
lcio
Sem
ata
que
aacutecid
o
Com
fosf
ato d
e caacute
lcio
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
Figura 3 Imagens das formaccedilotildees cristalinas nas superfiacutecies das amostras A-H
22
Figura 4 Imagens binarizadas das formaccedilotildees cristalinas nas superfiacutecies das
amostras A-H
Com jateamento
Sem jateamento
Com
ata
que
aacutecid
o
C
om
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
ata
que
aacutecid
o
C
om
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
23
Tabela 3 Dimensatildeo Fractal (desvio padratildeo) das imagens binarizadas apresentadas na Fig 4
Com aacutecido Sem aacutecido
Com fosfato
de caacutelcio
Sem fosfato
de caacutelcio
Com fosfato
de caacutelcio
Sem fosfato
de caacutelcio
Com jateamento 1859 (0014) 1930 (0015) 1693 (0011) 1903 (0014)
Sem jateamento 1920 (0015) 1845 (0013) 1881 (0014) 1687 (0012)
Na Tabela 3 observa-se a maior dimensatildeo fractal dos cristais formados na superfiacutecie
dos implantes tratados com aacutecido do que em tratamentos sem aacutecido indicando maior
preenchimento espacial dos cristais Este resultado pode ser explicado pelo fato que o
tratamento com acido produz uma superfiacutecie de maior rugosidade aumentando a aacuterea de
contato que pode causar uma deposiccedilatildeo maior e mais uniforme As superfiacutecies apenas
maquinadas que natildeo receberam nenhum tratamento tambeacutem apresentaram as formaccedilotildees de
cristais apoacutes imersatildeo no SBF por 30 dias poreacutem em quantidades aparentemente menores
resultando em menor dimensatildeo fractal (1687) do que para as superfiacutecies com tratamentos
diferentes
24
5 CONCLUSAtildeO
A dimensatildeo fractal das imagens dos implantes de titacircnio submetidos agraves diferentes
combinaccedilotildees dos tratamentos da superfiacutecie e submersos em Simulador de Fluiacutedos Corpoacutereos
por 30 dias varia entre Df=168 ate Df=193 refletindo a complexidade da formaccedilatildeo cristal
caracterizada por pequenos ou grandes cristais depositados localmente ou de forma uniforme
com geometria simples ou dendritica dependendo da combinaccedilatildeo dos tratamentos A menor
dimensatildeo fractal de Df=168 foi obtida para amostras sem tratamento nenhum enquanto a
maior dimensatildeo fractal de Df=193 foi obtida para amostras com jateamento e ataque aacutecido
(sem fosfato de caacutelcio) Ataque aacutecido foi identificado como uacutenico dos tratamentos que leva
sistematicamente ao aumento da dimensatildeo cristal enquanto o tamanho e a distribuiccedilatildeo
espacial dos cristais formados demonstram grande diversidade sem aparente dependecircncia em
nenhum dos tratamentos Estudos sistemaacuteticos ldquoin vivordquo satildeo necessaacuterios para estabelecer
quais combinaccedilotildees destes tratamentos de superfiacutecie geram implantes mais biologicamente
estaacuteveis e mecanicamente robustos e como estas propriedades podem ser associadas com a
dimensatildeo fractal dos cristais depositados
25
REFEREcircNCIAS
BARROS NETO B SCHARMINIO I E BRUNS R E Como Fazer experimentos
Pesquisa e desenvolvimento na ciecircncia e na Induacutestria 2 ed- Campinas-SP Editora
Unicamp 2003
BASSINTHWAITGHT JB LIEBOVITCH LS BRUCE JW Fractal physiology New
York Oxford American Physiological Society 1994
BRAringNEMARK R et al Bone response to laser-induced micro- and nano-size titanium
surface features Nanomedicine v 7 n 2 p 220-227 2011
BRAringNEMARK PI et al Osseointegreated implants in the treatment of edentulous jaw
Experience from a 10- year period Scand J Plast Reconst Surg Suppl v 16 p 1-132
1977
CARNEIRO-CAMPOS LE et al The effect of titanium topography features on mesenchymal
human stromal cells adhesion Clin Oral Implants Res v 21 n 2 p 251-254 2010
CHUNG H-W HUANG Y-H Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the
Diagnosis of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology v 174 p
1055-1059 2000
EHRENFEST D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol v 37 p 506-509 2011
GAO L et al MicroNanostructural Porous Surface on Titanium and Bioactivity J Biomed
Mater Res Part B Appl Biomater v 89B n 2 p 335ndash341 2009
GOUVEIA DS Obtenccedilatildeo de poacutes nanomeacutetricos de hidroxiapatita sintetizados com
magneacutesio utilizando ultra-som Tese Instituto de Pesquisas Energeacuteticas e Nucleares S
Paulo 2008
HAMLET S et al The effect of hydrophilic titanium surface modification on macrophage
inflammatory cytokine gene expression Clin Oral Implants Res v 23 n 5 p 584-90
2012
IVANOV PCH et al Multifractality in Human Heartbeat Dynamics Nature v 399 p
461-465 1999
KAumlMMERER PW et al Early implant healing promotion of platelet activation and
cytokine release by topographical chemical and biomimetical titanium surface modifications
in vitro Clin Oral Implants Res v 23 n4 p 504-10 2012
26
KOKUBO TTAKADAMA H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
BIOMATERIALS v 27 n 15 p 2907-2915 2006
LEZZIG et al Implant surface topographies analyzed using fractal dimension Implant
Dent v 20 p 131-138 2012
MANDELBROT BB How long is the coast of Britain Statistical self-similarity and
fractional dimension Science 156 1967 636-638
MANDELBROT BB The Fractal Geometry of Nature New York 1983
MARQUES C Tratamento de superfiacutecies de implantes de titacircnio Dissertaccedilatildeo de
Mestrado apresentada ao Curso de Mestrado em Ciecircncia dos Materiais do Instituto Militar de
Engenharia (IME) 2007
MISCH CE Misch bone density classification In Misch CE ed Contemporary Implant
Densitry 113-114 St Luis Mosby Inc 2009
NOVAES ABJR et al Influence of Implant Surfaces on Osseointegration Braz Dent J v
21 n 6 p 471-481 2010
ORSINI E et al Early Healing Events around Titanium Implant Devices with Different
Surface Microtopography A Pilot Study in an In Vivo Rabbit Model The Scientific World
Journal 349042 2012
PARK S et al The Effect of Fluoride Treatment on Titanium Treated with Anodic Spark
Oxidation Metals and Materials International v 13 n 2 p 117-122 2007
PERROTTI V et al Fractal Analysis A Novel Method to Assess Roughness Organization of
Implant Surface Topography International Journal of Periodontics amp Restorative
Dentistry v 31 n 6 p 633-639 2011
SAacuteNCHEZ I UZCAacuteTEGUI G Fractals in dentistry Journal of Dentistry v 39 n 4 p
273-292 2011
STOSIC T STOSIC B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels IEEE
Transactions on Medical Imaging v 25 p 1101-1107 2006
SULTANA R et al Effects of heat treatment on the bioactivity of surface-modified titanium
in calcium solution Biomed Mater Eng v 19 n 2 p 193-204 2009
TAPASH RR NARAYANAN R KIM K-H Ion implantation of titanium based
biomaterials Progress in Materials Science v 56 n 8 p 1137-1177 2011
27
UPDIKE SX NOWZARI H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res v 43 n 6 p 658-664 2008
WENNERBERG A ALBREKTSSON T Effects of titanium surface topography on bone
integration a systematic review Clin Oral Implants Res v 20 n 4 p 172-84 2009
WUY-T et al Fractal dimension analysis for quantifying cerebellar morphological change
of multiple system atrophy of the cerebellar type (MSA-C) NeuroImage v 49 n 1 p 539-
551 2010
ZAIA A et al MR imaging and osteoporosis fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute
IEEE Trans Inf Technol Biomed v 10 n 3 p 484-489 2006
ZHANG F et al Cell response of titanium implant with a roughened surface containing
titanium hydride an in vitro study J Oral Maxillofac Surg v 68 n 5 p 1131-1139 2010
28
APEcircNDICE
Artigo submetido agrave publicaccedilatildeo na revista
Fractal measure and microscopic modeling of osseointegration
Leonardo Cavalcanti Bezerra dos Santos1 Alessandra de Albuquerque Tavares Carvalho
1
Borko Stosic2 Tatijana Stosic
2 Paulo Jose Duarte Neto
2
1Departamento de Cliacutenica e Odontologia Preventiva Universidade Federal de Pernambuco
Quarta Travessa Artur de Saacute sn Cidade Universitaacuteria 50670-901 Recife PE Brazil
2Departamento de Estatiacutestica e Informaacutetica Universidade Federal Rural de Pernambuco
Rua Dom Manoel de Medeiros sn Dois Irmatildeos 52171-900 Recife PE Brazil
Abstract
In this work the process of osseointegration on titanium implant surfaces with
different physicochemical treatment subjected to a simulated corporal fluid
submersion is evaluated using the concept of fractal dimension It is found that
different treatments lead to rather different calcium phosphate crystal growth
patterns with fractal dimension ranging from Df=168 to Df=193 The
observed crystal patterns may be explained by a general deposition- diffusion-
aggregation growth mechanism where diffusing particle sticking probability
plays a fundamental role
Key words dental implants osseointegration fractal dimension
Introduction
Practical techniques enhancing implant osseointegration represent a fundamental
research topic not only in dentistry but also in other diverse areas of medicine and veterinary
sciences where bone implants or bone restoration is applied [1-3] While great advances in
this direction have undoubtedly been made over the past decades the full understanding is
still lacking on the effects of different implant surface physicochemical treatments as well as
on the microscopic mechanisms of the posterior osseointegration process [4]
Fractal dimension is a novel concept that has been increasingly employed in diverse
areas of knowledge for quantifying the complexity of natural phenomena ranging from
coastlines [5] and shape of volcanic ash particles [6] bronchial tree [7] and neurons [8]
Fractals are in fact commonly found in nature being characterized by scale invariance and
29
self-similarity During the last decades fractal analysis was used in studying diverse
phenomena in physiology and medicine including pulmonary emphysema [9] osteoporoses
[10] retinal blood vessels [11] and heart rate [12] The potential of fractal analysis was also
explored in dentistry [1314] Recently fractal dimension was used to quantify the surface
roughness of dental implants and shown to be promising to differentiate between topological
properties of dental implant surfaces obtained with different treatments [151617]
In this work we follow up on recent studies [15-17] as to how one may employ fractal
analysis to assess roughness organization of implant surface topology Rather than
concentrating on the implant surface properties subject to different physicochemical treatment
processes [15] here we put the emphasis on the results of simulated body fluid submersion
representing a step forward in understanding of implant osseointegration
Materials and Methods
Machined titanium implant samples were first subjected to different combinations of
a) sand blasting with aluminum oxide b) treatment with hydrofluoric acid and c) treatment
with calcium phosphate [18] after which they were submersed in a simulated body fluid [19]
for thirty days Magnified images of these samples were then acquired through scanning
electron microscopy as shown in Fig1 and subjected to image analysis
As opposed to fractal analysis performed in [15] to find the fractal dimension here we
only binarize the images as shown in Fig2 without skeletonization since we are interested in
crystal formation and it was found that skeletonization introduces artefacts (local networks of
lines) not apparent in the original crystal structure There are various methods for fractal
dimension calculation among which the box-counting method is perhaps the most widely
used because of its simplicity and robustness [20] It proceeds as follows Cover the structure
with a grid of size r and count the number of nonempty grid boxes )(rn Repeat this
procedure for different grid size for fractal self-similar structures 0~)(D
rrn
Box-counting
dimension is defined as
)1log(
)(loglim
0 r
rnD
rf
and can be estimated as the slope of the linear regression of )(log rn versus )1log( r We
calculate fractal dimension using the box counting method implemented in the FracLac
Package of open source software ImageJ
30
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid
tre
atm
ent
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 1 Electron microscope images of samples with different treatment after
submersion in simulated body fluid
31
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid t
reat
men
t
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 2 Same images as in Fig1 after binarization
32
Results and Discussion
It is seen on Fig1 that different combinations of implant surface treatment lead to
rather different crystal pattern formation during the simulated body fluid submersion No clear
conclusions can be drawn as to the size of spatial distribution of formed crystals
corresponding to any single treatment rather it is the combinations of these procedures that
lead to specific resulting structures Large and small crystals uniformly or locally deposited
of simple or dendritic shape are found for different treatment combinations and further in
vivo studies are necessary to determine which of these provide more robust implants with
best mechanical properties
In line with the previous study [15] that has motivated the current work we calculate
the fractal dimension of binarized images shown in Fig2 with the results presented in Table
1 The obtained fractal dimension values vary between Df=168 and Df=193 indicating the
potential of this method to quantify spatial complexity of formed crystals for different implant
surface treatments It is seen from Table 1 that in general the fractal dimension of implant
surface after submersion in SBF tends to be greater in the cases of treatment with acid
(keeping the same combination of sand blasting and calcium phosphate coating) that reflects
the fact that acid etching produces micro pits on titanium surface that greatly enhance
osseointegration [4] The highest value of fractal dimension (193) is obtained for the implant
treated by sand blasting and acid etching indicating that the surface roughness produced by
this treatment results in more uniform and more space filling crystal deposits The fractal
dimension of surfaces treated only by sand blasting acid etching and calcium phosphate are
1903 1845 and 1881 respectively and they are significantly higher than the fractal
dimension of untreated surface (1687) confirming the role of implant surface chemistry and
topology in the process of osseointegration Although our results show that surface topology
of treated implants has higher fractal dimension than that of untreated implants it is still not
clear which treatment or combination of treatments produces the best surfaces for
osseointegration It is also seen from Table 1 that the fractal dimension is higher for all of the
treated surfaces in comparison with the surface without any treatments (with the smallest
fractal dimension value) which reflects the fact that all these treatments produce surface
effects that favorably influence the complexity of the final crystal structure On the other
hand there is no clear evidence as to how these values may be associated with the quality of
implants without further in vivo experiments
33
Table 1 Fractal dimension (standard deviation) of binarized images shown in Fig2
Acid treatment No acid
Calcium
phosphate
No calcium
phosphate
Calcium
phosphate
No calcium
Phosphate
Sand blasted 1859 (0014) 1930 (0015) 1693 (0011) 1903 (0014)
No sand blasting 1920 (0015) 1845 (0013) 1881 (0014) 1687 (0012)
The current study suggests that a general Deposition Difusion Aggregation (DDA)
model [21] may be used to describe crystal formation in the different scenarios covered in the
present work One may perceive that the molecules present in the solution deposit on the
implant surface and move along this surface until they reach other such molecules andor
already crystallized formations where they become incorporated into the crystal structure
The concentration of the (in the current experiment simulated corporal) fluid determines the
flux of deposition and the mobility of the molecules (and perhaps larger molecular
agglomerates) is governed by the topology (roughness) of the implant surface It is well
known [21] that the flux and mobility of aggregate particles lead to rather different deposition
patterns ranging from many uniformly distributed small DLA (Diffusion Limited
Aggregation) like crystals to large dendritic structures and the DDA model apparently
represents an excellent candidate to describe the diversity of observed crystal patterns seen
on the electron microscope images of Fig 1
Conclusion
We apply fractal analysis on binarized scanning electron microscopy images of the
surface of titanium implants that were first subjected to different treatment combinations of i)
sand blasting ii) acid etching and iii) exposition to calcium phosphate and were then
submersed in a simulated corporal fluid for thirty days The obtained fractal dimension values
vary between Df=168 to Df=193 reflecting the complexity and space filling property of the
final crystal structure characterized by large and small crystals uniformly or locally
deposited of simple or dendritic shape that were found for different treatment combinations
Further in vivo studies are necessary to determine how these values may be associated with
the quality of implants
34
References
[1] Albrektsson T Sennerby L Wennerberg A State of the art of oral implants Periodontol
2000 2008 47 15-26
[2] Wazen JJ Gupta R Ghossaini S Spitzer J Farrugia M Tjellstrom A
Osseointegration timing for Baha system loading Laryngoscope 2007 117 794-796
[3] Palmquist A Jarmar T Emanuelsson L Braringnemark R Engqvist H Thomsen P
Forearm bone-anchored amputationprosthesis a case study on the osseointegration Acta
Orthop 2008 79 78-85
[4] Le Gueacutehennec L Soueidan A Layrolle P Amouriq Y Surface treatments of titanium
dental implants for rapid osseointegration Dental Materiasl 2007 23 844-854
[5] Mandelbrot BB The Fractal Geometry of Nature New York Freeman 1983 25
[6]Dellino PLiotino G The fractal and multifractal dimension of volcanic ash particles
contour a test study on the utility and volcanological relevance Journal of Volcanology and
Geothermal Research 2002 113 1-18
[7] Majumdar A Alencar AM Buldyrev SV Hantos Z Lutchen KR Stanley HE Suki B
Relating airway diameter distributions to regular branching asymmetry in the lung Phys Rev Lett 2005 95 168101
[8] Jelinek HF Fernandez E Neurons and fractals how reliable and useful are calculations of
fractal dimensions Journal of Neuroscience Methods 1998 81 9 ndash 18
[9] Chung HW HUANG YH Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the Diagnosis
of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology 2000 174 1055-1059
[10] Zaia A Eleonori R Maponi P Rossi R Murri R MR imaging and osteoporosis
fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute IEEE Trans Inf Technol Biomed 2006 10
484-489
[11] Stosic T Stosic B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels EEE Transactions
on MIedical Imaging 2006 25 1101-1107
[12] Goldberger AL Amaral LAN Hausdorff JM Ivanov PCh Peng CK Stanley
HE Fractal dynamics in physiology Alterations with disease and aging PNAS 2002 99
2466-2472
[13] Saacutenchez I Uzcaacutetegui G Fractals in dentistry Journal of Dentistry 2011 39 273-292
[14] Updike SX Nowzari H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res 2008 43 658-664
[15] Perotti V Aprile G Degidi M Piatelli A Lezzi G Fractal analysis a novel method to
assess roughness organization of implant surface topography Int J Peridontic Restorative
Dent 2011 31 633-639
[16] Ehrenfest D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol 2011 37 506-509
35
[17] Lezzi G Aprile G Tripodi D Scarano A Piatelli A Perotti V Implant surface
topographies analyzed using fractal dimension Implant Dent 2012 20 131-138
[18] Guo CY Tang ATH Matinlinna JP Insights into surface treatment methods of titanium
dental implants Journal of Adhesion Science amp Technology 2012 26 189ndash205
[19] Kokubo T Takadama H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
Biomaterials 2006 27 2907-2915
[20] Theiller J Estimating fractal dimension J Opt Soc Am 1990 7 1055-1073
[21] P Jensen A-L Barabaacutesi H Larralde S Havlin H E Stanley Model incorporating
deposition diffusion and aggregation in submonolayer nanostructures Phys Rev E (1994)
50 618ndash621
11
1 INTRODUCcedilAtildeO
A osseointegraccedilatildeo representa um fator fundamental para o sucesso de implantes
dentaacuterios tendo como base o estabelecimento da estabilidade mecacircnica primaacuteria e fixaccedilatildeo
bioloacutegica posterior Ela poderaacute ser influenciada por vaacuterios fatores como arquitetura oacutessea
original e sua densidade o desenho do implante e o tratamento de superfiacutecie (ORSINI et al
2012)
O processo de tratamento de superfiacutecie eacute realizado apoacutes a usinagem depois de
remover resiacuteduos como oacuteleo e outros contaminantes As superfiacutecies com capacidade
osteoindutora preparadas com um processo que vai aleacutem de uma simples limpeza satildeo
comumente chamadas de ativas Os dados disponiacuteveis de estudos com animais e em seres
humanos sugerem que a topografia da superfiacutecie melhorada estaacute associada ao aumento da
biocompatibilidade e do contato osso-implante ocasionando um maior intertravamento com o
osso e dessa forma contribuindo para uma obtenccedilatildeo de uma integraccedilatildeo mais raacutepida e
duradoura
Vaacuterios meacutetodos para modificar a topografia das superfiacutecies dos implantes jaacute foram
introduzidos como revestimento com hidroxiapatita que usa o processo conhecido como
Titacircnio Plasma spray (TPS) abrasotildees com jateamento com oxido de titacircnio ou oxido de
alumiacutenio pulverizaccedilatildeo catoacutedica com fosfato de Caacutelcio anodizaccedilatildeo aleacutem do Laser Nd-Yag
segundo Braringnemark et al (2011) e diferentes meacutetodos quiacutemicos e bioloacutegicos como a adiccedilatildeo
de peptiacutedeos ( KAumlMMERER et al 2012)
O ataque aacutecido foi citado por vaacuterios autores como mecanismo uacutetil para promover
micro ranhuras que aumentariam a aacuterea de contato permitindo deposiccedilatildeo da matriz oacutessea
secretada pelos osteoblastos e posterior calcificaccedilatildeo Efeito sobre a densidade oacutessea foi
observado em estudos com diferentes superfiacutecies quando peptiacutedeos foram adicionados
(HAMLET et al 2012) Os aacutecidos mais utilizados satildeo cloriacutedrico sulfuacuterico fosfoacuterico e o
fluoriacutedrico onde dependendo da composiccedilatildeo tempo de contato e temperatura os resultados
poderatildeo ser diferentes O tratamento com aacutecidos na superfiacutecie de titacircnio em estudos com
cultura de ceacutelulas confirmou presenccedila de titacircnia anastase e maior proliferaccedilatildeo celular
(ZHANG et al 2010) O efeito da temperatura na formaccedilatildeo de cristais foi maior quando o
titacircnio foi submetido a tratamento teacutermico entre 400 e a 600ordm C (SULTANA et al 2009)
12
Os implantes satildeo avaliados macroscopicamente quanto a seu desenho enquanto para
a caracterizaccedilatildeo da topografia usa-se a microscopia eletrocircnica de varredura (MEV) a niacuteveis
micromeacutetricos e sub micromeacutetricos (PERROTTI et al 2011 CARNEIRO-CAMPOS et al
2010) e para a caracterizaccedilatildeo da composiccedilatildeo atocircmica usam-se Raios X (EDS) e a
cristalografia (PARK et al 2007 WENNERBERG et al 2009 NOVAES et al 2010 GAO
et al 2009)
Pelo menos cinco efeitos poderatildeo ser atribuiacutedos agrave formaccedilatildeo das rugosidades i) o
aumento da superfiacutecie junto ao osso adjacente ii) melhoria da fixaccedilatildeo celular ao titacircnio iii)
aumento da quantidade de osso junto ao implante iv) aumento da interaccedilatildeo biomecacircnica entre
o osso e o implante e v) processos inflamatoacuterios Peri implantares quando a rugosidade
apresenta-se na aacuterea trans mucosa (PERROTTI et al 2011) Poreacutem ainda natildeo existe
consenso geral tanto na literatura cientiacutefica quanto na pratica sobre quais tratamentos de
superfiacutecie de implantes resultariam em melhor e mais raacutepida osseointegraccedilatildeo e quais as
melhores propriedades dos implantes em relaccedilatildeo destes efeitos individuais Para contribuir
para o melhor entendimento desta questatildeo o objetivo deste estudo foi analisar ldquoin vitrordquo como
o tratamento da superfiacutecie no processo de fabricaccedilatildeo de implantes afetaria o processo de
formaccedilatildeo de cristais apoacutes imersatildeo no simulador de fluiacutedos corpoacutereos (SBF) Implantes de
titacircnio foram sujeitos agraves diferentes combinaccedilotildees de tratamento de superfiacutecie com i)
jateamento ii) ataque aacutecido e iii) fosfato de caacutelcio e depois de imersatildeo no SBF por 30 dias as
imagens da superfiacutecie obtidas por microscopia eletrocircnica foram sujeitas a analise fractal
13
2 REVISAtildeO DA LITERATURA
Osseointegraccedilatildeo eacute a uniatildeo estrutural e funcional entre o implante e o tecido oacutesseo
quando submetido a uma carga funcional (BRANEMARCK et al 1977) Vaacuterios fatores
poderatildeo interferir na forma e no tempo dessa integraccedilatildeo
21 Biocompatibilidade
Os materiais utilizados para fabricaccedilatildeo de implantes devem ter uma boa resistecircncia
mecacircnica elevada estabilidade quiacutemica excelente resistecircncia agrave corrosatildeo e
biocompatibilidade O titacircnio eacute usado extensivamente nos ossos como sistemas de ancoragem
implantes dentaacuterios e ortopeacutedicos bem como aplicaccedilotildees de osteossiacutentese (MARQUES 2007)
Nos implantes a cicatrizaccedilatildeo oacutessea sem a presenccedila de fibroses eacute desejaacutevel Fatores
relacionados agrave teacutecnica ciruacutergica desenho do implante com o seu respectivo tratamento de
superfiacutecie e fatores ligados ao paciente satildeo variaacuteveis que poderatildeo influenciar na sua
integraccedilatildeo
22 Estrutura oacutessea
A densidade oacutessea eacute um fator importante na longevidade dos implantes independente
da regiatildeo na arcada dentaacuteria baseado em caracteriacutesticas macroscoacutepicas da cortical e do
trabeculado oacutesseo (Misch 1998) classificou em cinco tipos de osso
D1 Osso cortical denso (gt 1250 UH)
D2 Apresenta cortical denso e osso trabeculado grosso (850 a 1250 UH)
D3 Cortical oacutessea fina e trabeculado fino (350 a 850 UH)
D4 Osso trabecular fino (150 a 350 UH)
D5 Osso natildeo-mineralizado imaturo (lt 150 UH)
onde UH satildeo unidades da escala de Hounsfield (com valores -1000 para ar 0 para aacutegua e
3000 para dentes)
23 Titacircnio e a hidroxiapatita
Verick (2003) verificou o meacutetodo de biomimetizaccedilatildeo de superfiacutecie de titacircnio
comercialmente puro (Ti-cp) tratado com hidroacutexido de soacutedio e colocado no SBF super
saturado e observou apoacutes 24 horas alguns tipos de apatitas precipitadas sobre o substrato
14
juntamente com a fase cristalina da hidroxiapatita e comparou com o difratograma de uma
mandiacutebula humana onde observou-se a semelhanccedila dos picos Concluiu que no processo de
nucleaccedilatildeo lento a fase majoritaacuteria encontrada foi a hidroxiapatita As outras fases presentes
apareceram em pequenas quantidades sendo a proacutexima fase da maior presenccedila fosfato
octacaacutelcico
Titacircnio comercialmente puro e suas ligas como Ti-6Al-4V satildeo usadas em cirurgias
ortopeacutedicas O moacutedulo de elasticidade do titacircnio e da liga Ti6Al4V variaria entre 100 e
120GPa e do osso entre 10 e 30GPa A diferenccedila do moacutedulo de elasticidade da proacutetese e do
osso seria desfavoraacutevel para o remodelamento oacutesseo Para resolver este problema e melhorar
as propriedades mecacircnicas e bioloacutegicas novas ligas de titacircnio foram desenvolvidas para
aplicaccedilotildees biomeacutedicas O meacutetodo normal para se conseguir um melhor desempenho das ligas
de titacircnio quanto agraves propriedades mecacircnicas e bioloacutegicas seria modificar sua composiccedilatildeo
Alguns elementos como NbTa Mo e Zr Fe Cr e Sn usualmente adicionados nas ligas de
titacircnio para formar completa ou parcialmente a estrutura que possuem baixo moacutedulo de
elasticidade e contribuem para diminuir a diferenccedila entre o moacutedulo de elasticidade da liga e
do osso Aleacutem disso certos elementos de liga como Cu Co Ni e Si satildeo utilizados para
aumentar a resistecircncia mecacircnica das ligas Nos estudos comparativos com quatro superfiacutecies
tratadas com aacutecidos fluoretos e apenas usinada as anodizadas mostraram melhores resultados
de deposiccedilatildeo de iacuteons (MARQUES 2007)
A Hidroxiapatita sintetizada eacute um dos materiais mais atrativos para uso como
biomaterial devido a sua similaridade composicional e bioloacutegica com a fase inorgacircnica do
osso humano A estrutura da HA permite substituiccedilotildees catiocircnicas e aniocircnicas isomorfas com
facilidade as quais poderatildeo alterar a cristalinidade a morfologia e os paracircmetros de rede A
estabilidade a bioatividade e a biocompatibilidade do material obtido Tais caracteriacutesticas
positivas podem ser explicadas pela natureza quiacutemica por serem formados basicamente por
iacuteons caacutelcio e fosfato participam ativamente do equiliacutebrio iocircnico entre o fluido bioloacutegico e a
ceracircmica Uma forma conveniente de classificar os vaacuterios fosfatos de caacutelcio eacute pela sua razatildeo
molar CaP que pode variar de 05 a 20 A solubilidade eacute uma das mais importantes
propriedades dos compostos de fosfato de caacutelcio Esta biocompatibilidade favorece o
crescimento oacutesseo para os locais em que a HA se encontra Estabelecendo ligaccedilotildees de
natureza quiacutemica entre ela e o tecido oacutesseo (bioativo) permitindo a proliferaccedilatildeo de
fibroblastos osteoblastos e outras ceacutelulas oacutesseas as quais natildeo a distinguem da superfiacutecie
oacutessea o que indica a grande similaridade quiacutemica superficial (GOUVEIA 2008)
15
O tratamento teacutermico da superfiacutecie pode induzir aumento da nucleaccedilatildeo dos cristais de
hidroxiapatita como mostrado pelo Ling e colaboradores (GAO et al 2009) As superfiacutecies
tratadas com ataque aacutecido e anodizaccedilatildeo foram submetidas a tratamento teacutermico a 450ordm C por 6
horas Foram observados cristais de anatase medindo em torno de 20 nm e em seguida as
amostras com e sem tratamento teacutermico foram colocadas em 15 SBF por 7 dias e avaliados
em termos de nucleaccedilatildeo dos cristais
Superfiacutecie tratada por laser tambeacutem pode apresentar melhor fixaccedilatildeo da interface osso-
implante como mostrado (BRAringNEMARK et al 2011) a niacutevel micro e nano escala em
estudos em tiacutebia de coelho com o objetivo de avaliar a resposta biomecacircnica e histoloacutegica de
implantes de titacircnio tratados por laser em comparaccedilatildeo com os implantes apenas usinados
Verificaram que apoacutes 8 semanas tiveram um aumento de 250 no torque de remoccedilatildeo para
superfiacutecies tratadas com laser em relaccedilatildeo as apenas maquinadas Concluiacuteram que existiu uma
melhor fixaccedilatildeo da interface osso-implante promovida por alteraccedilotildees em micro e nano-escala
da topografia da superfiacutecie do implante
Em outro recente experimento ldquoin vivordquo (ORSINI et al 2012) a superfiacutecie tratada
com jateamento e ataque aacutecido (SLA) apresentou maior osteocondutividade quando
comparada com a superfiacutecie natildeo tratada verificando que houve maior deposiccedilatildeo de novo osso
na superfiacutecie de titacircnio
Implantes revestidos com Hidroxiapatiata (HA) reagem de uma maneira direta com
o tecido oacutesseo em cinco fases distintas i) com a dissoluccedilatildeo de HA ii) a precipitaccedilatildeo de
apatita iii) trocas iocircnicas acompanhada por absorccedilatildeo e incorporaccedilatildeo de moleacuteculas bioloacutegicas
iv) a ligaccedilatildeo de ceacutelulas proliferaccedilatildeo e diferenciaccedilatildeo em osteoblastos e v) a formaccedilatildeo da
matriz extra celular e mineralizaccedilatildeo Para que esses efeitos em cascata ocorram a dissoluccedilatildeo
do revestimento de HA representa um passo fundamental Esta dissoluccedilatildeo eacute citada como um
requisito importante para induzir a precipitaccedilatildeo da hiroxiapatita sobre a superfiacutecie do implante
(TAPASH et al 2011) O tratamento quiacutemico dos biomateriais poderaacute apresentar alto impacto
na ativaccedilatildeo plaquetaacuteria Mais especificamente o adesivo sequecircncia peptiacutedica ceacutelula bioativo
Arg-Gli-Asp (RGD) desencadeia a ativaccedilatildeo plaquetaacuteria mediada pelo receptor de integrina
aIIbb3 Deste modo as superfiacutecies tratadas com substacircncias biomimeacutetica (peacuteptidio RGD
imobilizado) poderiam aumentar no iniacutecio ativaccedilatildeo de plaquetas e da cicatrizaccedilatildeo oacutessea junto
ao implante (KAumlMMERER et al 2012)
16
24 Fractais
O termo fractal foi introduzido por Benoit Mandelbrot (MANDELBROT 1983) para
descrever geometria dos sistemas naturais formados pelos processos estocaacutesticos longe do
equiliacutebrio Como exemplos desses sistemas podem-se citar as aacutervores ramificadas linhas
costeiras nuvens poliacutemeros estruturas cardiopulmonares (rede arterial aacutervore
traqueobronquial) etc (MANDELBROT 1983 BASSINGTHWAIGHTE et al 1994) A
diferenccedila entre a geometria fractal e a geometria euclidiana eacute que fractais possuem dimensatildeo
natildeo inteira (fracionaacuteria) e propriedade de auto-similaridade (partes do objeto se assemelham ao
objeto como todo) Os exemplos citados representam fractais estocaacutesticos e possuem a
propriedade de auto-similaridade em sentido estatiacutestico dentro de um intervalo de escala onde
o limite inferior representa a dimensatildeo das componentes elementares (eg partiacuteculas) do
sistema e o limite superior representa a dimensatildeo linear do sistema Durante ultimas deacutecadas o
conceito fractal foi amplamente utilizado para descrever a complexidade dos sistemas
fisioloacutegicos tanto na analise das imagens medicas quanto na analise dos sinais fisioloacutegicos e
mostrou se eficiente em diferenciaccedilatildeo entre os casos saudaacuteveis e patoloacutegicos Os exemplos
incluem osteoporoses (ZAIA et al 2006) enfisema pulmonar (CHUNG e HUANG 2000)
doenccedilas degenerativas neuroloacutegicas (WU et al 2010) alteraccedilotildees em vascularizaccedilatildeo da retina
(STOSIC 2006) doenccedilas cardiovasculares (IVANOV et al 1999) entre outros
O potencial da analise fractal tambeacutem foi explorado na odontologia (SAacuteNCHEZ e
UZCAacuteTEGUI 2011 UPDIKE e NOWZARI 2008) Nos uacuteltimos anos a dimensatildeo fractal foi
utilizada para descrever a rugosidade da superfiacutecie do implante sendo uacutetil para quantificaccedilatildeo
das diferenccedilas entre as superfiacutecies dos implantes obtidas utilizando diversos tratamentos
(PEROTTI et al 2011 LEZZI et al 2012 EHRENFEST et al 2011)
17
3 MATERIAL E MEacuteTODO
Este estudo foi planejado uma anaacutelise multifatorial tendo como objetivo analisar
diferentes tratamentos da superfiacutecie de implante em relaccedilatildeo agrave deposiccedilatildeo de Hidroxiapatita que
eacute considerado um fator relevante pela literatura especializada
31 Modelo experimental
Foi desenvolvido um modelo ldquoin vitrordquo utilizando simulador de fluiacutedos corpoacutereos onde
as amostras foram submergidas por 30 dias e em seguida analisadas por microscopia eletrocircnica
32 Preparos dos Corpos de Provas
O titacircnio foi adquirido atraveacutes da Empresa Tinbrazil barras medindo 6 mm de
diacircmetro por 1 metro de comprimento com laudo de certificaccedilatildeo emitido pela importadora
acima Como sendo titacircnio grau II Ti-6Al-4V conforme a ASTM usados na fabricaccedilatildeo de
implantes dentaacuterios
33 Usinagem
Foi utilizado torno computadorizado marca ROMI com ferramentas de corte
fabricadas em ceracircmica no Departamento de Engenharia Mecacircnica da Universidade Federal
de Pernambuco A vareta foi reduzida em 86 discos medindo 5 mm de diacircmetro e 2 mm de
altura As amostras foram levadas para tratamento de superfiacutecie no laboratoacuterio de
Farmacognosia do Departamento de Ciecircncias Farmacecircuticas da UFPE
34 Limpeza das amostras
As amostras foram lavadas com hexano por 10 minutos em ultrassom O solvente foi
desprezado em recipiente apropriado As amostras foram colocadas em um Becker de vidro
colocados em estufa a 80ordm C por 10 minutos
35 Divisatildeo dos grupos
Os grupos foram divididos seguindo o Planejamento Fatorial de 23
satildeo apresentados na
Tabela 1
18
Tabela 1 ndash Organizaccedilatildeo dos grupos
Jateamento Ataque aacutecido Fosfato de caacutelcio
Grupo A Sim Sim Sim
Grupo B Natildeo Natildeo Natildeo
Grupo C Sim Natildeo Sim
Grupo D Sim Sim Natildeo
Grupo E Natildeo Natildeo Sim
Grupo F Natildeo Sim Natildeo
Grupo G Natildeo Sim Sim
Grupo H Sim Natildeo Natildeo
36 Tratamentos das superfiacutecies
361 Jateamento com Oacutexido de Alumiacutenio
Foi realizado utilizando oacutexido de alumiacutenio com granulaccedilatildeo meacutedia agrave 80 libras com o
jato direcionado a superfiacutecies dos discos por 10 segundos em cada lado
362 Ataque aacutecido
A segunda etapa foi o ataque aacutecido cuja composiccedilatildeo foi aacutecido cloriacutedrico 59 + 1
de aacutecido fluoriacutedrico e 40 de aacutegua destilada acondicionado em recipiente de polietileno ateacute
momento do uso Em um Becker de 50 ml foram colocados 20 ml do aacutecido por um (01)
minuto
363 Fosfato de Caacutelcio
Foi desenvolvida uma pasta contendo proporccedilatildeo de 13 de aacutegua e fosfato de caacutelcio
terciaacuterio No final da segunda etapa o excesso de aacutecido eacute desprezado e a pasta eacute adicionada ao
Becker onde permanece no ultrassom por 20 minutos Apoacutes a lavagem o material foi
colocado em recipiente de vidro seco em estufa a 40 C por 1 hora armazenados em tubos
tipo Ependorf e encaminhados para as anaacutelises
37 Preparaccedilatildeo do Simulador de Fluiacutedos Corpoacutereos (SBF)
Foi preparado conforme meacutetodo de Kokubo e Takadama (2006) no laboratoacuterio de
Farmacognosia Departamento de Ciecircncias Farmacecircuticas da UFPE
19
Tabela 2 - Composiccedilatildeo quiacutemica do SBF proposta por Kokubo e Takadama (2006)
Reagentes Quantidade Pureza
NaCl 8055 g 995
NaHCO3 0355 g 995
Kcl 0225 g 995
K2PO4 3H2O 0231 g 990
MgCl2 6H2O 0311 g 980
10 M- HCl 39 ml -----------
CaCl2 0292 g 950
NaSO4 0072 g 990
Tris 6118 g 990
10 M HCl 0-5ml ------------ Hidroximetil aminometano
38 Meacutetodos de Avaliaccedilatildeo
381 Microscopia Eletrocircnica de Varredura (MEV)
Para analise da superfiacutecie das amostras foi utilizada microcopia eletrocircnica de varredura
(MEV) JEOL 5600 LV (Japan) voltagem de 10 kV do Departamento de Fiacutesica da UFPE
Foram analisadas em arquivos digitais trecircs campos visuais diferentes para cada disco
Para cada grupo foram avaliados 3 discos totalizando nove aacutereas por grupo Em cada campo
foram obtidas imagens de 200x 1000x e 15000x para anaacutelises comparativas
382 Dimensatildeo Fractal
Existem vaacuterios meacutetodos para o caacutelculo de dimensatildeo fractal como contagem de caixas
(ldquobox countingrdquo) meacutetodo massa-raio (ldquomass-radius methodrdquo) e meacutetodo de correlaccedilatildeo
densidade-densidade (ldquodensity-density correlation function methodrdquo) O meacutetodo contagem de
caixas eacute mais utilizado e consiste em cobrir a estrutura com uma grade de caixas com arestas
de tamanho l e contar o nuacutemero N(l) de caixas que conteacutem pelo menos uma partiacutecula do
sistema Reduz-se sucessivamente o tamanho das caixas e mede-se para cada tamanho o
numero de caixas N(l) nos quais existe pelo menos um ponto do sistema A dimensatildeo fractal eacute
definida pela equaccedilatildeo
de onde segue
Assim traccedila-se um graacutefico do logaritmo de N(l) em funccedilatildeo do logaritmo de 1l e determina-se
a dimensatildeo fractal pela inclinaccedilatildeo do graacutefico (BASSINGTHWAIGHTHE et al 1994)
fDllN
~)(
)1log(~)(log lDlN f
20
4 RESULTADOS E DISCUSSAtildeO
A Figura 3 mostra os cristais formados depois submersatildeo dos implantes em Simulador
de Fluiacutedos Corpoacutereos (SBF) por 30 dias obtidas com auxilio da Microscopia Eletrocircnica de
Varredura Observam-se as formas diferentes dos cristais (cristais grandes ou pequenos
distribuiacutedos uniformemente ou agrupados simples ou ramificados) para diferentes
tratamentos da superfiacutecie dos implantes A forma e a distribuiccedilatildeo espacial dos cristais
formados por SBF refletem o processo de osseointegraccedilatildeo e indicam que uma analise das
propriedades geomeacutetricas destas estruturas para vaacuterios tipos de tratamento da superfiacutecie dos
implantes poderia providenciar informaccedilotildees importantes para avaliaccedilatildeo da qualidade do
implante
A dimensatildeo fractal das imagens dos cristais formados por SBF nas superfiacutecies dos
implantes foi calculada para diferentes tratamentos da superfiacutecie As imagens da Figura 3
foram binarizadas como apresentado na Figura 4 e em seguida a dimensatildeo fractal foi
calculada utilizando o pacote FracLac do software gratuito ImageJ com meacutetodo ldquoBox
countingrdquo Os resultados destes caacutelculos satildeo apresentados na Tabela 3
21
Com jateamento Sem jateamento
Com
ata
que
aacutecid
o
Com
fosf
ato d
e caacute
lcio
S
em f
osf
ato d
e caacute
lcio
Sem
ata
que
aacutecid
o
Com
fosf
ato d
e caacute
lcio
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
Figura 3 Imagens das formaccedilotildees cristalinas nas superfiacutecies das amostras A-H
22
Figura 4 Imagens binarizadas das formaccedilotildees cristalinas nas superfiacutecies das
amostras A-H
Com jateamento
Sem jateamento
Com
ata
que
aacutecid
o
C
om
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
ata
que
aacutecid
o
C
om
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
23
Tabela 3 Dimensatildeo Fractal (desvio padratildeo) das imagens binarizadas apresentadas na Fig 4
Com aacutecido Sem aacutecido
Com fosfato
de caacutelcio
Sem fosfato
de caacutelcio
Com fosfato
de caacutelcio
Sem fosfato
de caacutelcio
Com jateamento 1859 (0014) 1930 (0015) 1693 (0011) 1903 (0014)
Sem jateamento 1920 (0015) 1845 (0013) 1881 (0014) 1687 (0012)
Na Tabela 3 observa-se a maior dimensatildeo fractal dos cristais formados na superfiacutecie
dos implantes tratados com aacutecido do que em tratamentos sem aacutecido indicando maior
preenchimento espacial dos cristais Este resultado pode ser explicado pelo fato que o
tratamento com acido produz uma superfiacutecie de maior rugosidade aumentando a aacuterea de
contato que pode causar uma deposiccedilatildeo maior e mais uniforme As superfiacutecies apenas
maquinadas que natildeo receberam nenhum tratamento tambeacutem apresentaram as formaccedilotildees de
cristais apoacutes imersatildeo no SBF por 30 dias poreacutem em quantidades aparentemente menores
resultando em menor dimensatildeo fractal (1687) do que para as superfiacutecies com tratamentos
diferentes
24
5 CONCLUSAtildeO
A dimensatildeo fractal das imagens dos implantes de titacircnio submetidos agraves diferentes
combinaccedilotildees dos tratamentos da superfiacutecie e submersos em Simulador de Fluiacutedos Corpoacutereos
por 30 dias varia entre Df=168 ate Df=193 refletindo a complexidade da formaccedilatildeo cristal
caracterizada por pequenos ou grandes cristais depositados localmente ou de forma uniforme
com geometria simples ou dendritica dependendo da combinaccedilatildeo dos tratamentos A menor
dimensatildeo fractal de Df=168 foi obtida para amostras sem tratamento nenhum enquanto a
maior dimensatildeo fractal de Df=193 foi obtida para amostras com jateamento e ataque aacutecido
(sem fosfato de caacutelcio) Ataque aacutecido foi identificado como uacutenico dos tratamentos que leva
sistematicamente ao aumento da dimensatildeo cristal enquanto o tamanho e a distribuiccedilatildeo
espacial dos cristais formados demonstram grande diversidade sem aparente dependecircncia em
nenhum dos tratamentos Estudos sistemaacuteticos ldquoin vivordquo satildeo necessaacuterios para estabelecer
quais combinaccedilotildees destes tratamentos de superfiacutecie geram implantes mais biologicamente
estaacuteveis e mecanicamente robustos e como estas propriedades podem ser associadas com a
dimensatildeo fractal dos cristais depositados
25
REFEREcircNCIAS
BARROS NETO B SCHARMINIO I E BRUNS R E Como Fazer experimentos
Pesquisa e desenvolvimento na ciecircncia e na Induacutestria 2 ed- Campinas-SP Editora
Unicamp 2003
BASSINTHWAITGHT JB LIEBOVITCH LS BRUCE JW Fractal physiology New
York Oxford American Physiological Society 1994
BRAringNEMARK R et al Bone response to laser-induced micro- and nano-size titanium
surface features Nanomedicine v 7 n 2 p 220-227 2011
BRAringNEMARK PI et al Osseointegreated implants in the treatment of edentulous jaw
Experience from a 10- year period Scand J Plast Reconst Surg Suppl v 16 p 1-132
1977
CARNEIRO-CAMPOS LE et al The effect of titanium topography features on mesenchymal
human stromal cells adhesion Clin Oral Implants Res v 21 n 2 p 251-254 2010
CHUNG H-W HUANG Y-H Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the
Diagnosis of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology v 174 p
1055-1059 2000
EHRENFEST D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol v 37 p 506-509 2011
GAO L et al MicroNanostructural Porous Surface on Titanium and Bioactivity J Biomed
Mater Res Part B Appl Biomater v 89B n 2 p 335ndash341 2009
GOUVEIA DS Obtenccedilatildeo de poacutes nanomeacutetricos de hidroxiapatita sintetizados com
magneacutesio utilizando ultra-som Tese Instituto de Pesquisas Energeacuteticas e Nucleares S
Paulo 2008
HAMLET S et al The effect of hydrophilic titanium surface modification on macrophage
inflammatory cytokine gene expression Clin Oral Implants Res v 23 n 5 p 584-90
2012
IVANOV PCH et al Multifractality in Human Heartbeat Dynamics Nature v 399 p
461-465 1999
KAumlMMERER PW et al Early implant healing promotion of platelet activation and
cytokine release by topographical chemical and biomimetical titanium surface modifications
in vitro Clin Oral Implants Res v 23 n4 p 504-10 2012
26
KOKUBO TTAKADAMA H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
BIOMATERIALS v 27 n 15 p 2907-2915 2006
LEZZIG et al Implant surface topographies analyzed using fractal dimension Implant
Dent v 20 p 131-138 2012
MANDELBROT BB How long is the coast of Britain Statistical self-similarity and
fractional dimension Science 156 1967 636-638
MANDELBROT BB The Fractal Geometry of Nature New York 1983
MARQUES C Tratamento de superfiacutecies de implantes de titacircnio Dissertaccedilatildeo de
Mestrado apresentada ao Curso de Mestrado em Ciecircncia dos Materiais do Instituto Militar de
Engenharia (IME) 2007
MISCH CE Misch bone density classification In Misch CE ed Contemporary Implant
Densitry 113-114 St Luis Mosby Inc 2009
NOVAES ABJR et al Influence of Implant Surfaces on Osseointegration Braz Dent J v
21 n 6 p 471-481 2010
ORSINI E et al Early Healing Events around Titanium Implant Devices with Different
Surface Microtopography A Pilot Study in an In Vivo Rabbit Model The Scientific World
Journal 349042 2012
PARK S et al The Effect of Fluoride Treatment on Titanium Treated with Anodic Spark
Oxidation Metals and Materials International v 13 n 2 p 117-122 2007
PERROTTI V et al Fractal Analysis A Novel Method to Assess Roughness Organization of
Implant Surface Topography International Journal of Periodontics amp Restorative
Dentistry v 31 n 6 p 633-639 2011
SAacuteNCHEZ I UZCAacuteTEGUI G Fractals in dentistry Journal of Dentistry v 39 n 4 p
273-292 2011
STOSIC T STOSIC B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels IEEE
Transactions on Medical Imaging v 25 p 1101-1107 2006
SULTANA R et al Effects of heat treatment on the bioactivity of surface-modified titanium
in calcium solution Biomed Mater Eng v 19 n 2 p 193-204 2009
TAPASH RR NARAYANAN R KIM K-H Ion implantation of titanium based
biomaterials Progress in Materials Science v 56 n 8 p 1137-1177 2011
27
UPDIKE SX NOWZARI H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res v 43 n 6 p 658-664 2008
WENNERBERG A ALBREKTSSON T Effects of titanium surface topography on bone
integration a systematic review Clin Oral Implants Res v 20 n 4 p 172-84 2009
WUY-T et al Fractal dimension analysis for quantifying cerebellar morphological change
of multiple system atrophy of the cerebellar type (MSA-C) NeuroImage v 49 n 1 p 539-
551 2010
ZAIA A et al MR imaging and osteoporosis fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute
IEEE Trans Inf Technol Biomed v 10 n 3 p 484-489 2006
ZHANG F et al Cell response of titanium implant with a roughened surface containing
titanium hydride an in vitro study J Oral Maxillofac Surg v 68 n 5 p 1131-1139 2010
28
APEcircNDICE
Artigo submetido agrave publicaccedilatildeo na revista
Fractal measure and microscopic modeling of osseointegration
Leonardo Cavalcanti Bezerra dos Santos1 Alessandra de Albuquerque Tavares Carvalho
1
Borko Stosic2 Tatijana Stosic
2 Paulo Jose Duarte Neto
2
1Departamento de Cliacutenica e Odontologia Preventiva Universidade Federal de Pernambuco
Quarta Travessa Artur de Saacute sn Cidade Universitaacuteria 50670-901 Recife PE Brazil
2Departamento de Estatiacutestica e Informaacutetica Universidade Federal Rural de Pernambuco
Rua Dom Manoel de Medeiros sn Dois Irmatildeos 52171-900 Recife PE Brazil
Abstract
In this work the process of osseointegration on titanium implant surfaces with
different physicochemical treatment subjected to a simulated corporal fluid
submersion is evaluated using the concept of fractal dimension It is found that
different treatments lead to rather different calcium phosphate crystal growth
patterns with fractal dimension ranging from Df=168 to Df=193 The
observed crystal patterns may be explained by a general deposition- diffusion-
aggregation growth mechanism where diffusing particle sticking probability
plays a fundamental role
Key words dental implants osseointegration fractal dimension
Introduction
Practical techniques enhancing implant osseointegration represent a fundamental
research topic not only in dentistry but also in other diverse areas of medicine and veterinary
sciences where bone implants or bone restoration is applied [1-3] While great advances in
this direction have undoubtedly been made over the past decades the full understanding is
still lacking on the effects of different implant surface physicochemical treatments as well as
on the microscopic mechanisms of the posterior osseointegration process [4]
Fractal dimension is a novel concept that has been increasingly employed in diverse
areas of knowledge for quantifying the complexity of natural phenomena ranging from
coastlines [5] and shape of volcanic ash particles [6] bronchial tree [7] and neurons [8]
Fractals are in fact commonly found in nature being characterized by scale invariance and
29
self-similarity During the last decades fractal analysis was used in studying diverse
phenomena in physiology and medicine including pulmonary emphysema [9] osteoporoses
[10] retinal blood vessels [11] and heart rate [12] The potential of fractal analysis was also
explored in dentistry [1314] Recently fractal dimension was used to quantify the surface
roughness of dental implants and shown to be promising to differentiate between topological
properties of dental implant surfaces obtained with different treatments [151617]
In this work we follow up on recent studies [15-17] as to how one may employ fractal
analysis to assess roughness organization of implant surface topology Rather than
concentrating on the implant surface properties subject to different physicochemical treatment
processes [15] here we put the emphasis on the results of simulated body fluid submersion
representing a step forward in understanding of implant osseointegration
Materials and Methods
Machined titanium implant samples were first subjected to different combinations of
a) sand blasting with aluminum oxide b) treatment with hydrofluoric acid and c) treatment
with calcium phosphate [18] after which they were submersed in a simulated body fluid [19]
for thirty days Magnified images of these samples were then acquired through scanning
electron microscopy as shown in Fig1 and subjected to image analysis
As opposed to fractal analysis performed in [15] to find the fractal dimension here we
only binarize the images as shown in Fig2 without skeletonization since we are interested in
crystal formation and it was found that skeletonization introduces artefacts (local networks of
lines) not apparent in the original crystal structure There are various methods for fractal
dimension calculation among which the box-counting method is perhaps the most widely
used because of its simplicity and robustness [20] It proceeds as follows Cover the structure
with a grid of size r and count the number of nonempty grid boxes )(rn Repeat this
procedure for different grid size for fractal self-similar structures 0~)(D
rrn
Box-counting
dimension is defined as
)1log(
)(loglim
0 r
rnD
rf
and can be estimated as the slope of the linear regression of )(log rn versus )1log( r We
calculate fractal dimension using the box counting method implemented in the FracLac
Package of open source software ImageJ
30
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid
tre
atm
ent
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 1 Electron microscope images of samples with different treatment after
submersion in simulated body fluid
31
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid t
reat
men
t
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 2 Same images as in Fig1 after binarization
32
Results and Discussion
It is seen on Fig1 that different combinations of implant surface treatment lead to
rather different crystal pattern formation during the simulated body fluid submersion No clear
conclusions can be drawn as to the size of spatial distribution of formed crystals
corresponding to any single treatment rather it is the combinations of these procedures that
lead to specific resulting structures Large and small crystals uniformly or locally deposited
of simple or dendritic shape are found for different treatment combinations and further in
vivo studies are necessary to determine which of these provide more robust implants with
best mechanical properties
In line with the previous study [15] that has motivated the current work we calculate
the fractal dimension of binarized images shown in Fig2 with the results presented in Table
1 The obtained fractal dimension values vary between Df=168 and Df=193 indicating the
potential of this method to quantify spatial complexity of formed crystals for different implant
surface treatments It is seen from Table 1 that in general the fractal dimension of implant
surface after submersion in SBF tends to be greater in the cases of treatment with acid
(keeping the same combination of sand blasting and calcium phosphate coating) that reflects
the fact that acid etching produces micro pits on titanium surface that greatly enhance
osseointegration [4] The highest value of fractal dimension (193) is obtained for the implant
treated by sand blasting and acid etching indicating that the surface roughness produced by
this treatment results in more uniform and more space filling crystal deposits The fractal
dimension of surfaces treated only by sand blasting acid etching and calcium phosphate are
1903 1845 and 1881 respectively and they are significantly higher than the fractal
dimension of untreated surface (1687) confirming the role of implant surface chemistry and
topology in the process of osseointegration Although our results show that surface topology
of treated implants has higher fractal dimension than that of untreated implants it is still not
clear which treatment or combination of treatments produces the best surfaces for
osseointegration It is also seen from Table 1 that the fractal dimension is higher for all of the
treated surfaces in comparison with the surface without any treatments (with the smallest
fractal dimension value) which reflects the fact that all these treatments produce surface
effects that favorably influence the complexity of the final crystal structure On the other
hand there is no clear evidence as to how these values may be associated with the quality of
implants without further in vivo experiments
33
Table 1 Fractal dimension (standard deviation) of binarized images shown in Fig2
Acid treatment No acid
Calcium
phosphate
No calcium
phosphate
Calcium
phosphate
No calcium
Phosphate
Sand blasted 1859 (0014) 1930 (0015) 1693 (0011) 1903 (0014)
No sand blasting 1920 (0015) 1845 (0013) 1881 (0014) 1687 (0012)
The current study suggests that a general Deposition Difusion Aggregation (DDA)
model [21] may be used to describe crystal formation in the different scenarios covered in the
present work One may perceive that the molecules present in the solution deposit on the
implant surface and move along this surface until they reach other such molecules andor
already crystallized formations where they become incorporated into the crystal structure
The concentration of the (in the current experiment simulated corporal) fluid determines the
flux of deposition and the mobility of the molecules (and perhaps larger molecular
agglomerates) is governed by the topology (roughness) of the implant surface It is well
known [21] that the flux and mobility of aggregate particles lead to rather different deposition
patterns ranging from many uniformly distributed small DLA (Diffusion Limited
Aggregation) like crystals to large dendritic structures and the DDA model apparently
represents an excellent candidate to describe the diversity of observed crystal patterns seen
on the electron microscope images of Fig 1
Conclusion
We apply fractal analysis on binarized scanning electron microscopy images of the
surface of titanium implants that were first subjected to different treatment combinations of i)
sand blasting ii) acid etching and iii) exposition to calcium phosphate and were then
submersed in a simulated corporal fluid for thirty days The obtained fractal dimension values
vary between Df=168 to Df=193 reflecting the complexity and space filling property of the
final crystal structure characterized by large and small crystals uniformly or locally
deposited of simple or dendritic shape that were found for different treatment combinations
Further in vivo studies are necessary to determine how these values may be associated with
the quality of implants
34
References
[1] Albrektsson T Sennerby L Wennerberg A State of the art of oral implants Periodontol
2000 2008 47 15-26
[2] Wazen JJ Gupta R Ghossaini S Spitzer J Farrugia M Tjellstrom A
Osseointegration timing for Baha system loading Laryngoscope 2007 117 794-796
[3] Palmquist A Jarmar T Emanuelsson L Braringnemark R Engqvist H Thomsen P
Forearm bone-anchored amputationprosthesis a case study on the osseointegration Acta
Orthop 2008 79 78-85
[4] Le Gueacutehennec L Soueidan A Layrolle P Amouriq Y Surface treatments of titanium
dental implants for rapid osseointegration Dental Materiasl 2007 23 844-854
[5] Mandelbrot BB The Fractal Geometry of Nature New York Freeman 1983 25
[6]Dellino PLiotino G The fractal and multifractal dimension of volcanic ash particles
contour a test study on the utility and volcanological relevance Journal of Volcanology and
Geothermal Research 2002 113 1-18
[7] Majumdar A Alencar AM Buldyrev SV Hantos Z Lutchen KR Stanley HE Suki B
Relating airway diameter distributions to regular branching asymmetry in the lung Phys Rev Lett 2005 95 168101
[8] Jelinek HF Fernandez E Neurons and fractals how reliable and useful are calculations of
fractal dimensions Journal of Neuroscience Methods 1998 81 9 ndash 18
[9] Chung HW HUANG YH Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the Diagnosis
of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology 2000 174 1055-1059
[10] Zaia A Eleonori R Maponi P Rossi R Murri R MR imaging and osteoporosis
fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute IEEE Trans Inf Technol Biomed 2006 10
484-489
[11] Stosic T Stosic B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels EEE Transactions
on MIedical Imaging 2006 25 1101-1107
[12] Goldberger AL Amaral LAN Hausdorff JM Ivanov PCh Peng CK Stanley
HE Fractal dynamics in physiology Alterations with disease and aging PNAS 2002 99
2466-2472
[13] Saacutenchez I Uzcaacutetegui G Fractals in dentistry Journal of Dentistry 2011 39 273-292
[14] Updike SX Nowzari H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res 2008 43 658-664
[15] Perotti V Aprile G Degidi M Piatelli A Lezzi G Fractal analysis a novel method to
assess roughness organization of implant surface topography Int J Peridontic Restorative
Dent 2011 31 633-639
[16] Ehrenfest D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol 2011 37 506-509
35
[17] Lezzi G Aprile G Tripodi D Scarano A Piatelli A Perotti V Implant surface
topographies analyzed using fractal dimension Implant Dent 2012 20 131-138
[18] Guo CY Tang ATH Matinlinna JP Insights into surface treatment methods of titanium
dental implants Journal of Adhesion Science amp Technology 2012 26 189ndash205
[19] Kokubo T Takadama H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
Biomaterials 2006 27 2907-2915
[20] Theiller J Estimating fractal dimension J Opt Soc Am 1990 7 1055-1073
[21] P Jensen A-L Barabaacutesi H Larralde S Havlin H E Stanley Model incorporating
deposition diffusion and aggregation in submonolayer nanostructures Phys Rev E (1994)
50 618ndash621
12
Os implantes satildeo avaliados macroscopicamente quanto a seu desenho enquanto para
a caracterizaccedilatildeo da topografia usa-se a microscopia eletrocircnica de varredura (MEV) a niacuteveis
micromeacutetricos e sub micromeacutetricos (PERROTTI et al 2011 CARNEIRO-CAMPOS et al
2010) e para a caracterizaccedilatildeo da composiccedilatildeo atocircmica usam-se Raios X (EDS) e a
cristalografia (PARK et al 2007 WENNERBERG et al 2009 NOVAES et al 2010 GAO
et al 2009)
Pelo menos cinco efeitos poderatildeo ser atribuiacutedos agrave formaccedilatildeo das rugosidades i) o
aumento da superfiacutecie junto ao osso adjacente ii) melhoria da fixaccedilatildeo celular ao titacircnio iii)
aumento da quantidade de osso junto ao implante iv) aumento da interaccedilatildeo biomecacircnica entre
o osso e o implante e v) processos inflamatoacuterios Peri implantares quando a rugosidade
apresenta-se na aacuterea trans mucosa (PERROTTI et al 2011) Poreacutem ainda natildeo existe
consenso geral tanto na literatura cientiacutefica quanto na pratica sobre quais tratamentos de
superfiacutecie de implantes resultariam em melhor e mais raacutepida osseointegraccedilatildeo e quais as
melhores propriedades dos implantes em relaccedilatildeo destes efeitos individuais Para contribuir
para o melhor entendimento desta questatildeo o objetivo deste estudo foi analisar ldquoin vitrordquo como
o tratamento da superfiacutecie no processo de fabricaccedilatildeo de implantes afetaria o processo de
formaccedilatildeo de cristais apoacutes imersatildeo no simulador de fluiacutedos corpoacutereos (SBF) Implantes de
titacircnio foram sujeitos agraves diferentes combinaccedilotildees de tratamento de superfiacutecie com i)
jateamento ii) ataque aacutecido e iii) fosfato de caacutelcio e depois de imersatildeo no SBF por 30 dias as
imagens da superfiacutecie obtidas por microscopia eletrocircnica foram sujeitas a analise fractal
13
2 REVISAtildeO DA LITERATURA
Osseointegraccedilatildeo eacute a uniatildeo estrutural e funcional entre o implante e o tecido oacutesseo
quando submetido a uma carga funcional (BRANEMARCK et al 1977) Vaacuterios fatores
poderatildeo interferir na forma e no tempo dessa integraccedilatildeo
21 Biocompatibilidade
Os materiais utilizados para fabricaccedilatildeo de implantes devem ter uma boa resistecircncia
mecacircnica elevada estabilidade quiacutemica excelente resistecircncia agrave corrosatildeo e
biocompatibilidade O titacircnio eacute usado extensivamente nos ossos como sistemas de ancoragem
implantes dentaacuterios e ortopeacutedicos bem como aplicaccedilotildees de osteossiacutentese (MARQUES 2007)
Nos implantes a cicatrizaccedilatildeo oacutessea sem a presenccedila de fibroses eacute desejaacutevel Fatores
relacionados agrave teacutecnica ciruacutergica desenho do implante com o seu respectivo tratamento de
superfiacutecie e fatores ligados ao paciente satildeo variaacuteveis que poderatildeo influenciar na sua
integraccedilatildeo
22 Estrutura oacutessea
A densidade oacutessea eacute um fator importante na longevidade dos implantes independente
da regiatildeo na arcada dentaacuteria baseado em caracteriacutesticas macroscoacutepicas da cortical e do
trabeculado oacutesseo (Misch 1998) classificou em cinco tipos de osso
D1 Osso cortical denso (gt 1250 UH)
D2 Apresenta cortical denso e osso trabeculado grosso (850 a 1250 UH)
D3 Cortical oacutessea fina e trabeculado fino (350 a 850 UH)
D4 Osso trabecular fino (150 a 350 UH)
D5 Osso natildeo-mineralizado imaturo (lt 150 UH)
onde UH satildeo unidades da escala de Hounsfield (com valores -1000 para ar 0 para aacutegua e
3000 para dentes)
23 Titacircnio e a hidroxiapatita
Verick (2003) verificou o meacutetodo de biomimetizaccedilatildeo de superfiacutecie de titacircnio
comercialmente puro (Ti-cp) tratado com hidroacutexido de soacutedio e colocado no SBF super
saturado e observou apoacutes 24 horas alguns tipos de apatitas precipitadas sobre o substrato
14
juntamente com a fase cristalina da hidroxiapatita e comparou com o difratograma de uma
mandiacutebula humana onde observou-se a semelhanccedila dos picos Concluiu que no processo de
nucleaccedilatildeo lento a fase majoritaacuteria encontrada foi a hidroxiapatita As outras fases presentes
apareceram em pequenas quantidades sendo a proacutexima fase da maior presenccedila fosfato
octacaacutelcico
Titacircnio comercialmente puro e suas ligas como Ti-6Al-4V satildeo usadas em cirurgias
ortopeacutedicas O moacutedulo de elasticidade do titacircnio e da liga Ti6Al4V variaria entre 100 e
120GPa e do osso entre 10 e 30GPa A diferenccedila do moacutedulo de elasticidade da proacutetese e do
osso seria desfavoraacutevel para o remodelamento oacutesseo Para resolver este problema e melhorar
as propriedades mecacircnicas e bioloacutegicas novas ligas de titacircnio foram desenvolvidas para
aplicaccedilotildees biomeacutedicas O meacutetodo normal para se conseguir um melhor desempenho das ligas
de titacircnio quanto agraves propriedades mecacircnicas e bioloacutegicas seria modificar sua composiccedilatildeo
Alguns elementos como NbTa Mo e Zr Fe Cr e Sn usualmente adicionados nas ligas de
titacircnio para formar completa ou parcialmente a estrutura que possuem baixo moacutedulo de
elasticidade e contribuem para diminuir a diferenccedila entre o moacutedulo de elasticidade da liga e
do osso Aleacutem disso certos elementos de liga como Cu Co Ni e Si satildeo utilizados para
aumentar a resistecircncia mecacircnica das ligas Nos estudos comparativos com quatro superfiacutecies
tratadas com aacutecidos fluoretos e apenas usinada as anodizadas mostraram melhores resultados
de deposiccedilatildeo de iacuteons (MARQUES 2007)
A Hidroxiapatita sintetizada eacute um dos materiais mais atrativos para uso como
biomaterial devido a sua similaridade composicional e bioloacutegica com a fase inorgacircnica do
osso humano A estrutura da HA permite substituiccedilotildees catiocircnicas e aniocircnicas isomorfas com
facilidade as quais poderatildeo alterar a cristalinidade a morfologia e os paracircmetros de rede A
estabilidade a bioatividade e a biocompatibilidade do material obtido Tais caracteriacutesticas
positivas podem ser explicadas pela natureza quiacutemica por serem formados basicamente por
iacuteons caacutelcio e fosfato participam ativamente do equiliacutebrio iocircnico entre o fluido bioloacutegico e a
ceracircmica Uma forma conveniente de classificar os vaacuterios fosfatos de caacutelcio eacute pela sua razatildeo
molar CaP que pode variar de 05 a 20 A solubilidade eacute uma das mais importantes
propriedades dos compostos de fosfato de caacutelcio Esta biocompatibilidade favorece o
crescimento oacutesseo para os locais em que a HA se encontra Estabelecendo ligaccedilotildees de
natureza quiacutemica entre ela e o tecido oacutesseo (bioativo) permitindo a proliferaccedilatildeo de
fibroblastos osteoblastos e outras ceacutelulas oacutesseas as quais natildeo a distinguem da superfiacutecie
oacutessea o que indica a grande similaridade quiacutemica superficial (GOUVEIA 2008)
15
O tratamento teacutermico da superfiacutecie pode induzir aumento da nucleaccedilatildeo dos cristais de
hidroxiapatita como mostrado pelo Ling e colaboradores (GAO et al 2009) As superfiacutecies
tratadas com ataque aacutecido e anodizaccedilatildeo foram submetidas a tratamento teacutermico a 450ordm C por 6
horas Foram observados cristais de anatase medindo em torno de 20 nm e em seguida as
amostras com e sem tratamento teacutermico foram colocadas em 15 SBF por 7 dias e avaliados
em termos de nucleaccedilatildeo dos cristais
Superfiacutecie tratada por laser tambeacutem pode apresentar melhor fixaccedilatildeo da interface osso-
implante como mostrado (BRAringNEMARK et al 2011) a niacutevel micro e nano escala em
estudos em tiacutebia de coelho com o objetivo de avaliar a resposta biomecacircnica e histoloacutegica de
implantes de titacircnio tratados por laser em comparaccedilatildeo com os implantes apenas usinados
Verificaram que apoacutes 8 semanas tiveram um aumento de 250 no torque de remoccedilatildeo para
superfiacutecies tratadas com laser em relaccedilatildeo as apenas maquinadas Concluiacuteram que existiu uma
melhor fixaccedilatildeo da interface osso-implante promovida por alteraccedilotildees em micro e nano-escala
da topografia da superfiacutecie do implante
Em outro recente experimento ldquoin vivordquo (ORSINI et al 2012) a superfiacutecie tratada
com jateamento e ataque aacutecido (SLA) apresentou maior osteocondutividade quando
comparada com a superfiacutecie natildeo tratada verificando que houve maior deposiccedilatildeo de novo osso
na superfiacutecie de titacircnio
Implantes revestidos com Hidroxiapatiata (HA) reagem de uma maneira direta com
o tecido oacutesseo em cinco fases distintas i) com a dissoluccedilatildeo de HA ii) a precipitaccedilatildeo de
apatita iii) trocas iocircnicas acompanhada por absorccedilatildeo e incorporaccedilatildeo de moleacuteculas bioloacutegicas
iv) a ligaccedilatildeo de ceacutelulas proliferaccedilatildeo e diferenciaccedilatildeo em osteoblastos e v) a formaccedilatildeo da
matriz extra celular e mineralizaccedilatildeo Para que esses efeitos em cascata ocorram a dissoluccedilatildeo
do revestimento de HA representa um passo fundamental Esta dissoluccedilatildeo eacute citada como um
requisito importante para induzir a precipitaccedilatildeo da hiroxiapatita sobre a superfiacutecie do implante
(TAPASH et al 2011) O tratamento quiacutemico dos biomateriais poderaacute apresentar alto impacto
na ativaccedilatildeo plaquetaacuteria Mais especificamente o adesivo sequecircncia peptiacutedica ceacutelula bioativo
Arg-Gli-Asp (RGD) desencadeia a ativaccedilatildeo plaquetaacuteria mediada pelo receptor de integrina
aIIbb3 Deste modo as superfiacutecies tratadas com substacircncias biomimeacutetica (peacuteptidio RGD
imobilizado) poderiam aumentar no iniacutecio ativaccedilatildeo de plaquetas e da cicatrizaccedilatildeo oacutessea junto
ao implante (KAumlMMERER et al 2012)
16
24 Fractais
O termo fractal foi introduzido por Benoit Mandelbrot (MANDELBROT 1983) para
descrever geometria dos sistemas naturais formados pelos processos estocaacutesticos longe do
equiliacutebrio Como exemplos desses sistemas podem-se citar as aacutervores ramificadas linhas
costeiras nuvens poliacutemeros estruturas cardiopulmonares (rede arterial aacutervore
traqueobronquial) etc (MANDELBROT 1983 BASSINGTHWAIGHTE et al 1994) A
diferenccedila entre a geometria fractal e a geometria euclidiana eacute que fractais possuem dimensatildeo
natildeo inteira (fracionaacuteria) e propriedade de auto-similaridade (partes do objeto se assemelham ao
objeto como todo) Os exemplos citados representam fractais estocaacutesticos e possuem a
propriedade de auto-similaridade em sentido estatiacutestico dentro de um intervalo de escala onde
o limite inferior representa a dimensatildeo das componentes elementares (eg partiacuteculas) do
sistema e o limite superior representa a dimensatildeo linear do sistema Durante ultimas deacutecadas o
conceito fractal foi amplamente utilizado para descrever a complexidade dos sistemas
fisioloacutegicos tanto na analise das imagens medicas quanto na analise dos sinais fisioloacutegicos e
mostrou se eficiente em diferenciaccedilatildeo entre os casos saudaacuteveis e patoloacutegicos Os exemplos
incluem osteoporoses (ZAIA et al 2006) enfisema pulmonar (CHUNG e HUANG 2000)
doenccedilas degenerativas neuroloacutegicas (WU et al 2010) alteraccedilotildees em vascularizaccedilatildeo da retina
(STOSIC 2006) doenccedilas cardiovasculares (IVANOV et al 1999) entre outros
O potencial da analise fractal tambeacutem foi explorado na odontologia (SAacuteNCHEZ e
UZCAacuteTEGUI 2011 UPDIKE e NOWZARI 2008) Nos uacuteltimos anos a dimensatildeo fractal foi
utilizada para descrever a rugosidade da superfiacutecie do implante sendo uacutetil para quantificaccedilatildeo
das diferenccedilas entre as superfiacutecies dos implantes obtidas utilizando diversos tratamentos
(PEROTTI et al 2011 LEZZI et al 2012 EHRENFEST et al 2011)
17
3 MATERIAL E MEacuteTODO
Este estudo foi planejado uma anaacutelise multifatorial tendo como objetivo analisar
diferentes tratamentos da superfiacutecie de implante em relaccedilatildeo agrave deposiccedilatildeo de Hidroxiapatita que
eacute considerado um fator relevante pela literatura especializada
31 Modelo experimental
Foi desenvolvido um modelo ldquoin vitrordquo utilizando simulador de fluiacutedos corpoacutereos onde
as amostras foram submergidas por 30 dias e em seguida analisadas por microscopia eletrocircnica
32 Preparos dos Corpos de Provas
O titacircnio foi adquirido atraveacutes da Empresa Tinbrazil barras medindo 6 mm de
diacircmetro por 1 metro de comprimento com laudo de certificaccedilatildeo emitido pela importadora
acima Como sendo titacircnio grau II Ti-6Al-4V conforme a ASTM usados na fabricaccedilatildeo de
implantes dentaacuterios
33 Usinagem
Foi utilizado torno computadorizado marca ROMI com ferramentas de corte
fabricadas em ceracircmica no Departamento de Engenharia Mecacircnica da Universidade Federal
de Pernambuco A vareta foi reduzida em 86 discos medindo 5 mm de diacircmetro e 2 mm de
altura As amostras foram levadas para tratamento de superfiacutecie no laboratoacuterio de
Farmacognosia do Departamento de Ciecircncias Farmacecircuticas da UFPE
34 Limpeza das amostras
As amostras foram lavadas com hexano por 10 minutos em ultrassom O solvente foi
desprezado em recipiente apropriado As amostras foram colocadas em um Becker de vidro
colocados em estufa a 80ordm C por 10 minutos
35 Divisatildeo dos grupos
Os grupos foram divididos seguindo o Planejamento Fatorial de 23
satildeo apresentados na
Tabela 1
18
Tabela 1 ndash Organizaccedilatildeo dos grupos
Jateamento Ataque aacutecido Fosfato de caacutelcio
Grupo A Sim Sim Sim
Grupo B Natildeo Natildeo Natildeo
Grupo C Sim Natildeo Sim
Grupo D Sim Sim Natildeo
Grupo E Natildeo Natildeo Sim
Grupo F Natildeo Sim Natildeo
Grupo G Natildeo Sim Sim
Grupo H Sim Natildeo Natildeo
36 Tratamentos das superfiacutecies
361 Jateamento com Oacutexido de Alumiacutenio
Foi realizado utilizando oacutexido de alumiacutenio com granulaccedilatildeo meacutedia agrave 80 libras com o
jato direcionado a superfiacutecies dos discos por 10 segundos em cada lado
362 Ataque aacutecido
A segunda etapa foi o ataque aacutecido cuja composiccedilatildeo foi aacutecido cloriacutedrico 59 + 1
de aacutecido fluoriacutedrico e 40 de aacutegua destilada acondicionado em recipiente de polietileno ateacute
momento do uso Em um Becker de 50 ml foram colocados 20 ml do aacutecido por um (01)
minuto
363 Fosfato de Caacutelcio
Foi desenvolvida uma pasta contendo proporccedilatildeo de 13 de aacutegua e fosfato de caacutelcio
terciaacuterio No final da segunda etapa o excesso de aacutecido eacute desprezado e a pasta eacute adicionada ao
Becker onde permanece no ultrassom por 20 minutos Apoacutes a lavagem o material foi
colocado em recipiente de vidro seco em estufa a 40 C por 1 hora armazenados em tubos
tipo Ependorf e encaminhados para as anaacutelises
37 Preparaccedilatildeo do Simulador de Fluiacutedos Corpoacutereos (SBF)
Foi preparado conforme meacutetodo de Kokubo e Takadama (2006) no laboratoacuterio de
Farmacognosia Departamento de Ciecircncias Farmacecircuticas da UFPE
19
Tabela 2 - Composiccedilatildeo quiacutemica do SBF proposta por Kokubo e Takadama (2006)
Reagentes Quantidade Pureza
NaCl 8055 g 995
NaHCO3 0355 g 995
Kcl 0225 g 995
K2PO4 3H2O 0231 g 990
MgCl2 6H2O 0311 g 980
10 M- HCl 39 ml -----------
CaCl2 0292 g 950
NaSO4 0072 g 990
Tris 6118 g 990
10 M HCl 0-5ml ------------ Hidroximetil aminometano
38 Meacutetodos de Avaliaccedilatildeo
381 Microscopia Eletrocircnica de Varredura (MEV)
Para analise da superfiacutecie das amostras foi utilizada microcopia eletrocircnica de varredura
(MEV) JEOL 5600 LV (Japan) voltagem de 10 kV do Departamento de Fiacutesica da UFPE
Foram analisadas em arquivos digitais trecircs campos visuais diferentes para cada disco
Para cada grupo foram avaliados 3 discos totalizando nove aacutereas por grupo Em cada campo
foram obtidas imagens de 200x 1000x e 15000x para anaacutelises comparativas
382 Dimensatildeo Fractal
Existem vaacuterios meacutetodos para o caacutelculo de dimensatildeo fractal como contagem de caixas
(ldquobox countingrdquo) meacutetodo massa-raio (ldquomass-radius methodrdquo) e meacutetodo de correlaccedilatildeo
densidade-densidade (ldquodensity-density correlation function methodrdquo) O meacutetodo contagem de
caixas eacute mais utilizado e consiste em cobrir a estrutura com uma grade de caixas com arestas
de tamanho l e contar o nuacutemero N(l) de caixas que conteacutem pelo menos uma partiacutecula do
sistema Reduz-se sucessivamente o tamanho das caixas e mede-se para cada tamanho o
numero de caixas N(l) nos quais existe pelo menos um ponto do sistema A dimensatildeo fractal eacute
definida pela equaccedilatildeo
de onde segue
Assim traccedila-se um graacutefico do logaritmo de N(l) em funccedilatildeo do logaritmo de 1l e determina-se
a dimensatildeo fractal pela inclinaccedilatildeo do graacutefico (BASSINGTHWAIGHTHE et al 1994)
fDllN
~)(
)1log(~)(log lDlN f
20
4 RESULTADOS E DISCUSSAtildeO
A Figura 3 mostra os cristais formados depois submersatildeo dos implantes em Simulador
de Fluiacutedos Corpoacutereos (SBF) por 30 dias obtidas com auxilio da Microscopia Eletrocircnica de
Varredura Observam-se as formas diferentes dos cristais (cristais grandes ou pequenos
distribuiacutedos uniformemente ou agrupados simples ou ramificados) para diferentes
tratamentos da superfiacutecie dos implantes A forma e a distribuiccedilatildeo espacial dos cristais
formados por SBF refletem o processo de osseointegraccedilatildeo e indicam que uma analise das
propriedades geomeacutetricas destas estruturas para vaacuterios tipos de tratamento da superfiacutecie dos
implantes poderia providenciar informaccedilotildees importantes para avaliaccedilatildeo da qualidade do
implante
A dimensatildeo fractal das imagens dos cristais formados por SBF nas superfiacutecies dos
implantes foi calculada para diferentes tratamentos da superfiacutecie As imagens da Figura 3
foram binarizadas como apresentado na Figura 4 e em seguida a dimensatildeo fractal foi
calculada utilizando o pacote FracLac do software gratuito ImageJ com meacutetodo ldquoBox
countingrdquo Os resultados destes caacutelculos satildeo apresentados na Tabela 3
21
Com jateamento Sem jateamento
Com
ata
que
aacutecid
o
Com
fosf
ato d
e caacute
lcio
S
em f
osf
ato d
e caacute
lcio
Sem
ata
que
aacutecid
o
Com
fosf
ato d
e caacute
lcio
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
Figura 3 Imagens das formaccedilotildees cristalinas nas superfiacutecies das amostras A-H
22
Figura 4 Imagens binarizadas das formaccedilotildees cristalinas nas superfiacutecies das
amostras A-H
Com jateamento
Sem jateamento
Com
ata
que
aacutecid
o
C
om
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
ata
que
aacutecid
o
C
om
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
23
Tabela 3 Dimensatildeo Fractal (desvio padratildeo) das imagens binarizadas apresentadas na Fig 4
Com aacutecido Sem aacutecido
Com fosfato
de caacutelcio
Sem fosfato
de caacutelcio
Com fosfato
de caacutelcio
Sem fosfato
de caacutelcio
Com jateamento 1859 (0014) 1930 (0015) 1693 (0011) 1903 (0014)
Sem jateamento 1920 (0015) 1845 (0013) 1881 (0014) 1687 (0012)
Na Tabela 3 observa-se a maior dimensatildeo fractal dos cristais formados na superfiacutecie
dos implantes tratados com aacutecido do que em tratamentos sem aacutecido indicando maior
preenchimento espacial dos cristais Este resultado pode ser explicado pelo fato que o
tratamento com acido produz uma superfiacutecie de maior rugosidade aumentando a aacuterea de
contato que pode causar uma deposiccedilatildeo maior e mais uniforme As superfiacutecies apenas
maquinadas que natildeo receberam nenhum tratamento tambeacutem apresentaram as formaccedilotildees de
cristais apoacutes imersatildeo no SBF por 30 dias poreacutem em quantidades aparentemente menores
resultando em menor dimensatildeo fractal (1687) do que para as superfiacutecies com tratamentos
diferentes
24
5 CONCLUSAtildeO
A dimensatildeo fractal das imagens dos implantes de titacircnio submetidos agraves diferentes
combinaccedilotildees dos tratamentos da superfiacutecie e submersos em Simulador de Fluiacutedos Corpoacutereos
por 30 dias varia entre Df=168 ate Df=193 refletindo a complexidade da formaccedilatildeo cristal
caracterizada por pequenos ou grandes cristais depositados localmente ou de forma uniforme
com geometria simples ou dendritica dependendo da combinaccedilatildeo dos tratamentos A menor
dimensatildeo fractal de Df=168 foi obtida para amostras sem tratamento nenhum enquanto a
maior dimensatildeo fractal de Df=193 foi obtida para amostras com jateamento e ataque aacutecido
(sem fosfato de caacutelcio) Ataque aacutecido foi identificado como uacutenico dos tratamentos que leva
sistematicamente ao aumento da dimensatildeo cristal enquanto o tamanho e a distribuiccedilatildeo
espacial dos cristais formados demonstram grande diversidade sem aparente dependecircncia em
nenhum dos tratamentos Estudos sistemaacuteticos ldquoin vivordquo satildeo necessaacuterios para estabelecer
quais combinaccedilotildees destes tratamentos de superfiacutecie geram implantes mais biologicamente
estaacuteveis e mecanicamente robustos e como estas propriedades podem ser associadas com a
dimensatildeo fractal dos cristais depositados
25
REFEREcircNCIAS
BARROS NETO B SCHARMINIO I E BRUNS R E Como Fazer experimentos
Pesquisa e desenvolvimento na ciecircncia e na Induacutestria 2 ed- Campinas-SP Editora
Unicamp 2003
BASSINTHWAITGHT JB LIEBOVITCH LS BRUCE JW Fractal physiology New
York Oxford American Physiological Society 1994
BRAringNEMARK R et al Bone response to laser-induced micro- and nano-size titanium
surface features Nanomedicine v 7 n 2 p 220-227 2011
BRAringNEMARK PI et al Osseointegreated implants in the treatment of edentulous jaw
Experience from a 10- year period Scand J Plast Reconst Surg Suppl v 16 p 1-132
1977
CARNEIRO-CAMPOS LE et al The effect of titanium topography features on mesenchymal
human stromal cells adhesion Clin Oral Implants Res v 21 n 2 p 251-254 2010
CHUNG H-W HUANG Y-H Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the
Diagnosis of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology v 174 p
1055-1059 2000
EHRENFEST D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol v 37 p 506-509 2011
GAO L et al MicroNanostructural Porous Surface on Titanium and Bioactivity J Biomed
Mater Res Part B Appl Biomater v 89B n 2 p 335ndash341 2009
GOUVEIA DS Obtenccedilatildeo de poacutes nanomeacutetricos de hidroxiapatita sintetizados com
magneacutesio utilizando ultra-som Tese Instituto de Pesquisas Energeacuteticas e Nucleares S
Paulo 2008
HAMLET S et al The effect of hydrophilic titanium surface modification on macrophage
inflammatory cytokine gene expression Clin Oral Implants Res v 23 n 5 p 584-90
2012
IVANOV PCH et al Multifractality in Human Heartbeat Dynamics Nature v 399 p
461-465 1999
KAumlMMERER PW et al Early implant healing promotion of platelet activation and
cytokine release by topographical chemical and biomimetical titanium surface modifications
in vitro Clin Oral Implants Res v 23 n4 p 504-10 2012
26
KOKUBO TTAKADAMA H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
BIOMATERIALS v 27 n 15 p 2907-2915 2006
LEZZIG et al Implant surface topographies analyzed using fractal dimension Implant
Dent v 20 p 131-138 2012
MANDELBROT BB How long is the coast of Britain Statistical self-similarity and
fractional dimension Science 156 1967 636-638
MANDELBROT BB The Fractal Geometry of Nature New York 1983
MARQUES C Tratamento de superfiacutecies de implantes de titacircnio Dissertaccedilatildeo de
Mestrado apresentada ao Curso de Mestrado em Ciecircncia dos Materiais do Instituto Militar de
Engenharia (IME) 2007
MISCH CE Misch bone density classification In Misch CE ed Contemporary Implant
Densitry 113-114 St Luis Mosby Inc 2009
NOVAES ABJR et al Influence of Implant Surfaces on Osseointegration Braz Dent J v
21 n 6 p 471-481 2010
ORSINI E et al Early Healing Events around Titanium Implant Devices with Different
Surface Microtopography A Pilot Study in an In Vivo Rabbit Model The Scientific World
Journal 349042 2012
PARK S et al The Effect of Fluoride Treatment on Titanium Treated with Anodic Spark
Oxidation Metals and Materials International v 13 n 2 p 117-122 2007
PERROTTI V et al Fractal Analysis A Novel Method to Assess Roughness Organization of
Implant Surface Topography International Journal of Periodontics amp Restorative
Dentistry v 31 n 6 p 633-639 2011
SAacuteNCHEZ I UZCAacuteTEGUI G Fractals in dentistry Journal of Dentistry v 39 n 4 p
273-292 2011
STOSIC T STOSIC B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels IEEE
Transactions on Medical Imaging v 25 p 1101-1107 2006
SULTANA R et al Effects of heat treatment on the bioactivity of surface-modified titanium
in calcium solution Biomed Mater Eng v 19 n 2 p 193-204 2009
TAPASH RR NARAYANAN R KIM K-H Ion implantation of titanium based
biomaterials Progress in Materials Science v 56 n 8 p 1137-1177 2011
27
UPDIKE SX NOWZARI H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res v 43 n 6 p 658-664 2008
WENNERBERG A ALBREKTSSON T Effects of titanium surface topography on bone
integration a systematic review Clin Oral Implants Res v 20 n 4 p 172-84 2009
WUY-T et al Fractal dimension analysis for quantifying cerebellar morphological change
of multiple system atrophy of the cerebellar type (MSA-C) NeuroImage v 49 n 1 p 539-
551 2010
ZAIA A et al MR imaging and osteoporosis fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute
IEEE Trans Inf Technol Biomed v 10 n 3 p 484-489 2006
ZHANG F et al Cell response of titanium implant with a roughened surface containing
titanium hydride an in vitro study J Oral Maxillofac Surg v 68 n 5 p 1131-1139 2010
28
APEcircNDICE
Artigo submetido agrave publicaccedilatildeo na revista
Fractal measure and microscopic modeling of osseointegration
Leonardo Cavalcanti Bezerra dos Santos1 Alessandra de Albuquerque Tavares Carvalho
1
Borko Stosic2 Tatijana Stosic
2 Paulo Jose Duarte Neto
2
1Departamento de Cliacutenica e Odontologia Preventiva Universidade Federal de Pernambuco
Quarta Travessa Artur de Saacute sn Cidade Universitaacuteria 50670-901 Recife PE Brazil
2Departamento de Estatiacutestica e Informaacutetica Universidade Federal Rural de Pernambuco
Rua Dom Manoel de Medeiros sn Dois Irmatildeos 52171-900 Recife PE Brazil
Abstract
In this work the process of osseointegration on titanium implant surfaces with
different physicochemical treatment subjected to a simulated corporal fluid
submersion is evaluated using the concept of fractal dimension It is found that
different treatments lead to rather different calcium phosphate crystal growth
patterns with fractal dimension ranging from Df=168 to Df=193 The
observed crystal patterns may be explained by a general deposition- diffusion-
aggregation growth mechanism where diffusing particle sticking probability
plays a fundamental role
Key words dental implants osseointegration fractal dimension
Introduction
Practical techniques enhancing implant osseointegration represent a fundamental
research topic not only in dentistry but also in other diverse areas of medicine and veterinary
sciences where bone implants or bone restoration is applied [1-3] While great advances in
this direction have undoubtedly been made over the past decades the full understanding is
still lacking on the effects of different implant surface physicochemical treatments as well as
on the microscopic mechanisms of the posterior osseointegration process [4]
Fractal dimension is a novel concept that has been increasingly employed in diverse
areas of knowledge for quantifying the complexity of natural phenomena ranging from
coastlines [5] and shape of volcanic ash particles [6] bronchial tree [7] and neurons [8]
Fractals are in fact commonly found in nature being characterized by scale invariance and
29
self-similarity During the last decades fractal analysis was used in studying diverse
phenomena in physiology and medicine including pulmonary emphysema [9] osteoporoses
[10] retinal blood vessels [11] and heart rate [12] The potential of fractal analysis was also
explored in dentistry [1314] Recently fractal dimension was used to quantify the surface
roughness of dental implants and shown to be promising to differentiate between topological
properties of dental implant surfaces obtained with different treatments [151617]
In this work we follow up on recent studies [15-17] as to how one may employ fractal
analysis to assess roughness organization of implant surface topology Rather than
concentrating on the implant surface properties subject to different physicochemical treatment
processes [15] here we put the emphasis on the results of simulated body fluid submersion
representing a step forward in understanding of implant osseointegration
Materials and Methods
Machined titanium implant samples were first subjected to different combinations of
a) sand blasting with aluminum oxide b) treatment with hydrofluoric acid and c) treatment
with calcium phosphate [18] after which they were submersed in a simulated body fluid [19]
for thirty days Magnified images of these samples were then acquired through scanning
electron microscopy as shown in Fig1 and subjected to image analysis
As opposed to fractal analysis performed in [15] to find the fractal dimension here we
only binarize the images as shown in Fig2 without skeletonization since we are interested in
crystal formation and it was found that skeletonization introduces artefacts (local networks of
lines) not apparent in the original crystal structure There are various methods for fractal
dimension calculation among which the box-counting method is perhaps the most widely
used because of its simplicity and robustness [20] It proceeds as follows Cover the structure
with a grid of size r and count the number of nonempty grid boxes )(rn Repeat this
procedure for different grid size for fractal self-similar structures 0~)(D
rrn
Box-counting
dimension is defined as
)1log(
)(loglim
0 r
rnD
rf
and can be estimated as the slope of the linear regression of )(log rn versus )1log( r We
calculate fractal dimension using the box counting method implemented in the FracLac
Package of open source software ImageJ
30
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid
tre
atm
ent
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 1 Electron microscope images of samples with different treatment after
submersion in simulated body fluid
31
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid t
reat
men
t
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 2 Same images as in Fig1 after binarization
32
Results and Discussion
It is seen on Fig1 that different combinations of implant surface treatment lead to
rather different crystal pattern formation during the simulated body fluid submersion No clear
conclusions can be drawn as to the size of spatial distribution of formed crystals
corresponding to any single treatment rather it is the combinations of these procedures that
lead to specific resulting structures Large and small crystals uniformly or locally deposited
of simple or dendritic shape are found for different treatment combinations and further in
vivo studies are necessary to determine which of these provide more robust implants with
best mechanical properties
In line with the previous study [15] that has motivated the current work we calculate
the fractal dimension of binarized images shown in Fig2 with the results presented in Table
1 The obtained fractal dimension values vary between Df=168 and Df=193 indicating the
potential of this method to quantify spatial complexity of formed crystals for different implant
surface treatments It is seen from Table 1 that in general the fractal dimension of implant
surface after submersion in SBF tends to be greater in the cases of treatment with acid
(keeping the same combination of sand blasting and calcium phosphate coating) that reflects
the fact that acid etching produces micro pits on titanium surface that greatly enhance
osseointegration [4] The highest value of fractal dimension (193) is obtained for the implant
treated by sand blasting and acid etching indicating that the surface roughness produced by
this treatment results in more uniform and more space filling crystal deposits The fractal
dimension of surfaces treated only by sand blasting acid etching and calcium phosphate are
1903 1845 and 1881 respectively and they are significantly higher than the fractal
dimension of untreated surface (1687) confirming the role of implant surface chemistry and
topology in the process of osseointegration Although our results show that surface topology
of treated implants has higher fractal dimension than that of untreated implants it is still not
clear which treatment or combination of treatments produces the best surfaces for
osseointegration It is also seen from Table 1 that the fractal dimension is higher for all of the
treated surfaces in comparison with the surface without any treatments (with the smallest
fractal dimension value) which reflects the fact that all these treatments produce surface
effects that favorably influence the complexity of the final crystal structure On the other
hand there is no clear evidence as to how these values may be associated with the quality of
implants without further in vivo experiments
33
Table 1 Fractal dimension (standard deviation) of binarized images shown in Fig2
Acid treatment No acid
Calcium
phosphate
No calcium
phosphate
Calcium
phosphate
No calcium
Phosphate
Sand blasted 1859 (0014) 1930 (0015) 1693 (0011) 1903 (0014)
No sand blasting 1920 (0015) 1845 (0013) 1881 (0014) 1687 (0012)
The current study suggests that a general Deposition Difusion Aggregation (DDA)
model [21] may be used to describe crystal formation in the different scenarios covered in the
present work One may perceive that the molecules present in the solution deposit on the
implant surface and move along this surface until they reach other such molecules andor
already crystallized formations where they become incorporated into the crystal structure
The concentration of the (in the current experiment simulated corporal) fluid determines the
flux of deposition and the mobility of the molecules (and perhaps larger molecular
agglomerates) is governed by the topology (roughness) of the implant surface It is well
known [21] that the flux and mobility of aggregate particles lead to rather different deposition
patterns ranging from many uniformly distributed small DLA (Diffusion Limited
Aggregation) like crystals to large dendritic structures and the DDA model apparently
represents an excellent candidate to describe the diversity of observed crystal patterns seen
on the electron microscope images of Fig 1
Conclusion
We apply fractal analysis on binarized scanning electron microscopy images of the
surface of titanium implants that were first subjected to different treatment combinations of i)
sand blasting ii) acid etching and iii) exposition to calcium phosphate and were then
submersed in a simulated corporal fluid for thirty days The obtained fractal dimension values
vary between Df=168 to Df=193 reflecting the complexity and space filling property of the
final crystal structure characterized by large and small crystals uniformly or locally
deposited of simple or dendritic shape that were found for different treatment combinations
Further in vivo studies are necessary to determine how these values may be associated with
the quality of implants
34
References
[1] Albrektsson T Sennerby L Wennerberg A State of the art of oral implants Periodontol
2000 2008 47 15-26
[2] Wazen JJ Gupta R Ghossaini S Spitzer J Farrugia M Tjellstrom A
Osseointegration timing for Baha system loading Laryngoscope 2007 117 794-796
[3] Palmquist A Jarmar T Emanuelsson L Braringnemark R Engqvist H Thomsen P
Forearm bone-anchored amputationprosthesis a case study on the osseointegration Acta
Orthop 2008 79 78-85
[4] Le Gueacutehennec L Soueidan A Layrolle P Amouriq Y Surface treatments of titanium
dental implants for rapid osseointegration Dental Materiasl 2007 23 844-854
[5] Mandelbrot BB The Fractal Geometry of Nature New York Freeman 1983 25
[6]Dellino PLiotino G The fractal and multifractal dimension of volcanic ash particles
contour a test study on the utility and volcanological relevance Journal of Volcanology and
Geothermal Research 2002 113 1-18
[7] Majumdar A Alencar AM Buldyrev SV Hantos Z Lutchen KR Stanley HE Suki B
Relating airway diameter distributions to regular branching asymmetry in the lung Phys Rev Lett 2005 95 168101
[8] Jelinek HF Fernandez E Neurons and fractals how reliable and useful are calculations of
fractal dimensions Journal of Neuroscience Methods 1998 81 9 ndash 18
[9] Chung HW HUANG YH Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the Diagnosis
of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology 2000 174 1055-1059
[10] Zaia A Eleonori R Maponi P Rossi R Murri R MR imaging and osteoporosis
fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute IEEE Trans Inf Technol Biomed 2006 10
484-489
[11] Stosic T Stosic B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels EEE Transactions
on MIedical Imaging 2006 25 1101-1107
[12] Goldberger AL Amaral LAN Hausdorff JM Ivanov PCh Peng CK Stanley
HE Fractal dynamics in physiology Alterations with disease and aging PNAS 2002 99
2466-2472
[13] Saacutenchez I Uzcaacutetegui G Fractals in dentistry Journal of Dentistry 2011 39 273-292
[14] Updike SX Nowzari H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res 2008 43 658-664
[15] Perotti V Aprile G Degidi M Piatelli A Lezzi G Fractal analysis a novel method to
assess roughness organization of implant surface topography Int J Peridontic Restorative
Dent 2011 31 633-639
[16] Ehrenfest D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol 2011 37 506-509
35
[17] Lezzi G Aprile G Tripodi D Scarano A Piatelli A Perotti V Implant surface
topographies analyzed using fractal dimension Implant Dent 2012 20 131-138
[18] Guo CY Tang ATH Matinlinna JP Insights into surface treatment methods of titanium
dental implants Journal of Adhesion Science amp Technology 2012 26 189ndash205
[19] Kokubo T Takadama H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
Biomaterials 2006 27 2907-2915
[20] Theiller J Estimating fractal dimension J Opt Soc Am 1990 7 1055-1073
[21] P Jensen A-L Barabaacutesi H Larralde S Havlin H E Stanley Model incorporating
deposition diffusion and aggregation in submonolayer nanostructures Phys Rev E (1994)
50 618ndash621
13
2 REVISAtildeO DA LITERATURA
Osseointegraccedilatildeo eacute a uniatildeo estrutural e funcional entre o implante e o tecido oacutesseo
quando submetido a uma carga funcional (BRANEMARCK et al 1977) Vaacuterios fatores
poderatildeo interferir na forma e no tempo dessa integraccedilatildeo
21 Biocompatibilidade
Os materiais utilizados para fabricaccedilatildeo de implantes devem ter uma boa resistecircncia
mecacircnica elevada estabilidade quiacutemica excelente resistecircncia agrave corrosatildeo e
biocompatibilidade O titacircnio eacute usado extensivamente nos ossos como sistemas de ancoragem
implantes dentaacuterios e ortopeacutedicos bem como aplicaccedilotildees de osteossiacutentese (MARQUES 2007)
Nos implantes a cicatrizaccedilatildeo oacutessea sem a presenccedila de fibroses eacute desejaacutevel Fatores
relacionados agrave teacutecnica ciruacutergica desenho do implante com o seu respectivo tratamento de
superfiacutecie e fatores ligados ao paciente satildeo variaacuteveis que poderatildeo influenciar na sua
integraccedilatildeo
22 Estrutura oacutessea
A densidade oacutessea eacute um fator importante na longevidade dos implantes independente
da regiatildeo na arcada dentaacuteria baseado em caracteriacutesticas macroscoacutepicas da cortical e do
trabeculado oacutesseo (Misch 1998) classificou em cinco tipos de osso
D1 Osso cortical denso (gt 1250 UH)
D2 Apresenta cortical denso e osso trabeculado grosso (850 a 1250 UH)
D3 Cortical oacutessea fina e trabeculado fino (350 a 850 UH)
D4 Osso trabecular fino (150 a 350 UH)
D5 Osso natildeo-mineralizado imaturo (lt 150 UH)
onde UH satildeo unidades da escala de Hounsfield (com valores -1000 para ar 0 para aacutegua e
3000 para dentes)
23 Titacircnio e a hidroxiapatita
Verick (2003) verificou o meacutetodo de biomimetizaccedilatildeo de superfiacutecie de titacircnio
comercialmente puro (Ti-cp) tratado com hidroacutexido de soacutedio e colocado no SBF super
saturado e observou apoacutes 24 horas alguns tipos de apatitas precipitadas sobre o substrato
14
juntamente com a fase cristalina da hidroxiapatita e comparou com o difratograma de uma
mandiacutebula humana onde observou-se a semelhanccedila dos picos Concluiu que no processo de
nucleaccedilatildeo lento a fase majoritaacuteria encontrada foi a hidroxiapatita As outras fases presentes
apareceram em pequenas quantidades sendo a proacutexima fase da maior presenccedila fosfato
octacaacutelcico
Titacircnio comercialmente puro e suas ligas como Ti-6Al-4V satildeo usadas em cirurgias
ortopeacutedicas O moacutedulo de elasticidade do titacircnio e da liga Ti6Al4V variaria entre 100 e
120GPa e do osso entre 10 e 30GPa A diferenccedila do moacutedulo de elasticidade da proacutetese e do
osso seria desfavoraacutevel para o remodelamento oacutesseo Para resolver este problema e melhorar
as propriedades mecacircnicas e bioloacutegicas novas ligas de titacircnio foram desenvolvidas para
aplicaccedilotildees biomeacutedicas O meacutetodo normal para se conseguir um melhor desempenho das ligas
de titacircnio quanto agraves propriedades mecacircnicas e bioloacutegicas seria modificar sua composiccedilatildeo
Alguns elementos como NbTa Mo e Zr Fe Cr e Sn usualmente adicionados nas ligas de
titacircnio para formar completa ou parcialmente a estrutura que possuem baixo moacutedulo de
elasticidade e contribuem para diminuir a diferenccedila entre o moacutedulo de elasticidade da liga e
do osso Aleacutem disso certos elementos de liga como Cu Co Ni e Si satildeo utilizados para
aumentar a resistecircncia mecacircnica das ligas Nos estudos comparativos com quatro superfiacutecies
tratadas com aacutecidos fluoretos e apenas usinada as anodizadas mostraram melhores resultados
de deposiccedilatildeo de iacuteons (MARQUES 2007)
A Hidroxiapatita sintetizada eacute um dos materiais mais atrativos para uso como
biomaterial devido a sua similaridade composicional e bioloacutegica com a fase inorgacircnica do
osso humano A estrutura da HA permite substituiccedilotildees catiocircnicas e aniocircnicas isomorfas com
facilidade as quais poderatildeo alterar a cristalinidade a morfologia e os paracircmetros de rede A
estabilidade a bioatividade e a biocompatibilidade do material obtido Tais caracteriacutesticas
positivas podem ser explicadas pela natureza quiacutemica por serem formados basicamente por
iacuteons caacutelcio e fosfato participam ativamente do equiliacutebrio iocircnico entre o fluido bioloacutegico e a
ceracircmica Uma forma conveniente de classificar os vaacuterios fosfatos de caacutelcio eacute pela sua razatildeo
molar CaP que pode variar de 05 a 20 A solubilidade eacute uma das mais importantes
propriedades dos compostos de fosfato de caacutelcio Esta biocompatibilidade favorece o
crescimento oacutesseo para os locais em que a HA se encontra Estabelecendo ligaccedilotildees de
natureza quiacutemica entre ela e o tecido oacutesseo (bioativo) permitindo a proliferaccedilatildeo de
fibroblastos osteoblastos e outras ceacutelulas oacutesseas as quais natildeo a distinguem da superfiacutecie
oacutessea o que indica a grande similaridade quiacutemica superficial (GOUVEIA 2008)
15
O tratamento teacutermico da superfiacutecie pode induzir aumento da nucleaccedilatildeo dos cristais de
hidroxiapatita como mostrado pelo Ling e colaboradores (GAO et al 2009) As superfiacutecies
tratadas com ataque aacutecido e anodizaccedilatildeo foram submetidas a tratamento teacutermico a 450ordm C por 6
horas Foram observados cristais de anatase medindo em torno de 20 nm e em seguida as
amostras com e sem tratamento teacutermico foram colocadas em 15 SBF por 7 dias e avaliados
em termos de nucleaccedilatildeo dos cristais
Superfiacutecie tratada por laser tambeacutem pode apresentar melhor fixaccedilatildeo da interface osso-
implante como mostrado (BRAringNEMARK et al 2011) a niacutevel micro e nano escala em
estudos em tiacutebia de coelho com o objetivo de avaliar a resposta biomecacircnica e histoloacutegica de
implantes de titacircnio tratados por laser em comparaccedilatildeo com os implantes apenas usinados
Verificaram que apoacutes 8 semanas tiveram um aumento de 250 no torque de remoccedilatildeo para
superfiacutecies tratadas com laser em relaccedilatildeo as apenas maquinadas Concluiacuteram que existiu uma
melhor fixaccedilatildeo da interface osso-implante promovida por alteraccedilotildees em micro e nano-escala
da topografia da superfiacutecie do implante
Em outro recente experimento ldquoin vivordquo (ORSINI et al 2012) a superfiacutecie tratada
com jateamento e ataque aacutecido (SLA) apresentou maior osteocondutividade quando
comparada com a superfiacutecie natildeo tratada verificando que houve maior deposiccedilatildeo de novo osso
na superfiacutecie de titacircnio
Implantes revestidos com Hidroxiapatiata (HA) reagem de uma maneira direta com
o tecido oacutesseo em cinco fases distintas i) com a dissoluccedilatildeo de HA ii) a precipitaccedilatildeo de
apatita iii) trocas iocircnicas acompanhada por absorccedilatildeo e incorporaccedilatildeo de moleacuteculas bioloacutegicas
iv) a ligaccedilatildeo de ceacutelulas proliferaccedilatildeo e diferenciaccedilatildeo em osteoblastos e v) a formaccedilatildeo da
matriz extra celular e mineralizaccedilatildeo Para que esses efeitos em cascata ocorram a dissoluccedilatildeo
do revestimento de HA representa um passo fundamental Esta dissoluccedilatildeo eacute citada como um
requisito importante para induzir a precipitaccedilatildeo da hiroxiapatita sobre a superfiacutecie do implante
(TAPASH et al 2011) O tratamento quiacutemico dos biomateriais poderaacute apresentar alto impacto
na ativaccedilatildeo plaquetaacuteria Mais especificamente o adesivo sequecircncia peptiacutedica ceacutelula bioativo
Arg-Gli-Asp (RGD) desencadeia a ativaccedilatildeo plaquetaacuteria mediada pelo receptor de integrina
aIIbb3 Deste modo as superfiacutecies tratadas com substacircncias biomimeacutetica (peacuteptidio RGD
imobilizado) poderiam aumentar no iniacutecio ativaccedilatildeo de plaquetas e da cicatrizaccedilatildeo oacutessea junto
ao implante (KAumlMMERER et al 2012)
16
24 Fractais
O termo fractal foi introduzido por Benoit Mandelbrot (MANDELBROT 1983) para
descrever geometria dos sistemas naturais formados pelos processos estocaacutesticos longe do
equiliacutebrio Como exemplos desses sistemas podem-se citar as aacutervores ramificadas linhas
costeiras nuvens poliacutemeros estruturas cardiopulmonares (rede arterial aacutervore
traqueobronquial) etc (MANDELBROT 1983 BASSINGTHWAIGHTE et al 1994) A
diferenccedila entre a geometria fractal e a geometria euclidiana eacute que fractais possuem dimensatildeo
natildeo inteira (fracionaacuteria) e propriedade de auto-similaridade (partes do objeto se assemelham ao
objeto como todo) Os exemplos citados representam fractais estocaacutesticos e possuem a
propriedade de auto-similaridade em sentido estatiacutestico dentro de um intervalo de escala onde
o limite inferior representa a dimensatildeo das componentes elementares (eg partiacuteculas) do
sistema e o limite superior representa a dimensatildeo linear do sistema Durante ultimas deacutecadas o
conceito fractal foi amplamente utilizado para descrever a complexidade dos sistemas
fisioloacutegicos tanto na analise das imagens medicas quanto na analise dos sinais fisioloacutegicos e
mostrou se eficiente em diferenciaccedilatildeo entre os casos saudaacuteveis e patoloacutegicos Os exemplos
incluem osteoporoses (ZAIA et al 2006) enfisema pulmonar (CHUNG e HUANG 2000)
doenccedilas degenerativas neuroloacutegicas (WU et al 2010) alteraccedilotildees em vascularizaccedilatildeo da retina
(STOSIC 2006) doenccedilas cardiovasculares (IVANOV et al 1999) entre outros
O potencial da analise fractal tambeacutem foi explorado na odontologia (SAacuteNCHEZ e
UZCAacuteTEGUI 2011 UPDIKE e NOWZARI 2008) Nos uacuteltimos anos a dimensatildeo fractal foi
utilizada para descrever a rugosidade da superfiacutecie do implante sendo uacutetil para quantificaccedilatildeo
das diferenccedilas entre as superfiacutecies dos implantes obtidas utilizando diversos tratamentos
(PEROTTI et al 2011 LEZZI et al 2012 EHRENFEST et al 2011)
17
3 MATERIAL E MEacuteTODO
Este estudo foi planejado uma anaacutelise multifatorial tendo como objetivo analisar
diferentes tratamentos da superfiacutecie de implante em relaccedilatildeo agrave deposiccedilatildeo de Hidroxiapatita que
eacute considerado um fator relevante pela literatura especializada
31 Modelo experimental
Foi desenvolvido um modelo ldquoin vitrordquo utilizando simulador de fluiacutedos corpoacutereos onde
as amostras foram submergidas por 30 dias e em seguida analisadas por microscopia eletrocircnica
32 Preparos dos Corpos de Provas
O titacircnio foi adquirido atraveacutes da Empresa Tinbrazil barras medindo 6 mm de
diacircmetro por 1 metro de comprimento com laudo de certificaccedilatildeo emitido pela importadora
acima Como sendo titacircnio grau II Ti-6Al-4V conforme a ASTM usados na fabricaccedilatildeo de
implantes dentaacuterios
33 Usinagem
Foi utilizado torno computadorizado marca ROMI com ferramentas de corte
fabricadas em ceracircmica no Departamento de Engenharia Mecacircnica da Universidade Federal
de Pernambuco A vareta foi reduzida em 86 discos medindo 5 mm de diacircmetro e 2 mm de
altura As amostras foram levadas para tratamento de superfiacutecie no laboratoacuterio de
Farmacognosia do Departamento de Ciecircncias Farmacecircuticas da UFPE
34 Limpeza das amostras
As amostras foram lavadas com hexano por 10 minutos em ultrassom O solvente foi
desprezado em recipiente apropriado As amostras foram colocadas em um Becker de vidro
colocados em estufa a 80ordm C por 10 minutos
35 Divisatildeo dos grupos
Os grupos foram divididos seguindo o Planejamento Fatorial de 23
satildeo apresentados na
Tabela 1
18
Tabela 1 ndash Organizaccedilatildeo dos grupos
Jateamento Ataque aacutecido Fosfato de caacutelcio
Grupo A Sim Sim Sim
Grupo B Natildeo Natildeo Natildeo
Grupo C Sim Natildeo Sim
Grupo D Sim Sim Natildeo
Grupo E Natildeo Natildeo Sim
Grupo F Natildeo Sim Natildeo
Grupo G Natildeo Sim Sim
Grupo H Sim Natildeo Natildeo
36 Tratamentos das superfiacutecies
361 Jateamento com Oacutexido de Alumiacutenio
Foi realizado utilizando oacutexido de alumiacutenio com granulaccedilatildeo meacutedia agrave 80 libras com o
jato direcionado a superfiacutecies dos discos por 10 segundos em cada lado
362 Ataque aacutecido
A segunda etapa foi o ataque aacutecido cuja composiccedilatildeo foi aacutecido cloriacutedrico 59 + 1
de aacutecido fluoriacutedrico e 40 de aacutegua destilada acondicionado em recipiente de polietileno ateacute
momento do uso Em um Becker de 50 ml foram colocados 20 ml do aacutecido por um (01)
minuto
363 Fosfato de Caacutelcio
Foi desenvolvida uma pasta contendo proporccedilatildeo de 13 de aacutegua e fosfato de caacutelcio
terciaacuterio No final da segunda etapa o excesso de aacutecido eacute desprezado e a pasta eacute adicionada ao
Becker onde permanece no ultrassom por 20 minutos Apoacutes a lavagem o material foi
colocado em recipiente de vidro seco em estufa a 40 C por 1 hora armazenados em tubos
tipo Ependorf e encaminhados para as anaacutelises
37 Preparaccedilatildeo do Simulador de Fluiacutedos Corpoacutereos (SBF)
Foi preparado conforme meacutetodo de Kokubo e Takadama (2006) no laboratoacuterio de
Farmacognosia Departamento de Ciecircncias Farmacecircuticas da UFPE
19
Tabela 2 - Composiccedilatildeo quiacutemica do SBF proposta por Kokubo e Takadama (2006)
Reagentes Quantidade Pureza
NaCl 8055 g 995
NaHCO3 0355 g 995
Kcl 0225 g 995
K2PO4 3H2O 0231 g 990
MgCl2 6H2O 0311 g 980
10 M- HCl 39 ml -----------
CaCl2 0292 g 950
NaSO4 0072 g 990
Tris 6118 g 990
10 M HCl 0-5ml ------------ Hidroximetil aminometano
38 Meacutetodos de Avaliaccedilatildeo
381 Microscopia Eletrocircnica de Varredura (MEV)
Para analise da superfiacutecie das amostras foi utilizada microcopia eletrocircnica de varredura
(MEV) JEOL 5600 LV (Japan) voltagem de 10 kV do Departamento de Fiacutesica da UFPE
Foram analisadas em arquivos digitais trecircs campos visuais diferentes para cada disco
Para cada grupo foram avaliados 3 discos totalizando nove aacutereas por grupo Em cada campo
foram obtidas imagens de 200x 1000x e 15000x para anaacutelises comparativas
382 Dimensatildeo Fractal
Existem vaacuterios meacutetodos para o caacutelculo de dimensatildeo fractal como contagem de caixas
(ldquobox countingrdquo) meacutetodo massa-raio (ldquomass-radius methodrdquo) e meacutetodo de correlaccedilatildeo
densidade-densidade (ldquodensity-density correlation function methodrdquo) O meacutetodo contagem de
caixas eacute mais utilizado e consiste em cobrir a estrutura com uma grade de caixas com arestas
de tamanho l e contar o nuacutemero N(l) de caixas que conteacutem pelo menos uma partiacutecula do
sistema Reduz-se sucessivamente o tamanho das caixas e mede-se para cada tamanho o
numero de caixas N(l) nos quais existe pelo menos um ponto do sistema A dimensatildeo fractal eacute
definida pela equaccedilatildeo
de onde segue
Assim traccedila-se um graacutefico do logaritmo de N(l) em funccedilatildeo do logaritmo de 1l e determina-se
a dimensatildeo fractal pela inclinaccedilatildeo do graacutefico (BASSINGTHWAIGHTHE et al 1994)
fDllN
~)(
)1log(~)(log lDlN f
20
4 RESULTADOS E DISCUSSAtildeO
A Figura 3 mostra os cristais formados depois submersatildeo dos implantes em Simulador
de Fluiacutedos Corpoacutereos (SBF) por 30 dias obtidas com auxilio da Microscopia Eletrocircnica de
Varredura Observam-se as formas diferentes dos cristais (cristais grandes ou pequenos
distribuiacutedos uniformemente ou agrupados simples ou ramificados) para diferentes
tratamentos da superfiacutecie dos implantes A forma e a distribuiccedilatildeo espacial dos cristais
formados por SBF refletem o processo de osseointegraccedilatildeo e indicam que uma analise das
propriedades geomeacutetricas destas estruturas para vaacuterios tipos de tratamento da superfiacutecie dos
implantes poderia providenciar informaccedilotildees importantes para avaliaccedilatildeo da qualidade do
implante
A dimensatildeo fractal das imagens dos cristais formados por SBF nas superfiacutecies dos
implantes foi calculada para diferentes tratamentos da superfiacutecie As imagens da Figura 3
foram binarizadas como apresentado na Figura 4 e em seguida a dimensatildeo fractal foi
calculada utilizando o pacote FracLac do software gratuito ImageJ com meacutetodo ldquoBox
countingrdquo Os resultados destes caacutelculos satildeo apresentados na Tabela 3
21
Com jateamento Sem jateamento
Com
ata
que
aacutecid
o
Com
fosf
ato d
e caacute
lcio
S
em f
osf
ato d
e caacute
lcio
Sem
ata
que
aacutecid
o
Com
fosf
ato d
e caacute
lcio
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
Figura 3 Imagens das formaccedilotildees cristalinas nas superfiacutecies das amostras A-H
22
Figura 4 Imagens binarizadas das formaccedilotildees cristalinas nas superfiacutecies das
amostras A-H
Com jateamento
Sem jateamento
Com
ata
que
aacutecid
o
C
om
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
ata
que
aacutecid
o
C
om
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
23
Tabela 3 Dimensatildeo Fractal (desvio padratildeo) das imagens binarizadas apresentadas na Fig 4
Com aacutecido Sem aacutecido
Com fosfato
de caacutelcio
Sem fosfato
de caacutelcio
Com fosfato
de caacutelcio
Sem fosfato
de caacutelcio
Com jateamento 1859 (0014) 1930 (0015) 1693 (0011) 1903 (0014)
Sem jateamento 1920 (0015) 1845 (0013) 1881 (0014) 1687 (0012)
Na Tabela 3 observa-se a maior dimensatildeo fractal dos cristais formados na superfiacutecie
dos implantes tratados com aacutecido do que em tratamentos sem aacutecido indicando maior
preenchimento espacial dos cristais Este resultado pode ser explicado pelo fato que o
tratamento com acido produz uma superfiacutecie de maior rugosidade aumentando a aacuterea de
contato que pode causar uma deposiccedilatildeo maior e mais uniforme As superfiacutecies apenas
maquinadas que natildeo receberam nenhum tratamento tambeacutem apresentaram as formaccedilotildees de
cristais apoacutes imersatildeo no SBF por 30 dias poreacutem em quantidades aparentemente menores
resultando em menor dimensatildeo fractal (1687) do que para as superfiacutecies com tratamentos
diferentes
24
5 CONCLUSAtildeO
A dimensatildeo fractal das imagens dos implantes de titacircnio submetidos agraves diferentes
combinaccedilotildees dos tratamentos da superfiacutecie e submersos em Simulador de Fluiacutedos Corpoacutereos
por 30 dias varia entre Df=168 ate Df=193 refletindo a complexidade da formaccedilatildeo cristal
caracterizada por pequenos ou grandes cristais depositados localmente ou de forma uniforme
com geometria simples ou dendritica dependendo da combinaccedilatildeo dos tratamentos A menor
dimensatildeo fractal de Df=168 foi obtida para amostras sem tratamento nenhum enquanto a
maior dimensatildeo fractal de Df=193 foi obtida para amostras com jateamento e ataque aacutecido
(sem fosfato de caacutelcio) Ataque aacutecido foi identificado como uacutenico dos tratamentos que leva
sistematicamente ao aumento da dimensatildeo cristal enquanto o tamanho e a distribuiccedilatildeo
espacial dos cristais formados demonstram grande diversidade sem aparente dependecircncia em
nenhum dos tratamentos Estudos sistemaacuteticos ldquoin vivordquo satildeo necessaacuterios para estabelecer
quais combinaccedilotildees destes tratamentos de superfiacutecie geram implantes mais biologicamente
estaacuteveis e mecanicamente robustos e como estas propriedades podem ser associadas com a
dimensatildeo fractal dos cristais depositados
25
REFEREcircNCIAS
BARROS NETO B SCHARMINIO I E BRUNS R E Como Fazer experimentos
Pesquisa e desenvolvimento na ciecircncia e na Induacutestria 2 ed- Campinas-SP Editora
Unicamp 2003
BASSINTHWAITGHT JB LIEBOVITCH LS BRUCE JW Fractal physiology New
York Oxford American Physiological Society 1994
BRAringNEMARK R et al Bone response to laser-induced micro- and nano-size titanium
surface features Nanomedicine v 7 n 2 p 220-227 2011
BRAringNEMARK PI et al Osseointegreated implants in the treatment of edentulous jaw
Experience from a 10- year period Scand J Plast Reconst Surg Suppl v 16 p 1-132
1977
CARNEIRO-CAMPOS LE et al The effect of titanium topography features on mesenchymal
human stromal cells adhesion Clin Oral Implants Res v 21 n 2 p 251-254 2010
CHUNG H-W HUANG Y-H Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the
Diagnosis of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology v 174 p
1055-1059 2000
EHRENFEST D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol v 37 p 506-509 2011
GAO L et al MicroNanostructural Porous Surface on Titanium and Bioactivity J Biomed
Mater Res Part B Appl Biomater v 89B n 2 p 335ndash341 2009
GOUVEIA DS Obtenccedilatildeo de poacutes nanomeacutetricos de hidroxiapatita sintetizados com
magneacutesio utilizando ultra-som Tese Instituto de Pesquisas Energeacuteticas e Nucleares S
Paulo 2008
HAMLET S et al The effect of hydrophilic titanium surface modification on macrophage
inflammatory cytokine gene expression Clin Oral Implants Res v 23 n 5 p 584-90
2012
IVANOV PCH et al Multifractality in Human Heartbeat Dynamics Nature v 399 p
461-465 1999
KAumlMMERER PW et al Early implant healing promotion of platelet activation and
cytokine release by topographical chemical and biomimetical titanium surface modifications
in vitro Clin Oral Implants Res v 23 n4 p 504-10 2012
26
KOKUBO TTAKADAMA H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
BIOMATERIALS v 27 n 15 p 2907-2915 2006
LEZZIG et al Implant surface topographies analyzed using fractal dimension Implant
Dent v 20 p 131-138 2012
MANDELBROT BB How long is the coast of Britain Statistical self-similarity and
fractional dimension Science 156 1967 636-638
MANDELBROT BB The Fractal Geometry of Nature New York 1983
MARQUES C Tratamento de superfiacutecies de implantes de titacircnio Dissertaccedilatildeo de
Mestrado apresentada ao Curso de Mestrado em Ciecircncia dos Materiais do Instituto Militar de
Engenharia (IME) 2007
MISCH CE Misch bone density classification In Misch CE ed Contemporary Implant
Densitry 113-114 St Luis Mosby Inc 2009
NOVAES ABJR et al Influence of Implant Surfaces on Osseointegration Braz Dent J v
21 n 6 p 471-481 2010
ORSINI E et al Early Healing Events around Titanium Implant Devices with Different
Surface Microtopography A Pilot Study in an In Vivo Rabbit Model The Scientific World
Journal 349042 2012
PARK S et al The Effect of Fluoride Treatment on Titanium Treated with Anodic Spark
Oxidation Metals and Materials International v 13 n 2 p 117-122 2007
PERROTTI V et al Fractal Analysis A Novel Method to Assess Roughness Organization of
Implant Surface Topography International Journal of Periodontics amp Restorative
Dentistry v 31 n 6 p 633-639 2011
SAacuteNCHEZ I UZCAacuteTEGUI G Fractals in dentistry Journal of Dentistry v 39 n 4 p
273-292 2011
STOSIC T STOSIC B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels IEEE
Transactions on Medical Imaging v 25 p 1101-1107 2006
SULTANA R et al Effects of heat treatment on the bioactivity of surface-modified titanium
in calcium solution Biomed Mater Eng v 19 n 2 p 193-204 2009
TAPASH RR NARAYANAN R KIM K-H Ion implantation of titanium based
biomaterials Progress in Materials Science v 56 n 8 p 1137-1177 2011
27
UPDIKE SX NOWZARI H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res v 43 n 6 p 658-664 2008
WENNERBERG A ALBREKTSSON T Effects of titanium surface topography on bone
integration a systematic review Clin Oral Implants Res v 20 n 4 p 172-84 2009
WUY-T et al Fractal dimension analysis for quantifying cerebellar morphological change
of multiple system atrophy of the cerebellar type (MSA-C) NeuroImage v 49 n 1 p 539-
551 2010
ZAIA A et al MR imaging and osteoporosis fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute
IEEE Trans Inf Technol Biomed v 10 n 3 p 484-489 2006
ZHANG F et al Cell response of titanium implant with a roughened surface containing
titanium hydride an in vitro study J Oral Maxillofac Surg v 68 n 5 p 1131-1139 2010
28
APEcircNDICE
Artigo submetido agrave publicaccedilatildeo na revista
Fractal measure and microscopic modeling of osseointegration
Leonardo Cavalcanti Bezerra dos Santos1 Alessandra de Albuquerque Tavares Carvalho
1
Borko Stosic2 Tatijana Stosic
2 Paulo Jose Duarte Neto
2
1Departamento de Cliacutenica e Odontologia Preventiva Universidade Federal de Pernambuco
Quarta Travessa Artur de Saacute sn Cidade Universitaacuteria 50670-901 Recife PE Brazil
2Departamento de Estatiacutestica e Informaacutetica Universidade Federal Rural de Pernambuco
Rua Dom Manoel de Medeiros sn Dois Irmatildeos 52171-900 Recife PE Brazil
Abstract
In this work the process of osseointegration on titanium implant surfaces with
different physicochemical treatment subjected to a simulated corporal fluid
submersion is evaluated using the concept of fractal dimension It is found that
different treatments lead to rather different calcium phosphate crystal growth
patterns with fractal dimension ranging from Df=168 to Df=193 The
observed crystal patterns may be explained by a general deposition- diffusion-
aggregation growth mechanism where diffusing particle sticking probability
plays a fundamental role
Key words dental implants osseointegration fractal dimension
Introduction
Practical techniques enhancing implant osseointegration represent a fundamental
research topic not only in dentistry but also in other diverse areas of medicine and veterinary
sciences where bone implants or bone restoration is applied [1-3] While great advances in
this direction have undoubtedly been made over the past decades the full understanding is
still lacking on the effects of different implant surface physicochemical treatments as well as
on the microscopic mechanisms of the posterior osseointegration process [4]
Fractal dimension is a novel concept that has been increasingly employed in diverse
areas of knowledge for quantifying the complexity of natural phenomena ranging from
coastlines [5] and shape of volcanic ash particles [6] bronchial tree [7] and neurons [8]
Fractals are in fact commonly found in nature being characterized by scale invariance and
29
self-similarity During the last decades fractal analysis was used in studying diverse
phenomena in physiology and medicine including pulmonary emphysema [9] osteoporoses
[10] retinal blood vessels [11] and heart rate [12] The potential of fractal analysis was also
explored in dentistry [1314] Recently fractal dimension was used to quantify the surface
roughness of dental implants and shown to be promising to differentiate between topological
properties of dental implant surfaces obtained with different treatments [151617]
In this work we follow up on recent studies [15-17] as to how one may employ fractal
analysis to assess roughness organization of implant surface topology Rather than
concentrating on the implant surface properties subject to different physicochemical treatment
processes [15] here we put the emphasis on the results of simulated body fluid submersion
representing a step forward in understanding of implant osseointegration
Materials and Methods
Machined titanium implant samples were first subjected to different combinations of
a) sand blasting with aluminum oxide b) treatment with hydrofluoric acid and c) treatment
with calcium phosphate [18] after which they were submersed in a simulated body fluid [19]
for thirty days Magnified images of these samples were then acquired through scanning
electron microscopy as shown in Fig1 and subjected to image analysis
As opposed to fractal analysis performed in [15] to find the fractal dimension here we
only binarize the images as shown in Fig2 without skeletonization since we are interested in
crystal formation and it was found that skeletonization introduces artefacts (local networks of
lines) not apparent in the original crystal structure There are various methods for fractal
dimension calculation among which the box-counting method is perhaps the most widely
used because of its simplicity and robustness [20] It proceeds as follows Cover the structure
with a grid of size r and count the number of nonempty grid boxes )(rn Repeat this
procedure for different grid size for fractal self-similar structures 0~)(D
rrn
Box-counting
dimension is defined as
)1log(
)(loglim
0 r
rnD
rf
and can be estimated as the slope of the linear regression of )(log rn versus )1log( r We
calculate fractal dimension using the box counting method implemented in the FracLac
Package of open source software ImageJ
30
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid
tre
atm
ent
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 1 Electron microscope images of samples with different treatment after
submersion in simulated body fluid
31
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid t
reat
men
t
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 2 Same images as in Fig1 after binarization
32
Results and Discussion
It is seen on Fig1 that different combinations of implant surface treatment lead to
rather different crystal pattern formation during the simulated body fluid submersion No clear
conclusions can be drawn as to the size of spatial distribution of formed crystals
corresponding to any single treatment rather it is the combinations of these procedures that
lead to specific resulting structures Large and small crystals uniformly or locally deposited
of simple or dendritic shape are found for different treatment combinations and further in
vivo studies are necessary to determine which of these provide more robust implants with
best mechanical properties
In line with the previous study [15] that has motivated the current work we calculate
the fractal dimension of binarized images shown in Fig2 with the results presented in Table
1 The obtained fractal dimension values vary between Df=168 and Df=193 indicating the
potential of this method to quantify spatial complexity of formed crystals for different implant
surface treatments It is seen from Table 1 that in general the fractal dimension of implant
surface after submersion in SBF tends to be greater in the cases of treatment with acid
(keeping the same combination of sand blasting and calcium phosphate coating) that reflects
the fact that acid etching produces micro pits on titanium surface that greatly enhance
osseointegration [4] The highest value of fractal dimension (193) is obtained for the implant
treated by sand blasting and acid etching indicating that the surface roughness produced by
this treatment results in more uniform and more space filling crystal deposits The fractal
dimension of surfaces treated only by sand blasting acid etching and calcium phosphate are
1903 1845 and 1881 respectively and they are significantly higher than the fractal
dimension of untreated surface (1687) confirming the role of implant surface chemistry and
topology in the process of osseointegration Although our results show that surface topology
of treated implants has higher fractal dimension than that of untreated implants it is still not
clear which treatment or combination of treatments produces the best surfaces for
osseointegration It is also seen from Table 1 that the fractal dimension is higher for all of the
treated surfaces in comparison with the surface without any treatments (with the smallest
fractal dimension value) which reflects the fact that all these treatments produce surface
effects that favorably influence the complexity of the final crystal structure On the other
hand there is no clear evidence as to how these values may be associated with the quality of
implants without further in vivo experiments
33
Table 1 Fractal dimension (standard deviation) of binarized images shown in Fig2
Acid treatment No acid
Calcium
phosphate
No calcium
phosphate
Calcium
phosphate
No calcium
Phosphate
Sand blasted 1859 (0014) 1930 (0015) 1693 (0011) 1903 (0014)
No sand blasting 1920 (0015) 1845 (0013) 1881 (0014) 1687 (0012)
The current study suggests that a general Deposition Difusion Aggregation (DDA)
model [21] may be used to describe crystal formation in the different scenarios covered in the
present work One may perceive that the molecules present in the solution deposit on the
implant surface and move along this surface until they reach other such molecules andor
already crystallized formations where they become incorporated into the crystal structure
The concentration of the (in the current experiment simulated corporal) fluid determines the
flux of deposition and the mobility of the molecules (and perhaps larger molecular
agglomerates) is governed by the topology (roughness) of the implant surface It is well
known [21] that the flux and mobility of aggregate particles lead to rather different deposition
patterns ranging from many uniformly distributed small DLA (Diffusion Limited
Aggregation) like crystals to large dendritic structures and the DDA model apparently
represents an excellent candidate to describe the diversity of observed crystal patterns seen
on the electron microscope images of Fig 1
Conclusion
We apply fractal analysis on binarized scanning electron microscopy images of the
surface of titanium implants that were first subjected to different treatment combinations of i)
sand blasting ii) acid etching and iii) exposition to calcium phosphate and were then
submersed in a simulated corporal fluid for thirty days The obtained fractal dimension values
vary between Df=168 to Df=193 reflecting the complexity and space filling property of the
final crystal structure characterized by large and small crystals uniformly or locally
deposited of simple or dendritic shape that were found for different treatment combinations
Further in vivo studies are necessary to determine how these values may be associated with
the quality of implants
34
References
[1] Albrektsson T Sennerby L Wennerberg A State of the art of oral implants Periodontol
2000 2008 47 15-26
[2] Wazen JJ Gupta R Ghossaini S Spitzer J Farrugia M Tjellstrom A
Osseointegration timing for Baha system loading Laryngoscope 2007 117 794-796
[3] Palmquist A Jarmar T Emanuelsson L Braringnemark R Engqvist H Thomsen P
Forearm bone-anchored amputationprosthesis a case study on the osseointegration Acta
Orthop 2008 79 78-85
[4] Le Gueacutehennec L Soueidan A Layrolle P Amouriq Y Surface treatments of titanium
dental implants for rapid osseointegration Dental Materiasl 2007 23 844-854
[5] Mandelbrot BB The Fractal Geometry of Nature New York Freeman 1983 25
[6]Dellino PLiotino G The fractal and multifractal dimension of volcanic ash particles
contour a test study on the utility and volcanological relevance Journal of Volcanology and
Geothermal Research 2002 113 1-18
[7] Majumdar A Alencar AM Buldyrev SV Hantos Z Lutchen KR Stanley HE Suki B
Relating airway diameter distributions to regular branching asymmetry in the lung Phys Rev Lett 2005 95 168101
[8] Jelinek HF Fernandez E Neurons and fractals how reliable and useful are calculations of
fractal dimensions Journal of Neuroscience Methods 1998 81 9 ndash 18
[9] Chung HW HUANG YH Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the Diagnosis
of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology 2000 174 1055-1059
[10] Zaia A Eleonori R Maponi P Rossi R Murri R MR imaging and osteoporosis
fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute IEEE Trans Inf Technol Biomed 2006 10
484-489
[11] Stosic T Stosic B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels EEE Transactions
on MIedical Imaging 2006 25 1101-1107
[12] Goldberger AL Amaral LAN Hausdorff JM Ivanov PCh Peng CK Stanley
HE Fractal dynamics in physiology Alterations with disease and aging PNAS 2002 99
2466-2472
[13] Saacutenchez I Uzcaacutetegui G Fractals in dentistry Journal of Dentistry 2011 39 273-292
[14] Updike SX Nowzari H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res 2008 43 658-664
[15] Perotti V Aprile G Degidi M Piatelli A Lezzi G Fractal analysis a novel method to
assess roughness organization of implant surface topography Int J Peridontic Restorative
Dent 2011 31 633-639
[16] Ehrenfest D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol 2011 37 506-509
35
[17] Lezzi G Aprile G Tripodi D Scarano A Piatelli A Perotti V Implant surface
topographies analyzed using fractal dimension Implant Dent 2012 20 131-138
[18] Guo CY Tang ATH Matinlinna JP Insights into surface treatment methods of titanium
dental implants Journal of Adhesion Science amp Technology 2012 26 189ndash205
[19] Kokubo T Takadama H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
Biomaterials 2006 27 2907-2915
[20] Theiller J Estimating fractal dimension J Opt Soc Am 1990 7 1055-1073
[21] P Jensen A-L Barabaacutesi H Larralde S Havlin H E Stanley Model incorporating
deposition diffusion and aggregation in submonolayer nanostructures Phys Rev E (1994)
50 618ndash621
14
juntamente com a fase cristalina da hidroxiapatita e comparou com o difratograma de uma
mandiacutebula humana onde observou-se a semelhanccedila dos picos Concluiu que no processo de
nucleaccedilatildeo lento a fase majoritaacuteria encontrada foi a hidroxiapatita As outras fases presentes
apareceram em pequenas quantidades sendo a proacutexima fase da maior presenccedila fosfato
octacaacutelcico
Titacircnio comercialmente puro e suas ligas como Ti-6Al-4V satildeo usadas em cirurgias
ortopeacutedicas O moacutedulo de elasticidade do titacircnio e da liga Ti6Al4V variaria entre 100 e
120GPa e do osso entre 10 e 30GPa A diferenccedila do moacutedulo de elasticidade da proacutetese e do
osso seria desfavoraacutevel para o remodelamento oacutesseo Para resolver este problema e melhorar
as propriedades mecacircnicas e bioloacutegicas novas ligas de titacircnio foram desenvolvidas para
aplicaccedilotildees biomeacutedicas O meacutetodo normal para se conseguir um melhor desempenho das ligas
de titacircnio quanto agraves propriedades mecacircnicas e bioloacutegicas seria modificar sua composiccedilatildeo
Alguns elementos como NbTa Mo e Zr Fe Cr e Sn usualmente adicionados nas ligas de
titacircnio para formar completa ou parcialmente a estrutura que possuem baixo moacutedulo de
elasticidade e contribuem para diminuir a diferenccedila entre o moacutedulo de elasticidade da liga e
do osso Aleacutem disso certos elementos de liga como Cu Co Ni e Si satildeo utilizados para
aumentar a resistecircncia mecacircnica das ligas Nos estudos comparativos com quatro superfiacutecies
tratadas com aacutecidos fluoretos e apenas usinada as anodizadas mostraram melhores resultados
de deposiccedilatildeo de iacuteons (MARQUES 2007)
A Hidroxiapatita sintetizada eacute um dos materiais mais atrativos para uso como
biomaterial devido a sua similaridade composicional e bioloacutegica com a fase inorgacircnica do
osso humano A estrutura da HA permite substituiccedilotildees catiocircnicas e aniocircnicas isomorfas com
facilidade as quais poderatildeo alterar a cristalinidade a morfologia e os paracircmetros de rede A
estabilidade a bioatividade e a biocompatibilidade do material obtido Tais caracteriacutesticas
positivas podem ser explicadas pela natureza quiacutemica por serem formados basicamente por
iacuteons caacutelcio e fosfato participam ativamente do equiliacutebrio iocircnico entre o fluido bioloacutegico e a
ceracircmica Uma forma conveniente de classificar os vaacuterios fosfatos de caacutelcio eacute pela sua razatildeo
molar CaP que pode variar de 05 a 20 A solubilidade eacute uma das mais importantes
propriedades dos compostos de fosfato de caacutelcio Esta biocompatibilidade favorece o
crescimento oacutesseo para os locais em que a HA se encontra Estabelecendo ligaccedilotildees de
natureza quiacutemica entre ela e o tecido oacutesseo (bioativo) permitindo a proliferaccedilatildeo de
fibroblastos osteoblastos e outras ceacutelulas oacutesseas as quais natildeo a distinguem da superfiacutecie
oacutessea o que indica a grande similaridade quiacutemica superficial (GOUVEIA 2008)
15
O tratamento teacutermico da superfiacutecie pode induzir aumento da nucleaccedilatildeo dos cristais de
hidroxiapatita como mostrado pelo Ling e colaboradores (GAO et al 2009) As superfiacutecies
tratadas com ataque aacutecido e anodizaccedilatildeo foram submetidas a tratamento teacutermico a 450ordm C por 6
horas Foram observados cristais de anatase medindo em torno de 20 nm e em seguida as
amostras com e sem tratamento teacutermico foram colocadas em 15 SBF por 7 dias e avaliados
em termos de nucleaccedilatildeo dos cristais
Superfiacutecie tratada por laser tambeacutem pode apresentar melhor fixaccedilatildeo da interface osso-
implante como mostrado (BRAringNEMARK et al 2011) a niacutevel micro e nano escala em
estudos em tiacutebia de coelho com o objetivo de avaliar a resposta biomecacircnica e histoloacutegica de
implantes de titacircnio tratados por laser em comparaccedilatildeo com os implantes apenas usinados
Verificaram que apoacutes 8 semanas tiveram um aumento de 250 no torque de remoccedilatildeo para
superfiacutecies tratadas com laser em relaccedilatildeo as apenas maquinadas Concluiacuteram que existiu uma
melhor fixaccedilatildeo da interface osso-implante promovida por alteraccedilotildees em micro e nano-escala
da topografia da superfiacutecie do implante
Em outro recente experimento ldquoin vivordquo (ORSINI et al 2012) a superfiacutecie tratada
com jateamento e ataque aacutecido (SLA) apresentou maior osteocondutividade quando
comparada com a superfiacutecie natildeo tratada verificando que houve maior deposiccedilatildeo de novo osso
na superfiacutecie de titacircnio
Implantes revestidos com Hidroxiapatiata (HA) reagem de uma maneira direta com
o tecido oacutesseo em cinco fases distintas i) com a dissoluccedilatildeo de HA ii) a precipitaccedilatildeo de
apatita iii) trocas iocircnicas acompanhada por absorccedilatildeo e incorporaccedilatildeo de moleacuteculas bioloacutegicas
iv) a ligaccedilatildeo de ceacutelulas proliferaccedilatildeo e diferenciaccedilatildeo em osteoblastos e v) a formaccedilatildeo da
matriz extra celular e mineralizaccedilatildeo Para que esses efeitos em cascata ocorram a dissoluccedilatildeo
do revestimento de HA representa um passo fundamental Esta dissoluccedilatildeo eacute citada como um
requisito importante para induzir a precipitaccedilatildeo da hiroxiapatita sobre a superfiacutecie do implante
(TAPASH et al 2011) O tratamento quiacutemico dos biomateriais poderaacute apresentar alto impacto
na ativaccedilatildeo plaquetaacuteria Mais especificamente o adesivo sequecircncia peptiacutedica ceacutelula bioativo
Arg-Gli-Asp (RGD) desencadeia a ativaccedilatildeo plaquetaacuteria mediada pelo receptor de integrina
aIIbb3 Deste modo as superfiacutecies tratadas com substacircncias biomimeacutetica (peacuteptidio RGD
imobilizado) poderiam aumentar no iniacutecio ativaccedilatildeo de plaquetas e da cicatrizaccedilatildeo oacutessea junto
ao implante (KAumlMMERER et al 2012)
16
24 Fractais
O termo fractal foi introduzido por Benoit Mandelbrot (MANDELBROT 1983) para
descrever geometria dos sistemas naturais formados pelos processos estocaacutesticos longe do
equiliacutebrio Como exemplos desses sistemas podem-se citar as aacutervores ramificadas linhas
costeiras nuvens poliacutemeros estruturas cardiopulmonares (rede arterial aacutervore
traqueobronquial) etc (MANDELBROT 1983 BASSINGTHWAIGHTE et al 1994) A
diferenccedila entre a geometria fractal e a geometria euclidiana eacute que fractais possuem dimensatildeo
natildeo inteira (fracionaacuteria) e propriedade de auto-similaridade (partes do objeto se assemelham ao
objeto como todo) Os exemplos citados representam fractais estocaacutesticos e possuem a
propriedade de auto-similaridade em sentido estatiacutestico dentro de um intervalo de escala onde
o limite inferior representa a dimensatildeo das componentes elementares (eg partiacuteculas) do
sistema e o limite superior representa a dimensatildeo linear do sistema Durante ultimas deacutecadas o
conceito fractal foi amplamente utilizado para descrever a complexidade dos sistemas
fisioloacutegicos tanto na analise das imagens medicas quanto na analise dos sinais fisioloacutegicos e
mostrou se eficiente em diferenciaccedilatildeo entre os casos saudaacuteveis e patoloacutegicos Os exemplos
incluem osteoporoses (ZAIA et al 2006) enfisema pulmonar (CHUNG e HUANG 2000)
doenccedilas degenerativas neuroloacutegicas (WU et al 2010) alteraccedilotildees em vascularizaccedilatildeo da retina
(STOSIC 2006) doenccedilas cardiovasculares (IVANOV et al 1999) entre outros
O potencial da analise fractal tambeacutem foi explorado na odontologia (SAacuteNCHEZ e
UZCAacuteTEGUI 2011 UPDIKE e NOWZARI 2008) Nos uacuteltimos anos a dimensatildeo fractal foi
utilizada para descrever a rugosidade da superfiacutecie do implante sendo uacutetil para quantificaccedilatildeo
das diferenccedilas entre as superfiacutecies dos implantes obtidas utilizando diversos tratamentos
(PEROTTI et al 2011 LEZZI et al 2012 EHRENFEST et al 2011)
17
3 MATERIAL E MEacuteTODO
Este estudo foi planejado uma anaacutelise multifatorial tendo como objetivo analisar
diferentes tratamentos da superfiacutecie de implante em relaccedilatildeo agrave deposiccedilatildeo de Hidroxiapatita que
eacute considerado um fator relevante pela literatura especializada
31 Modelo experimental
Foi desenvolvido um modelo ldquoin vitrordquo utilizando simulador de fluiacutedos corpoacutereos onde
as amostras foram submergidas por 30 dias e em seguida analisadas por microscopia eletrocircnica
32 Preparos dos Corpos de Provas
O titacircnio foi adquirido atraveacutes da Empresa Tinbrazil barras medindo 6 mm de
diacircmetro por 1 metro de comprimento com laudo de certificaccedilatildeo emitido pela importadora
acima Como sendo titacircnio grau II Ti-6Al-4V conforme a ASTM usados na fabricaccedilatildeo de
implantes dentaacuterios
33 Usinagem
Foi utilizado torno computadorizado marca ROMI com ferramentas de corte
fabricadas em ceracircmica no Departamento de Engenharia Mecacircnica da Universidade Federal
de Pernambuco A vareta foi reduzida em 86 discos medindo 5 mm de diacircmetro e 2 mm de
altura As amostras foram levadas para tratamento de superfiacutecie no laboratoacuterio de
Farmacognosia do Departamento de Ciecircncias Farmacecircuticas da UFPE
34 Limpeza das amostras
As amostras foram lavadas com hexano por 10 minutos em ultrassom O solvente foi
desprezado em recipiente apropriado As amostras foram colocadas em um Becker de vidro
colocados em estufa a 80ordm C por 10 minutos
35 Divisatildeo dos grupos
Os grupos foram divididos seguindo o Planejamento Fatorial de 23
satildeo apresentados na
Tabela 1
18
Tabela 1 ndash Organizaccedilatildeo dos grupos
Jateamento Ataque aacutecido Fosfato de caacutelcio
Grupo A Sim Sim Sim
Grupo B Natildeo Natildeo Natildeo
Grupo C Sim Natildeo Sim
Grupo D Sim Sim Natildeo
Grupo E Natildeo Natildeo Sim
Grupo F Natildeo Sim Natildeo
Grupo G Natildeo Sim Sim
Grupo H Sim Natildeo Natildeo
36 Tratamentos das superfiacutecies
361 Jateamento com Oacutexido de Alumiacutenio
Foi realizado utilizando oacutexido de alumiacutenio com granulaccedilatildeo meacutedia agrave 80 libras com o
jato direcionado a superfiacutecies dos discos por 10 segundos em cada lado
362 Ataque aacutecido
A segunda etapa foi o ataque aacutecido cuja composiccedilatildeo foi aacutecido cloriacutedrico 59 + 1
de aacutecido fluoriacutedrico e 40 de aacutegua destilada acondicionado em recipiente de polietileno ateacute
momento do uso Em um Becker de 50 ml foram colocados 20 ml do aacutecido por um (01)
minuto
363 Fosfato de Caacutelcio
Foi desenvolvida uma pasta contendo proporccedilatildeo de 13 de aacutegua e fosfato de caacutelcio
terciaacuterio No final da segunda etapa o excesso de aacutecido eacute desprezado e a pasta eacute adicionada ao
Becker onde permanece no ultrassom por 20 minutos Apoacutes a lavagem o material foi
colocado em recipiente de vidro seco em estufa a 40 C por 1 hora armazenados em tubos
tipo Ependorf e encaminhados para as anaacutelises
37 Preparaccedilatildeo do Simulador de Fluiacutedos Corpoacutereos (SBF)
Foi preparado conforme meacutetodo de Kokubo e Takadama (2006) no laboratoacuterio de
Farmacognosia Departamento de Ciecircncias Farmacecircuticas da UFPE
19
Tabela 2 - Composiccedilatildeo quiacutemica do SBF proposta por Kokubo e Takadama (2006)
Reagentes Quantidade Pureza
NaCl 8055 g 995
NaHCO3 0355 g 995
Kcl 0225 g 995
K2PO4 3H2O 0231 g 990
MgCl2 6H2O 0311 g 980
10 M- HCl 39 ml -----------
CaCl2 0292 g 950
NaSO4 0072 g 990
Tris 6118 g 990
10 M HCl 0-5ml ------------ Hidroximetil aminometano
38 Meacutetodos de Avaliaccedilatildeo
381 Microscopia Eletrocircnica de Varredura (MEV)
Para analise da superfiacutecie das amostras foi utilizada microcopia eletrocircnica de varredura
(MEV) JEOL 5600 LV (Japan) voltagem de 10 kV do Departamento de Fiacutesica da UFPE
Foram analisadas em arquivos digitais trecircs campos visuais diferentes para cada disco
Para cada grupo foram avaliados 3 discos totalizando nove aacutereas por grupo Em cada campo
foram obtidas imagens de 200x 1000x e 15000x para anaacutelises comparativas
382 Dimensatildeo Fractal
Existem vaacuterios meacutetodos para o caacutelculo de dimensatildeo fractal como contagem de caixas
(ldquobox countingrdquo) meacutetodo massa-raio (ldquomass-radius methodrdquo) e meacutetodo de correlaccedilatildeo
densidade-densidade (ldquodensity-density correlation function methodrdquo) O meacutetodo contagem de
caixas eacute mais utilizado e consiste em cobrir a estrutura com uma grade de caixas com arestas
de tamanho l e contar o nuacutemero N(l) de caixas que conteacutem pelo menos uma partiacutecula do
sistema Reduz-se sucessivamente o tamanho das caixas e mede-se para cada tamanho o
numero de caixas N(l) nos quais existe pelo menos um ponto do sistema A dimensatildeo fractal eacute
definida pela equaccedilatildeo
de onde segue
Assim traccedila-se um graacutefico do logaritmo de N(l) em funccedilatildeo do logaritmo de 1l e determina-se
a dimensatildeo fractal pela inclinaccedilatildeo do graacutefico (BASSINGTHWAIGHTHE et al 1994)
fDllN
~)(
)1log(~)(log lDlN f
20
4 RESULTADOS E DISCUSSAtildeO
A Figura 3 mostra os cristais formados depois submersatildeo dos implantes em Simulador
de Fluiacutedos Corpoacutereos (SBF) por 30 dias obtidas com auxilio da Microscopia Eletrocircnica de
Varredura Observam-se as formas diferentes dos cristais (cristais grandes ou pequenos
distribuiacutedos uniformemente ou agrupados simples ou ramificados) para diferentes
tratamentos da superfiacutecie dos implantes A forma e a distribuiccedilatildeo espacial dos cristais
formados por SBF refletem o processo de osseointegraccedilatildeo e indicam que uma analise das
propriedades geomeacutetricas destas estruturas para vaacuterios tipos de tratamento da superfiacutecie dos
implantes poderia providenciar informaccedilotildees importantes para avaliaccedilatildeo da qualidade do
implante
A dimensatildeo fractal das imagens dos cristais formados por SBF nas superfiacutecies dos
implantes foi calculada para diferentes tratamentos da superfiacutecie As imagens da Figura 3
foram binarizadas como apresentado na Figura 4 e em seguida a dimensatildeo fractal foi
calculada utilizando o pacote FracLac do software gratuito ImageJ com meacutetodo ldquoBox
countingrdquo Os resultados destes caacutelculos satildeo apresentados na Tabela 3
21
Com jateamento Sem jateamento
Com
ata
que
aacutecid
o
Com
fosf
ato d
e caacute
lcio
S
em f
osf
ato d
e caacute
lcio
Sem
ata
que
aacutecid
o
Com
fosf
ato d
e caacute
lcio
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
Figura 3 Imagens das formaccedilotildees cristalinas nas superfiacutecies das amostras A-H
22
Figura 4 Imagens binarizadas das formaccedilotildees cristalinas nas superfiacutecies das
amostras A-H
Com jateamento
Sem jateamento
Com
ata
que
aacutecid
o
C
om
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
ata
que
aacutecid
o
C
om
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
23
Tabela 3 Dimensatildeo Fractal (desvio padratildeo) das imagens binarizadas apresentadas na Fig 4
Com aacutecido Sem aacutecido
Com fosfato
de caacutelcio
Sem fosfato
de caacutelcio
Com fosfato
de caacutelcio
Sem fosfato
de caacutelcio
Com jateamento 1859 (0014) 1930 (0015) 1693 (0011) 1903 (0014)
Sem jateamento 1920 (0015) 1845 (0013) 1881 (0014) 1687 (0012)
Na Tabela 3 observa-se a maior dimensatildeo fractal dos cristais formados na superfiacutecie
dos implantes tratados com aacutecido do que em tratamentos sem aacutecido indicando maior
preenchimento espacial dos cristais Este resultado pode ser explicado pelo fato que o
tratamento com acido produz uma superfiacutecie de maior rugosidade aumentando a aacuterea de
contato que pode causar uma deposiccedilatildeo maior e mais uniforme As superfiacutecies apenas
maquinadas que natildeo receberam nenhum tratamento tambeacutem apresentaram as formaccedilotildees de
cristais apoacutes imersatildeo no SBF por 30 dias poreacutem em quantidades aparentemente menores
resultando em menor dimensatildeo fractal (1687) do que para as superfiacutecies com tratamentos
diferentes
24
5 CONCLUSAtildeO
A dimensatildeo fractal das imagens dos implantes de titacircnio submetidos agraves diferentes
combinaccedilotildees dos tratamentos da superfiacutecie e submersos em Simulador de Fluiacutedos Corpoacutereos
por 30 dias varia entre Df=168 ate Df=193 refletindo a complexidade da formaccedilatildeo cristal
caracterizada por pequenos ou grandes cristais depositados localmente ou de forma uniforme
com geometria simples ou dendritica dependendo da combinaccedilatildeo dos tratamentos A menor
dimensatildeo fractal de Df=168 foi obtida para amostras sem tratamento nenhum enquanto a
maior dimensatildeo fractal de Df=193 foi obtida para amostras com jateamento e ataque aacutecido
(sem fosfato de caacutelcio) Ataque aacutecido foi identificado como uacutenico dos tratamentos que leva
sistematicamente ao aumento da dimensatildeo cristal enquanto o tamanho e a distribuiccedilatildeo
espacial dos cristais formados demonstram grande diversidade sem aparente dependecircncia em
nenhum dos tratamentos Estudos sistemaacuteticos ldquoin vivordquo satildeo necessaacuterios para estabelecer
quais combinaccedilotildees destes tratamentos de superfiacutecie geram implantes mais biologicamente
estaacuteveis e mecanicamente robustos e como estas propriedades podem ser associadas com a
dimensatildeo fractal dos cristais depositados
25
REFEREcircNCIAS
BARROS NETO B SCHARMINIO I E BRUNS R E Como Fazer experimentos
Pesquisa e desenvolvimento na ciecircncia e na Induacutestria 2 ed- Campinas-SP Editora
Unicamp 2003
BASSINTHWAITGHT JB LIEBOVITCH LS BRUCE JW Fractal physiology New
York Oxford American Physiological Society 1994
BRAringNEMARK R et al Bone response to laser-induced micro- and nano-size titanium
surface features Nanomedicine v 7 n 2 p 220-227 2011
BRAringNEMARK PI et al Osseointegreated implants in the treatment of edentulous jaw
Experience from a 10- year period Scand J Plast Reconst Surg Suppl v 16 p 1-132
1977
CARNEIRO-CAMPOS LE et al The effect of titanium topography features on mesenchymal
human stromal cells adhesion Clin Oral Implants Res v 21 n 2 p 251-254 2010
CHUNG H-W HUANG Y-H Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the
Diagnosis of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology v 174 p
1055-1059 2000
EHRENFEST D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol v 37 p 506-509 2011
GAO L et al MicroNanostructural Porous Surface on Titanium and Bioactivity J Biomed
Mater Res Part B Appl Biomater v 89B n 2 p 335ndash341 2009
GOUVEIA DS Obtenccedilatildeo de poacutes nanomeacutetricos de hidroxiapatita sintetizados com
magneacutesio utilizando ultra-som Tese Instituto de Pesquisas Energeacuteticas e Nucleares S
Paulo 2008
HAMLET S et al The effect of hydrophilic titanium surface modification on macrophage
inflammatory cytokine gene expression Clin Oral Implants Res v 23 n 5 p 584-90
2012
IVANOV PCH et al Multifractality in Human Heartbeat Dynamics Nature v 399 p
461-465 1999
KAumlMMERER PW et al Early implant healing promotion of platelet activation and
cytokine release by topographical chemical and biomimetical titanium surface modifications
in vitro Clin Oral Implants Res v 23 n4 p 504-10 2012
26
KOKUBO TTAKADAMA H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
BIOMATERIALS v 27 n 15 p 2907-2915 2006
LEZZIG et al Implant surface topographies analyzed using fractal dimension Implant
Dent v 20 p 131-138 2012
MANDELBROT BB How long is the coast of Britain Statistical self-similarity and
fractional dimension Science 156 1967 636-638
MANDELBROT BB The Fractal Geometry of Nature New York 1983
MARQUES C Tratamento de superfiacutecies de implantes de titacircnio Dissertaccedilatildeo de
Mestrado apresentada ao Curso de Mestrado em Ciecircncia dos Materiais do Instituto Militar de
Engenharia (IME) 2007
MISCH CE Misch bone density classification In Misch CE ed Contemporary Implant
Densitry 113-114 St Luis Mosby Inc 2009
NOVAES ABJR et al Influence of Implant Surfaces on Osseointegration Braz Dent J v
21 n 6 p 471-481 2010
ORSINI E et al Early Healing Events around Titanium Implant Devices with Different
Surface Microtopography A Pilot Study in an In Vivo Rabbit Model The Scientific World
Journal 349042 2012
PARK S et al The Effect of Fluoride Treatment on Titanium Treated with Anodic Spark
Oxidation Metals and Materials International v 13 n 2 p 117-122 2007
PERROTTI V et al Fractal Analysis A Novel Method to Assess Roughness Organization of
Implant Surface Topography International Journal of Periodontics amp Restorative
Dentistry v 31 n 6 p 633-639 2011
SAacuteNCHEZ I UZCAacuteTEGUI G Fractals in dentistry Journal of Dentistry v 39 n 4 p
273-292 2011
STOSIC T STOSIC B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels IEEE
Transactions on Medical Imaging v 25 p 1101-1107 2006
SULTANA R et al Effects of heat treatment on the bioactivity of surface-modified titanium
in calcium solution Biomed Mater Eng v 19 n 2 p 193-204 2009
TAPASH RR NARAYANAN R KIM K-H Ion implantation of titanium based
biomaterials Progress in Materials Science v 56 n 8 p 1137-1177 2011
27
UPDIKE SX NOWZARI H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res v 43 n 6 p 658-664 2008
WENNERBERG A ALBREKTSSON T Effects of titanium surface topography on bone
integration a systematic review Clin Oral Implants Res v 20 n 4 p 172-84 2009
WUY-T et al Fractal dimension analysis for quantifying cerebellar morphological change
of multiple system atrophy of the cerebellar type (MSA-C) NeuroImage v 49 n 1 p 539-
551 2010
ZAIA A et al MR imaging and osteoporosis fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute
IEEE Trans Inf Technol Biomed v 10 n 3 p 484-489 2006
ZHANG F et al Cell response of titanium implant with a roughened surface containing
titanium hydride an in vitro study J Oral Maxillofac Surg v 68 n 5 p 1131-1139 2010
28
APEcircNDICE
Artigo submetido agrave publicaccedilatildeo na revista
Fractal measure and microscopic modeling of osseointegration
Leonardo Cavalcanti Bezerra dos Santos1 Alessandra de Albuquerque Tavares Carvalho
1
Borko Stosic2 Tatijana Stosic
2 Paulo Jose Duarte Neto
2
1Departamento de Cliacutenica e Odontologia Preventiva Universidade Federal de Pernambuco
Quarta Travessa Artur de Saacute sn Cidade Universitaacuteria 50670-901 Recife PE Brazil
2Departamento de Estatiacutestica e Informaacutetica Universidade Federal Rural de Pernambuco
Rua Dom Manoel de Medeiros sn Dois Irmatildeos 52171-900 Recife PE Brazil
Abstract
In this work the process of osseointegration on titanium implant surfaces with
different physicochemical treatment subjected to a simulated corporal fluid
submersion is evaluated using the concept of fractal dimension It is found that
different treatments lead to rather different calcium phosphate crystal growth
patterns with fractal dimension ranging from Df=168 to Df=193 The
observed crystal patterns may be explained by a general deposition- diffusion-
aggregation growth mechanism where diffusing particle sticking probability
plays a fundamental role
Key words dental implants osseointegration fractal dimension
Introduction
Practical techniques enhancing implant osseointegration represent a fundamental
research topic not only in dentistry but also in other diverse areas of medicine and veterinary
sciences where bone implants or bone restoration is applied [1-3] While great advances in
this direction have undoubtedly been made over the past decades the full understanding is
still lacking on the effects of different implant surface physicochemical treatments as well as
on the microscopic mechanisms of the posterior osseointegration process [4]
Fractal dimension is a novel concept that has been increasingly employed in diverse
areas of knowledge for quantifying the complexity of natural phenomena ranging from
coastlines [5] and shape of volcanic ash particles [6] bronchial tree [7] and neurons [8]
Fractals are in fact commonly found in nature being characterized by scale invariance and
29
self-similarity During the last decades fractal analysis was used in studying diverse
phenomena in physiology and medicine including pulmonary emphysema [9] osteoporoses
[10] retinal blood vessels [11] and heart rate [12] The potential of fractal analysis was also
explored in dentistry [1314] Recently fractal dimension was used to quantify the surface
roughness of dental implants and shown to be promising to differentiate between topological
properties of dental implant surfaces obtained with different treatments [151617]
In this work we follow up on recent studies [15-17] as to how one may employ fractal
analysis to assess roughness organization of implant surface topology Rather than
concentrating on the implant surface properties subject to different physicochemical treatment
processes [15] here we put the emphasis on the results of simulated body fluid submersion
representing a step forward in understanding of implant osseointegration
Materials and Methods
Machined titanium implant samples were first subjected to different combinations of
a) sand blasting with aluminum oxide b) treatment with hydrofluoric acid and c) treatment
with calcium phosphate [18] after which they were submersed in a simulated body fluid [19]
for thirty days Magnified images of these samples were then acquired through scanning
electron microscopy as shown in Fig1 and subjected to image analysis
As opposed to fractal analysis performed in [15] to find the fractal dimension here we
only binarize the images as shown in Fig2 without skeletonization since we are interested in
crystal formation and it was found that skeletonization introduces artefacts (local networks of
lines) not apparent in the original crystal structure There are various methods for fractal
dimension calculation among which the box-counting method is perhaps the most widely
used because of its simplicity and robustness [20] It proceeds as follows Cover the structure
with a grid of size r and count the number of nonempty grid boxes )(rn Repeat this
procedure for different grid size for fractal self-similar structures 0~)(D
rrn
Box-counting
dimension is defined as
)1log(
)(loglim
0 r
rnD
rf
and can be estimated as the slope of the linear regression of )(log rn versus )1log( r We
calculate fractal dimension using the box counting method implemented in the FracLac
Package of open source software ImageJ
30
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid
tre
atm
ent
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 1 Electron microscope images of samples with different treatment after
submersion in simulated body fluid
31
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid t
reat
men
t
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 2 Same images as in Fig1 after binarization
32
Results and Discussion
It is seen on Fig1 that different combinations of implant surface treatment lead to
rather different crystal pattern formation during the simulated body fluid submersion No clear
conclusions can be drawn as to the size of spatial distribution of formed crystals
corresponding to any single treatment rather it is the combinations of these procedures that
lead to specific resulting structures Large and small crystals uniformly or locally deposited
of simple or dendritic shape are found for different treatment combinations and further in
vivo studies are necessary to determine which of these provide more robust implants with
best mechanical properties
In line with the previous study [15] that has motivated the current work we calculate
the fractal dimension of binarized images shown in Fig2 with the results presented in Table
1 The obtained fractal dimension values vary between Df=168 and Df=193 indicating the
potential of this method to quantify spatial complexity of formed crystals for different implant
surface treatments It is seen from Table 1 that in general the fractal dimension of implant
surface after submersion in SBF tends to be greater in the cases of treatment with acid
(keeping the same combination of sand blasting and calcium phosphate coating) that reflects
the fact that acid etching produces micro pits on titanium surface that greatly enhance
osseointegration [4] The highest value of fractal dimension (193) is obtained for the implant
treated by sand blasting and acid etching indicating that the surface roughness produced by
this treatment results in more uniform and more space filling crystal deposits The fractal
dimension of surfaces treated only by sand blasting acid etching and calcium phosphate are
1903 1845 and 1881 respectively and they are significantly higher than the fractal
dimension of untreated surface (1687) confirming the role of implant surface chemistry and
topology in the process of osseointegration Although our results show that surface topology
of treated implants has higher fractal dimension than that of untreated implants it is still not
clear which treatment or combination of treatments produces the best surfaces for
osseointegration It is also seen from Table 1 that the fractal dimension is higher for all of the
treated surfaces in comparison with the surface without any treatments (with the smallest
fractal dimension value) which reflects the fact that all these treatments produce surface
effects that favorably influence the complexity of the final crystal structure On the other
hand there is no clear evidence as to how these values may be associated with the quality of
implants without further in vivo experiments
33
Table 1 Fractal dimension (standard deviation) of binarized images shown in Fig2
Acid treatment No acid
Calcium
phosphate
No calcium
phosphate
Calcium
phosphate
No calcium
Phosphate
Sand blasted 1859 (0014) 1930 (0015) 1693 (0011) 1903 (0014)
No sand blasting 1920 (0015) 1845 (0013) 1881 (0014) 1687 (0012)
The current study suggests that a general Deposition Difusion Aggregation (DDA)
model [21] may be used to describe crystal formation in the different scenarios covered in the
present work One may perceive that the molecules present in the solution deposit on the
implant surface and move along this surface until they reach other such molecules andor
already crystallized formations where they become incorporated into the crystal structure
The concentration of the (in the current experiment simulated corporal) fluid determines the
flux of deposition and the mobility of the molecules (and perhaps larger molecular
agglomerates) is governed by the topology (roughness) of the implant surface It is well
known [21] that the flux and mobility of aggregate particles lead to rather different deposition
patterns ranging from many uniformly distributed small DLA (Diffusion Limited
Aggregation) like crystals to large dendritic structures and the DDA model apparently
represents an excellent candidate to describe the diversity of observed crystal patterns seen
on the electron microscope images of Fig 1
Conclusion
We apply fractal analysis on binarized scanning electron microscopy images of the
surface of titanium implants that were first subjected to different treatment combinations of i)
sand blasting ii) acid etching and iii) exposition to calcium phosphate and were then
submersed in a simulated corporal fluid for thirty days The obtained fractal dimension values
vary between Df=168 to Df=193 reflecting the complexity and space filling property of the
final crystal structure characterized by large and small crystals uniformly or locally
deposited of simple or dendritic shape that were found for different treatment combinations
Further in vivo studies are necessary to determine how these values may be associated with
the quality of implants
34
References
[1] Albrektsson T Sennerby L Wennerberg A State of the art of oral implants Periodontol
2000 2008 47 15-26
[2] Wazen JJ Gupta R Ghossaini S Spitzer J Farrugia M Tjellstrom A
Osseointegration timing for Baha system loading Laryngoscope 2007 117 794-796
[3] Palmquist A Jarmar T Emanuelsson L Braringnemark R Engqvist H Thomsen P
Forearm bone-anchored amputationprosthesis a case study on the osseointegration Acta
Orthop 2008 79 78-85
[4] Le Gueacutehennec L Soueidan A Layrolle P Amouriq Y Surface treatments of titanium
dental implants for rapid osseointegration Dental Materiasl 2007 23 844-854
[5] Mandelbrot BB The Fractal Geometry of Nature New York Freeman 1983 25
[6]Dellino PLiotino G The fractal and multifractal dimension of volcanic ash particles
contour a test study on the utility and volcanological relevance Journal of Volcanology and
Geothermal Research 2002 113 1-18
[7] Majumdar A Alencar AM Buldyrev SV Hantos Z Lutchen KR Stanley HE Suki B
Relating airway diameter distributions to regular branching asymmetry in the lung Phys Rev Lett 2005 95 168101
[8] Jelinek HF Fernandez E Neurons and fractals how reliable and useful are calculations of
fractal dimensions Journal of Neuroscience Methods 1998 81 9 ndash 18
[9] Chung HW HUANG YH Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the Diagnosis
of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology 2000 174 1055-1059
[10] Zaia A Eleonori R Maponi P Rossi R Murri R MR imaging and osteoporosis
fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute IEEE Trans Inf Technol Biomed 2006 10
484-489
[11] Stosic T Stosic B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels EEE Transactions
on MIedical Imaging 2006 25 1101-1107
[12] Goldberger AL Amaral LAN Hausdorff JM Ivanov PCh Peng CK Stanley
HE Fractal dynamics in physiology Alterations with disease and aging PNAS 2002 99
2466-2472
[13] Saacutenchez I Uzcaacutetegui G Fractals in dentistry Journal of Dentistry 2011 39 273-292
[14] Updike SX Nowzari H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res 2008 43 658-664
[15] Perotti V Aprile G Degidi M Piatelli A Lezzi G Fractal analysis a novel method to
assess roughness organization of implant surface topography Int J Peridontic Restorative
Dent 2011 31 633-639
[16] Ehrenfest D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol 2011 37 506-509
35
[17] Lezzi G Aprile G Tripodi D Scarano A Piatelli A Perotti V Implant surface
topographies analyzed using fractal dimension Implant Dent 2012 20 131-138
[18] Guo CY Tang ATH Matinlinna JP Insights into surface treatment methods of titanium
dental implants Journal of Adhesion Science amp Technology 2012 26 189ndash205
[19] Kokubo T Takadama H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
Biomaterials 2006 27 2907-2915
[20] Theiller J Estimating fractal dimension J Opt Soc Am 1990 7 1055-1073
[21] P Jensen A-L Barabaacutesi H Larralde S Havlin H E Stanley Model incorporating
deposition diffusion and aggregation in submonolayer nanostructures Phys Rev E (1994)
50 618ndash621
15
O tratamento teacutermico da superfiacutecie pode induzir aumento da nucleaccedilatildeo dos cristais de
hidroxiapatita como mostrado pelo Ling e colaboradores (GAO et al 2009) As superfiacutecies
tratadas com ataque aacutecido e anodizaccedilatildeo foram submetidas a tratamento teacutermico a 450ordm C por 6
horas Foram observados cristais de anatase medindo em torno de 20 nm e em seguida as
amostras com e sem tratamento teacutermico foram colocadas em 15 SBF por 7 dias e avaliados
em termos de nucleaccedilatildeo dos cristais
Superfiacutecie tratada por laser tambeacutem pode apresentar melhor fixaccedilatildeo da interface osso-
implante como mostrado (BRAringNEMARK et al 2011) a niacutevel micro e nano escala em
estudos em tiacutebia de coelho com o objetivo de avaliar a resposta biomecacircnica e histoloacutegica de
implantes de titacircnio tratados por laser em comparaccedilatildeo com os implantes apenas usinados
Verificaram que apoacutes 8 semanas tiveram um aumento de 250 no torque de remoccedilatildeo para
superfiacutecies tratadas com laser em relaccedilatildeo as apenas maquinadas Concluiacuteram que existiu uma
melhor fixaccedilatildeo da interface osso-implante promovida por alteraccedilotildees em micro e nano-escala
da topografia da superfiacutecie do implante
Em outro recente experimento ldquoin vivordquo (ORSINI et al 2012) a superfiacutecie tratada
com jateamento e ataque aacutecido (SLA) apresentou maior osteocondutividade quando
comparada com a superfiacutecie natildeo tratada verificando que houve maior deposiccedilatildeo de novo osso
na superfiacutecie de titacircnio
Implantes revestidos com Hidroxiapatiata (HA) reagem de uma maneira direta com
o tecido oacutesseo em cinco fases distintas i) com a dissoluccedilatildeo de HA ii) a precipitaccedilatildeo de
apatita iii) trocas iocircnicas acompanhada por absorccedilatildeo e incorporaccedilatildeo de moleacuteculas bioloacutegicas
iv) a ligaccedilatildeo de ceacutelulas proliferaccedilatildeo e diferenciaccedilatildeo em osteoblastos e v) a formaccedilatildeo da
matriz extra celular e mineralizaccedilatildeo Para que esses efeitos em cascata ocorram a dissoluccedilatildeo
do revestimento de HA representa um passo fundamental Esta dissoluccedilatildeo eacute citada como um
requisito importante para induzir a precipitaccedilatildeo da hiroxiapatita sobre a superfiacutecie do implante
(TAPASH et al 2011) O tratamento quiacutemico dos biomateriais poderaacute apresentar alto impacto
na ativaccedilatildeo plaquetaacuteria Mais especificamente o adesivo sequecircncia peptiacutedica ceacutelula bioativo
Arg-Gli-Asp (RGD) desencadeia a ativaccedilatildeo plaquetaacuteria mediada pelo receptor de integrina
aIIbb3 Deste modo as superfiacutecies tratadas com substacircncias biomimeacutetica (peacuteptidio RGD
imobilizado) poderiam aumentar no iniacutecio ativaccedilatildeo de plaquetas e da cicatrizaccedilatildeo oacutessea junto
ao implante (KAumlMMERER et al 2012)
16
24 Fractais
O termo fractal foi introduzido por Benoit Mandelbrot (MANDELBROT 1983) para
descrever geometria dos sistemas naturais formados pelos processos estocaacutesticos longe do
equiliacutebrio Como exemplos desses sistemas podem-se citar as aacutervores ramificadas linhas
costeiras nuvens poliacutemeros estruturas cardiopulmonares (rede arterial aacutervore
traqueobronquial) etc (MANDELBROT 1983 BASSINGTHWAIGHTE et al 1994) A
diferenccedila entre a geometria fractal e a geometria euclidiana eacute que fractais possuem dimensatildeo
natildeo inteira (fracionaacuteria) e propriedade de auto-similaridade (partes do objeto se assemelham ao
objeto como todo) Os exemplos citados representam fractais estocaacutesticos e possuem a
propriedade de auto-similaridade em sentido estatiacutestico dentro de um intervalo de escala onde
o limite inferior representa a dimensatildeo das componentes elementares (eg partiacuteculas) do
sistema e o limite superior representa a dimensatildeo linear do sistema Durante ultimas deacutecadas o
conceito fractal foi amplamente utilizado para descrever a complexidade dos sistemas
fisioloacutegicos tanto na analise das imagens medicas quanto na analise dos sinais fisioloacutegicos e
mostrou se eficiente em diferenciaccedilatildeo entre os casos saudaacuteveis e patoloacutegicos Os exemplos
incluem osteoporoses (ZAIA et al 2006) enfisema pulmonar (CHUNG e HUANG 2000)
doenccedilas degenerativas neuroloacutegicas (WU et al 2010) alteraccedilotildees em vascularizaccedilatildeo da retina
(STOSIC 2006) doenccedilas cardiovasculares (IVANOV et al 1999) entre outros
O potencial da analise fractal tambeacutem foi explorado na odontologia (SAacuteNCHEZ e
UZCAacuteTEGUI 2011 UPDIKE e NOWZARI 2008) Nos uacuteltimos anos a dimensatildeo fractal foi
utilizada para descrever a rugosidade da superfiacutecie do implante sendo uacutetil para quantificaccedilatildeo
das diferenccedilas entre as superfiacutecies dos implantes obtidas utilizando diversos tratamentos
(PEROTTI et al 2011 LEZZI et al 2012 EHRENFEST et al 2011)
17
3 MATERIAL E MEacuteTODO
Este estudo foi planejado uma anaacutelise multifatorial tendo como objetivo analisar
diferentes tratamentos da superfiacutecie de implante em relaccedilatildeo agrave deposiccedilatildeo de Hidroxiapatita que
eacute considerado um fator relevante pela literatura especializada
31 Modelo experimental
Foi desenvolvido um modelo ldquoin vitrordquo utilizando simulador de fluiacutedos corpoacutereos onde
as amostras foram submergidas por 30 dias e em seguida analisadas por microscopia eletrocircnica
32 Preparos dos Corpos de Provas
O titacircnio foi adquirido atraveacutes da Empresa Tinbrazil barras medindo 6 mm de
diacircmetro por 1 metro de comprimento com laudo de certificaccedilatildeo emitido pela importadora
acima Como sendo titacircnio grau II Ti-6Al-4V conforme a ASTM usados na fabricaccedilatildeo de
implantes dentaacuterios
33 Usinagem
Foi utilizado torno computadorizado marca ROMI com ferramentas de corte
fabricadas em ceracircmica no Departamento de Engenharia Mecacircnica da Universidade Federal
de Pernambuco A vareta foi reduzida em 86 discos medindo 5 mm de diacircmetro e 2 mm de
altura As amostras foram levadas para tratamento de superfiacutecie no laboratoacuterio de
Farmacognosia do Departamento de Ciecircncias Farmacecircuticas da UFPE
34 Limpeza das amostras
As amostras foram lavadas com hexano por 10 minutos em ultrassom O solvente foi
desprezado em recipiente apropriado As amostras foram colocadas em um Becker de vidro
colocados em estufa a 80ordm C por 10 minutos
35 Divisatildeo dos grupos
Os grupos foram divididos seguindo o Planejamento Fatorial de 23
satildeo apresentados na
Tabela 1
18
Tabela 1 ndash Organizaccedilatildeo dos grupos
Jateamento Ataque aacutecido Fosfato de caacutelcio
Grupo A Sim Sim Sim
Grupo B Natildeo Natildeo Natildeo
Grupo C Sim Natildeo Sim
Grupo D Sim Sim Natildeo
Grupo E Natildeo Natildeo Sim
Grupo F Natildeo Sim Natildeo
Grupo G Natildeo Sim Sim
Grupo H Sim Natildeo Natildeo
36 Tratamentos das superfiacutecies
361 Jateamento com Oacutexido de Alumiacutenio
Foi realizado utilizando oacutexido de alumiacutenio com granulaccedilatildeo meacutedia agrave 80 libras com o
jato direcionado a superfiacutecies dos discos por 10 segundos em cada lado
362 Ataque aacutecido
A segunda etapa foi o ataque aacutecido cuja composiccedilatildeo foi aacutecido cloriacutedrico 59 + 1
de aacutecido fluoriacutedrico e 40 de aacutegua destilada acondicionado em recipiente de polietileno ateacute
momento do uso Em um Becker de 50 ml foram colocados 20 ml do aacutecido por um (01)
minuto
363 Fosfato de Caacutelcio
Foi desenvolvida uma pasta contendo proporccedilatildeo de 13 de aacutegua e fosfato de caacutelcio
terciaacuterio No final da segunda etapa o excesso de aacutecido eacute desprezado e a pasta eacute adicionada ao
Becker onde permanece no ultrassom por 20 minutos Apoacutes a lavagem o material foi
colocado em recipiente de vidro seco em estufa a 40 C por 1 hora armazenados em tubos
tipo Ependorf e encaminhados para as anaacutelises
37 Preparaccedilatildeo do Simulador de Fluiacutedos Corpoacutereos (SBF)
Foi preparado conforme meacutetodo de Kokubo e Takadama (2006) no laboratoacuterio de
Farmacognosia Departamento de Ciecircncias Farmacecircuticas da UFPE
19
Tabela 2 - Composiccedilatildeo quiacutemica do SBF proposta por Kokubo e Takadama (2006)
Reagentes Quantidade Pureza
NaCl 8055 g 995
NaHCO3 0355 g 995
Kcl 0225 g 995
K2PO4 3H2O 0231 g 990
MgCl2 6H2O 0311 g 980
10 M- HCl 39 ml -----------
CaCl2 0292 g 950
NaSO4 0072 g 990
Tris 6118 g 990
10 M HCl 0-5ml ------------ Hidroximetil aminometano
38 Meacutetodos de Avaliaccedilatildeo
381 Microscopia Eletrocircnica de Varredura (MEV)
Para analise da superfiacutecie das amostras foi utilizada microcopia eletrocircnica de varredura
(MEV) JEOL 5600 LV (Japan) voltagem de 10 kV do Departamento de Fiacutesica da UFPE
Foram analisadas em arquivos digitais trecircs campos visuais diferentes para cada disco
Para cada grupo foram avaliados 3 discos totalizando nove aacutereas por grupo Em cada campo
foram obtidas imagens de 200x 1000x e 15000x para anaacutelises comparativas
382 Dimensatildeo Fractal
Existem vaacuterios meacutetodos para o caacutelculo de dimensatildeo fractal como contagem de caixas
(ldquobox countingrdquo) meacutetodo massa-raio (ldquomass-radius methodrdquo) e meacutetodo de correlaccedilatildeo
densidade-densidade (ldquodensity-density correlation function methodrdquo) O meacutetodo contagem de
caixas eacute mais utilizado e consiste em cobrir a estrutura com uma grade de caixas com arestas
de tamanho l e contar o nuacutemero N(l) de caixas que conteacutem pelo menos uma partiacutecula do
sistema Reduz-se sucessivamente o tamanho das caixas e mede-se para cada tamanho o
numero de caixas N(l) nos quais existe pelo menos um ponto do sistema A dimensatildeo fractal eacute
definida pela equaccedilatildeo
de onde segue
Assim traccedila-se um graacutefico do logaritmo de N(l) em funccedilatildeo do logaritmo de 1l e determina-se
a dimensatildeo fractal pela inclinaccedilatildeo do graacutefico (BASSINGTHWAIGHTHE et al 1994)
fDllN
~)(
)1log(~)(log lDlN f
20
4 RESULTADOS E DISCUSSAtildeO
A Figura 3 mostra os cristais formados depois submersatildeo dos implantes em Simulador
de Fluiacutedos Corpoacutereos (SBF) por 30 dias obtidas com auxilio da Microscopia Eletrocircnica de
Varredura Observam-se as formas diferentes dos cristais (cristais grandes ou pequenos
distribuiacutedos uniformemente ou agrupados simples ou ramificados) para diferentes
tratamentos da superfiacutecie dos implantes A forma e a distribuiccedilatildeo espacial dos cristais
formados por SBF refletem o processo de osseointegraccedilatildeo e indicam que uma analise das
propriedades geomeacutetricas destas estruturas para vaacuterios tipos de tratamento da superfiacutecie dos
implantes poderia providenciar informaccedilotildees importantes para avaliaccedilatildeo da qualidade do
implante
A dimensatildeo fractal das imagens dos cristais formados por SBF nas superfiacutecies dos
implantes foi calculada para diferentes tratamentos da superfiacutecie As imagens da Figura 3
foram binarizadas como apresentado na Figura 4 e em seguida a dimensatildeo fractal foi
calculada utilizando o pacote FracLac do software gratuito ImageJ com meacutetodo ldquoBox
countingrdquo Os resultados destes caacutelculos satildeo apresentados na Tabela 3
21
Com jateamento Sem jateamento
Com
ata
que
aacutecid
o
Com
fosf
ato d
e caacute
lcio
S
em f
osf
ato d
e caacute
lcio
Sem
ata
que
aacutecid
o
Com
fosf
ato d
e caacute
lcio
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
Figura 3 Imagens das formaccedilotildees cristalinas nas superfiacutecies das amostras A-H
22
Figura 4 Imagens binarizadas das formaccedilotildees cristalinas nas superfiacutecies das
amostras A-H
Com jateamento
Sem jateamento
Com
ata
que
aacutecid
o
C
om
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
ata
que
aacutecid
o
C
om
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
23
Tabela 3 Dimensatildeo Fractal (desvio padratildeo) das imagens binarizadas apresentadas na Fig 4
Com aacutecido Sem aacutecido
Com fosfato
de caacutelcio
Sem fosfato
de caacutelcio
Com fosfato
de caacutelcio
Sem fosfato
de caacutelcio
Com jateamento 1859 (0014) 1930 (0015) 1693 (0011) 1903 (0014)
Sem jateamento 1920 (0015) 1845 (0013) 1881 (0014) 1687 (0012)
Na Tabela 3 observa-se a maior dimensatildeo fractal dos cristais formados na superfiacutecie
dos implantes tratados com aacutecido do que em tratamentos sem aacutecido indicando maior
preenchimento espacial dos cristais Este resultado pode ser explicado pelo fato que o
tratamento com acido produz uma superfiacutecie de maior rugosidade aumentando a aacuterea de
contato que pode causar uma deposiccedilatildeo maior e mais uniforme As superfiacutecies apenas
maquinadas que natildeo receberam nenhum tratamento tambeacutem apresentaram as formaccedilotildees de
cristais apoacutes imersatildeo no SBF por 30 dias poreacutem em quantidades aparentemente menores
resultando em menor dimensatildeo fractal (1687) do que para as superfiacutecies com tratamentos
diferentes
24
5 CONCLUSAtildeO
A dimensatildeo fractal das imagens dos implantes de titacircnio submetidos agraves diferentes
combinaccedilotildees dos tratamentos da superfiacutecie e submersos em Simulador de Fluiacutedos Corpoacutereos
por 30 dias varia entre Df=168 ate Df=193 refletindo a complexidade da formaccedilatildeo cristal
caracterizada por pequenos ou grandes cristais depositados localmente ou de forma uniforme
com geometria simples ou dendritica dependendo da combinaccedilatildeo dos tratamentos A menor
dimensatildeo fractal de Df=168 foi obtida para amostras sem tratamento nenhum enquanto a
maior dimensatildeo fractal de Df=193 foi obtida para amostras com jateamento e ataque aacutecido
(sem fosfato de caacutelcio) Ataque aacutecido foi identificado como uacutenico dos tratamentos que leva
sistematicamente ao aumento da dimensatildeo cristal enquanto o tamanho e a distribuiccedilatildeo
espacial dos cristais formados demonstram grande diversidade sem aparente dependecircncia em
nenhum dos tratamentos Estudos sistemaacuteticos ldquoin vivordquo satildeo necessaacuterios para estabelecer
quais combinaccedilotildees destes tratamentos de superfiacutecie geram implantes mais biologicamente
estaacuteveis e mecanicamente robustos e como estas propriedades podem ser associadas com a
dimensatildeo fractal dos cristais depositados
25
REFEREcircNCIAS
BARROS NETO B SCHARMINIO I E BRUNS R E Como Fazer experimentos
Pesquisa e desenvolvimento na ciecircncia e na Induacutestria 2 ed- Campinas-SP Editora
Unicamp 2003
BASSINTHWAITGHT JB LIEBOVITCH LS BRUCE JW Fractal physiology New
York Oxford American Physiological Society 1994
BRAringNEMARK R et al Bone response to laser-induced micro- and nano-size titanium
surface features Nanomedicine v 7 n 2 p 220-227 2011
BRAringNEMARK PI et al Osseointegreated implants in the treatment of edentulous jaw
Experience from a 10- year period Scand J Plast Reconst Surg Suppl v 16 p 1-132
1977
CARNEIRO-CAMPOS LE et al The effect of titanium topography features on mesenchymal
human stromal cells adhesion Clin Oral Implants Res v 21 n 2 p 251-254 2010
CHUNG H-W HUANG Y-H Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the
Diagnosis of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology v 174 p
1055-1059 2000
EHRENFEST D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol v 37 p 506-509 2011
GAO L et al MicroNanostructural Porous Surface on Titanium and Bioactivity J Biomed
Mater Res Part B Appl Biomater v 89B n 2 p 335ndash341 2009
GOUVEIA DS Obtenccedilatildeo de poacutes nanomeacutetricos de hidroxiapatita sintetizados com
magneacutesio utilizando ultra-som Tese Instituto de Pesquisas Energeacuteticas e Nucleares S
Paulo 2008
HAMLET S et al The effect of hydrophilic titanium surface modification on macrophage
inflammatory cytokine gene expression Clin Oral Implants Res v 23 n 5 p 584-90
2012
IVANOV PCH et al Multifractality in Human Heartbeat Dynamics Nature v 399 p
461-465 1999
KAumlMMERER PW et al Early implant healing promotion of platelet activation and
cytokine release by topographical chemical and biomimetical titanium surface modifications
in vitro Clin Oral Implants Res v 23 n4 p 504-10 2012
26
KOKUBO TTAKADAMA H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
BIOMATERIALS v 27 n 15 p 2907-2915 2006
LEZZIG et al Implant surface topographies analyzed using fractal dimension Implant
Dent v 20 p 131-138 2012
MANDELBROT BB How long is the coast of Britain Statistical self-similarity and
fractional dimension Science 156 1967 636-638
MANDELBROT BB The Fractal Geometry of Nature New York 1983
MARQUES C Tratamento de superfiacutecies de implantes de titacircnio Dissertaccedilatildeo de
Mestrado apresentada ao Curso de Mestrado em Ciecircncia dos Materiais do Instituto Militar de
Engenharia (IME) 2007
MISCH CE Misch bone density classification In Misch CE ed Contemporary Implant
Densitry 113-114 St Luis Mosby Inc 2009
NOVAES ABJR et al Influence of Implant Surfaces on Osseointegration Braz Dent J v
21 n 6 p 471-481 2010
ORSINI E et al Early Healing Events around Titanium Implant Devices with Different
Surface Microtopography A Pilot Study in an In Vivo Rabbit Model The Scientific World
Journal 349042 2012
PARK S et al The Effect of Fluoride Treatment on Titanium Treated with Anodic Spark
Oxidation Metals and Materials International v 13 n 2 p 117-122 2007
PERROTTI V et al Fractal Analysis A Novel Method to Assess Roughness Organization of
Implant Surface Topography International Journal of Periodontics amp Restorative
Dentistry v 31 n 6 p 633-639 2011
SAacuteNCHEZ I UZCAacuteTEGUI G Fractals in dentistry Journal of Dentistry v 39 n 4 p
273-292 2011
STOSIC T STOSIC B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels IEEE
Transactions on Medical Imaging v 25 p 1101-1107 2006
SULTANA R et al Effects of heat treatment on the bioactivity of surface-modified titanium
in calcium solution Biomed Mater Eng v 19 n 2 p 193-204 2009
TAPASH RR NARAYANAN R KIM K-H Ion implantation of titanium based
biomaterials Progress in Materials Science v 56 n 8 p 1137-1177 2011
27
UPDIKE SX NOWZARI H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res v 43 n 6 p 658-664 2008
WENNERBERG A ALBREKTSSON T Effects of titanium surface topography on bone
integration a systematic review Clin Oral Implants Res v 20 n 4 p 172-84 2009
WUY-T et al Fractal dimension analysis for quantifying cerebellar morphological change
of multiple system atrophy of the cerebellar type (MSA-C) NeuroImage v 49 n 1 p 539-
551 2010
ZAIA A et al MR imaging and osteoporosis fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute
IEEE Trans Inf Technol Biomed v 10 n 3 p 484-489 2006
ZHANG F et al Cell response of titanium implant with a roughened surface containing
titanium hydride an in vitro study J Oral Maxillofac Surg v 68 n 5 p 1131-1139 2010
28
APEcircNDICE
Artigo submetido agrave publicaccedilatildeo na revista
Fractal measure and microscopic modeling of osseointegration
Leonardo Cavalcanti Bezerra dos Santos1 Alessandra de Albuquerque Tavares Carvalho
1
Borko Stosic2 Tatijana Stosic
2 Paulo Jose Duarte Neto
2
1Departamento de Cliacutenica e Odontologia Preventiva Universidade Federal de Pernambuco
Quarta Travessa Artur de Saacute sn Cidade Universitaacuteria 50670-901 Recife PE Brazil
2Departamento de Estatiacutestica e Informaacutetica Universidade Federal Rural de Pernambuco
Rua Dom Manoel de Medeiros sn Dois Irmatildeos 52171-900 Recife PE Brazil
Abstract
In this work the process of osseointegration on titanium implant surfaces with
different physicochemical treatment subjected to a simulated corporal fluid
submersion is evaluated using the concept of fractal dimension It is found that
different treatments lead to rather different calcium phosphate crystal growth
patterns with fractal dimension ranging from Df=168 to Df=193 The
observed crystal patterns may be explained by a general deposition- diffusion-
aggregation growth mechanism where diffusing particle sticking probability
plays a fundamental role
Key words dental implants osseointegration fractal dimension
Introduction
Practical techniques enhancing implant osseointegration represent a fundamental
research topic not only in dentistry but also in other diverse areas of medicine and veterinary
sciences where bone implants or bone restoration is applied [1-3] While great advances in
this direction have undoubtedly been made over the past decades the full understanding is
still lacking on the effects of different implant surface physicochemical treatments as well as
on the microscopic mechanisms of the posterior osseointegration process [4]
Fractal dimension is a novel concept that has been increasingly employed in diverse
areas of knowledge for quantifying the complexity of natural phenomena ranging from
coastlines [5] and shape of volcanic ash particles [6] bronchial tree [7] and neurons [8]
Fractals are in fact commonly found in nature being characterized by scale invariance and
29
self-similarity During the last decades fractal analysis was used in studying diverse
phenomena in physiology and medicine including pulmonary emphysema [9] osteoporoses
[10] retinal blood vessels [11] and heart rate [12] The potential of fractal analysis was also
explored in dentistry [1314] Recently fractal dimension was used to quantify the surface
roughness of dental implants and shown to be promising to differentiate between topological
properties of dental implant surfaces obtained with different treatments [151617]
In this work we follow up on recent studies [15-17] as to how one may employ fractal
analysis to assess roughness organization of implant surface topology Rather than
concentrating on the implant surface properties subject to different physicochemical treatment
processes [15] here we put the emphasis on the results of simulated body fluid submersion
representing a step forward in understanding of implant osseointegration
Materials and Methods
Machined titanium implant samples were first subjected to different combinations of
a) sand blasting with aluminum oxide b) treatment with hydrofluoric acid and c) treatment
with calcium phosphate [18] after which they were submersed in a simulated body fluid [19]
for thirty days Magnified images of these samples were then acquired through scanning
electron microscopy as shown in Fig1 and subjected to image analysis
As opposed to fractal analysis performed in [15] to find the fractal dimension here we
only binarize the images as shown in Fig2 without skeletonization since we are interested in
crystal formation and it was found that skeletonization introduces artefacts (local networks of
lines) not apparent in the original crystal structure There are various methods for fractal
dimension calculation among which the box-counting method is perhaps the most widely
used because of its simplicity and robustness [20] It proceeds as follows Cover the structure
with a grid of size r and count the number of nonempty grid boxes )(rn Repeat this
procedure for different grid size for fractal self-similar structures 0~)(D
rrn
Box-counting
dimension is defined as
)1log(
)(loglim
0 r
rnD
rf
and can be estimated as the slope of the linear regression of )(log rn versus )1log( r We
calculate fractal dimension using the box counting method implemented in the FracLac
Package of open source software ImageJ
30
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid
tre
atm
ent
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 1 Electron microscope images of samples with different treatment after
submersion in simulated body fluid
31
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid t
reat
men
t
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 2 Same images as in Fig1 after binarization
32
Results and Discussion
It is seen on Fig1 that different combinations of implant surface treatment lead to
rather different crystal pattern formation during the simulated body fluid submersion No clear
conclusions can be drawn as to the size of spatial distribution of formed crystals
corresponding to any single treatment rather it is the combinations of these procedures that
lead to specific resulting structures Large and small crystals uniformly or locally deposited
of simple or dendritic shape are found for different treatment combinations and further in
vivo studies are necessary to determine which of these provide more robust implants with
best mechanical properties
In line with the previous study [15] that has motivated the current work we calculate
the fractal dimension of binarized images shown in Fig2 with the results presented in Table
1 The obtained fractal dimension values vary between Df=168 and Df=193 indicating the
potential of this method to quantify spatial complexity of formed crystals for different implant
surface treatments It is seen from Table 1 that in general the fractal dimension of implant
surface after submersion in SBF tends to be greater in the cases of treatment with acid
(keeping the same combination of sand blasting and calcium phosphate coating) that reflects
the fact that acid etching produces micro pits on titanium surface that greatly enhance
osseointegration [4] The highest value of fractal dimension (193) is obtained for the implant
treated by sand blasting and acid etching indicating that the surface roughness produced by
this treatment results in more uniform and more space filling crystal deposits The fractal
dimension of surfaces treated only by sand blasting acid etching and calcium phosphate are
1903 1845 and 1881 respectively and they are significantly higher than the fractal
dimension of untreated surface (1687) confirming the role of implant surface chemistry and
topology in the process of osseointegration Although our results show that surface topology
of treated implants has higher fractal dimension than that of untreated implants it is still not
clear which treatment or combination of treatments produces the best surfaces for
osseointegration It is also seen from Table 1 that the fractal dimension is higher for all of the
treated surfaces in comparison with the surface without any treatments (with the smallest
fractal dimension value) which reflects the fact that all these treatments produce surface
effects that favorably influence the complexity of the final crystal structure On the other
hand there is no clear evidence as to how these values may be associated with the quality of
implants without further in vivo experiments
33
Table 1 Fractal dimension (standard deviation) of binarized images shown in Fig2
Acid treatment No acid
Calcium
phosphate
No calcium
phosphate
Calcium
phosphate
No calcium
Phosphate
Sand blasted 1859 (0014) 1930 (0015) 1693 (0011) 1903 (0014)
No sand blasting 1920 (0015) 1845 (0013) 1881 (0014) 1687 (0012)
The current study suggests that a general Deposition Difusion Aggregation (DDA)
model [21] may be used to describe crystal formation in the different scenarios covered in the
present work One may perceive that the molecules present in the solution deposit on the
implant surface and move along this surface until they reach other such molecules andor
already crystallized formations where they become incorporated into the crystal structure
The concentration of the (in the current experiment simulated corporal) fluid determines the
flux of deposition and the mobility of the molecules (and perhaps larger molecular
agglomerates) is governed by the topology (roughness) of the implant surface It is well
known [21] that the flux and mobility of aggregate particles lead to rather different deposition
patterns ranging from many uniformly distributed small DLA (Diffusion Limited
Aggregation) like crystals to large dendritic structures and the DDA model apparently
represents an excellent candidate to describe the diversity of observed crystal patterns seen
on the electron microscope images of Fig 1
Conclusion
We apply fractal analysis on binarized scanning electron microscopy images of the
surface of titanium implants that were first subjected to different treatment combinations of i)
sand blasting ii) acid etching and iii) exposition to calcium phosphate and were then
submersed in a simulated corporal fluid for thirty days The obtained fractal dimension values
vary between Df=168 to Df=193 reflecting the complexity and space filling property of the
final crystal structure characterized by large and small crystals uniformly or locally
deposited of simple or dendritic shape that were found for different treatment combinations
Further in vivo studies are necessary to determine how these values may be associated with
the quality of implants
34
References
[1] Albrektsson T Sennerby L Wennerberg A State of the art of oral implants Periodontol
2000 2008 47 15-26
[2] Wazen JJ Gupta R Ghossaini S Spitzer J Farrugia M Tjellstrom A
Osseointegration timing for Baha system loading Laryngoscope 2007 117 794-796
[3] Palmquist A Jarmar T Emanuelsson L Braringnemark R Engqvist H Thomsen P
Forearm bone-anchored amputationprosthesis a case study on the osseointegration Acta
Orthop 2008 79 78-85
[4] Le Gueacutehennec L Soueidan A Layrolle P Amouriq Y Surface treatments of titanium
dental implants for rapid osseointegration Dental Materiasl 2007 23 844-854
[5] Mandelbrot BB The Fractal Geometry of Nature New York Freeman 1983 25
[6]Dellino PLiotino G The fractal and multifractal dimension of volcanic ash particles
contour a test study on the utility and volcanological relevance Journal of Volcanology and
Geothermal Research 2002 113 1-18
[7] Majumdar A Alencar AM Buldyrev SV Hantos Z Lutchen KR Stanley HE Suki B
Relating airway diameter distributions to regular branching asymmetry in the lung Phys Rev Lett 2005 95 168101
[8] Jelinek HF Fernandez E Neurons and fractals how reliable and useful are calculations of
fractal dimensions Journal of Neuroscience Methods 1998 81 9 ndash 18
[9] Chung HW HUANG YH Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the Diagnosis
of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology 2000 174 1055-1059
[10] Zaia A Eleonori R Maponi P Rossi R Murri R MR imaging and osteoporosis
fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute IEEE Trans Inf Technol Biomed 2006 10
484-489
[11] Stosic T Stosic B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels EEE Transactions
on MIedical Imaging 2006 25 1101-1107
[12] Goldberger AL Amaral LAN Hausdorff JM Ivanov PCh Peng CK Stanley
HE Fractal dynamics in physiology Alterations with disease and aging PNAS 2002 99
2466-2472
[13] Saacutenchez I Uzcaacutetegui G Fractals in dentistry Journal of Dentistry 2011 39 273-292
[14] Updike SX Nowzari H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res 2008 43 658-664
[15] Perotti V Aprile G Degidi M Piatelli A Lezzi G Fractal analysis a novel method to
assess roughness organization of implant surface topography Int J Peridontic Restorative
Dent 2011 31 633-639
[16] Ehrenfest D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol 2011 37 506-509
35
[17] Lezzi G Aprile G Tripodi D Scarano A Piatelli A Perotti V Implant surface
topographies analyzed using fractal dimension Implant Dent 2012 20 131-138
[18] Guo CY Tang ATH Matinlinna JP Insights into surface treatment methods of titanium
dental implants Journal of Adhesion Science amp Technology 2012 26 189ndash205
[19] Kokubo T Takadama H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
Biomaterials 2006 27 2907-2915
[20] Theiller J Estimating fractal dimension J Opt Soc Am 1990 7 1055-1073
[21] P Jensen A-L Barabaacutesi H Larralde S Havlin H E Stanley Model incorporating
deposition diffusion and aggregation in submonolayer nanostructures Phys Rev E (1994)
50 618ndash621
16
24 Fractais
O termo fractal foi introduzido por Benoit Mandelbrot (MANDELBROT 1983) para
descrever geometria dos sistemas naturais formados pelos processos estocaacutesticos longe do
equiliacutebrio Como exemplos desses sistemas podem-se citar as aacutervores ramificadas linhas
costeiras nuvens poliacutemeros estruturas cardiopulmonares (rede arterial aacutervore
traqueobronquial) etc (MANDELBROT 1983 BASSINGTHWAIGHTE et al 1994) A
diferenccedila entre a geometria fractal e a geometria euclidiana eacute que fractais possuem dimensatildeo
natildeo inteira (fracionaacuteria) e propriedade de auto-similaridade (partes do objeto se assemelham ao
objeto como todo) Os exemplos citados representam fractais estocaacutesticos e possuem a
propriedade de auto-similaridade em sentido estatiacutestico dentro de um intervalo de escala onde
o limite inferior representa a dimensatildeo das componentes elementares (eg partiacuteculas) do
sistema e o limite superior representa a dimensatildeo linear do sistema Durante ultimas deacutecadas o
conceito fractal foi amplamente utilizado para descrever a complexidade dos sistemas
fisioloacutegicos tanto na analise das imagens medicas quanto na analise dos sinais fisioloacutegicos e
mostrou se eficiente em diferenciaccedilatildeo entre os casos saudaacuteveis e patoloacutegicos Os exemplos
incluem osteoporoses (ZAIA et al 2006) enfisema pulmonar (CHUNG e HUANG 2000)
doenccedilas degenerativas neuroloacutegicas (WU et al 2010) alteraccedilotildees em vascularizaccedilatildeo da retina
(STOSIC 2006) doenccedilas cardiovasculares (IVANOV et al 1999) entre outros
O potencial da analise fractal tambeacutem foi explorado na odontologia (SAacuteNCHEZ e
UZCAacuteTEGUI 2011 UPDIKE e NOWZARI 2008) Nos uacuteltimos anos a dimensatildeo fractal foi
utilizada para descrever a rugosidade da superfiacutecie do implante sendo uacutetil para quantificaccedilatildeo
das diferenccedilas entre as superfiacutecies dos implantes obtidas utilizando diversos tratamentos
(PEROTTI et al 2011 LEZZI et al 2012 EHRENFEST et al 2011)
17
3 MATERIAL E MEacuteTODO
Este estudo foi planejado uma anaacutelise multifatorial tendo como objetivo analisar
diferentes tratamentos da superfiacutecie de implante em relaccedilatildeo agrave deposiccedilatildeo de Hidroxiapatita que
eacute considerado um fator relevante pela literatura especializada
31 Modelo experimental
Foi desenvolvido um modelo ldquoin vitrordquo utilizando simulador de fluiacutedos corpoacutereos onde
as amostras foram submergidas por 30 dias e em seguida analisadas por microscopia eletrocircnica
32 Preparos dos Corpos de Provas
O titacircnio foi adquirido atraveacutes da Empresa Tinbrazil barras medindo 6 mm de
diacircmetro por 1 metro de comprimento com laudo de certificaccedilatildeo emitido pela importadora
acima Como sendo titacircnio grau II Ti-6Al-4V conforme a ASTM usados na fabricaccedilatildeo de
implantes dentaacuterios
33 Usinagem
Foi utilizado torno computadorizado marca ROMI com ferramentas de corte
fabricadas em ceracircmica no Departamento de Engenharia Mecacircnica da Universidade Federal
de Pernambuco A vareta foi reduzida em 86 discos medindo 5 mm de diacircmetro e 2 mm de
altura As amostras foram levadas para tratamento de superfiacutecie no laboratoacuterio de
Farmacognosia do Departamento de Ciecircncias Farmacecircuticas da UFPE
34 Limpeza das amostras
As amostras foram lavadas com hexano por 10 minutos em ultrassom O solvente foi
desprezado em recipiente apropriado As amostras foram colocadas em um Becker de vidro
colocados em estufa a 80ordm C por 10 minutos
35 Divisatildeo dos grupos
Os grupos foram divididos seguindo o Planejamento Fatorial de 23
satildeo apresentados na
Tabela 1
18
Tabela 1 ndash Organizaccedilatildeo dos grupos
Jateamento Ataque aacutecido Fosfato de caacutelcio
Grupo A Sim Sim Sim
Grupo B Natildeo Natildeo Natildeo
Grupo C Sim Natildeo Sim
Grupo D Sim Sim Natildeo
Grupo E Natildeo Natildeo Sim
Grupo F Natildeo Sim Natildeo
Grupo G Natildeo Sim Sim
Grupo H Sim Natildeo Natildeo
36 Tratamentos das superfiacutecies
361 Jateamento com Oacutexido de Alumiacutenio
Foi realizado utilizando oacutexido de alumiacutenio com granulaccedilatildeo meacutedia agrave 80 libras com o
jato direcionado a superfiacutecies dos discos por 10 segundos em cada lado
362 Ataque aacutecido
A segunda etapa foi o ataque aacutecido cuja composiccedilatildeo foi aacutecido cloriacutedrico 59 + 1
de aacutecido fluoriacutedrico e 40 de aacutegua destilada acondicionado em recipiente de polietileno ateacute
momento do uso Em um Becker de 50 ml foram colocados 20 ml do aacutecido por um (01)
minuto
363 Fosfato de Caacutelcio
Foi desenvolvida uma pasta contendo proporccedilatildeo de 13 de aacutegua e fosfato de caacutelcio
terciaacuterio No final da segunda etapa o excesso de aacutecido eacute desprezado e a pasta eacute adicionada ao
Becker onde permanece no ultrassom por 20 minutos Apoacutes a lavagem o material foi
colocado em recipiente de vidro seco em estufa a 40 C por 1 hora armazenados em tubos
tipo Ependorf e encaminhados para as anaacutelises
37 Preparaccedilatildeo do Simulador de Fluiacutedos Corpoacutereos (SBF)
Foi preparado conforme meacutetodo de Kokubo e Takadama (2006) no laboratoacuterio de
Farmacognosia Departamento de Ciecircncias Farmacecircuticas da UFPE
19
Tabela 2 - Composiccedilatildeo quiacutemica do SBF proposta por Kokubo e Takadama (2006)
Reagentes Quantidade Pureza
NaCl 8055 g 995
NaHCO3 0355 g 995
Kcl 0225 g 995
K2PO4 3H2O 0231 g 990
MgCl2 6H2O 0311 g 980
10 M- HCl 39 ml -----------
CaCl2 0292 g 950
NaSO4 0072 g 990
Tris 6118 g 990
10 M HCl 0-5ml ------------ Hidroximetil aminometano
38 Meacutetodos de Avaliaccedilatildeo
381 Microscopia Eletrocircnica de Varredura (MEV)
Para analise da superfiacutecie das amostras foi utilizada microcopia eletrocircnica de varredura
(MEV) JEOL 5600 LV (Japan) voltagem de 10 kV do Departamento de Fiacutesica da UFPE
Foram analisadas em arquivos digitais trecircs campos visuais diferentes para cada disco
Para cada grupo foram avaliados 3 discos totalizando nove aacutereas por grupo Em cada campo
foram obtidas imagens de 200x 1000x e 15000x para anaacutelises comparativas
382 Dimensatildeo Fractal
Existem vaacuterios meacutetodos para o caacutelculo de dimensatildeo fractal como contagem de caixas
(ldquobox countingrdquo) meacutetodo massa-raio (ldquomass-radius methodrdquo) e meacutetodo de correlaccedilatildeo
densidade-densidade (ldquodensity-density correlation function methodrdquo) O meacutetodo contagem de
caixas eacute mais utilizado e consiste em cobrir a estrutura com uma grade de caixas com arestas
de tamanho l e contar o nuacutemero N(l) de caixas que conteacutem pelo menos uma partiacutecula do
sistema Reduz-se sucessivamente o tamanho das caixas e mede-se para cada tamanho o
numero de caixas N(l) nos quais existe pelo menos um ponto do sistema A dimensatildeo fractal eacute
definida pela equaccedilatildeo
de onde segue
Assim traccedila-se um graacutefico do logaritmo de N(l) em funccedilatildeo do logaritmo de 1l e determina-se
a dimensatildeo fractal pela inclinaccedilatildeo do graacutefico (BASSINGTHWAIGHTHE et al 1994)
fDllN
~)(
)1log(~)(log lDlN f
20
4 RESULTADOS E DISCUSSAtildeO
A Figura 3 mostra os cristais formados depois submersatildeo dos implantes em Simulador
de Fluiacutedos Corpoacutereos (SBF) por 30 dias obtidas com auxilio da Microscopia Eletrocircnica de
Varredura Observam-se as formas diferentes dos cristais (cristais grandes ou pequenos
distribuiacutedos uniformemente ou agrupados simples ou ramificados) para diferentes
tratamentos da superfiacutecie dos implantes A forma e a distribuiccedilatildeo espacial dos cristais
formados por SBF refletem o processo de osseointegraccedilatildeo e indicam que uma analise das
propriedades geomeacutetricas destas estruturas para vaacuterios tipos de tratamento da superfiacutecie dos
implantes poderia providenciar informaccedilotildees importantes para avaliaccedilatildeo da qualidade do
implante
A dimensatildeo fractal das imagens dos cristais formados por SBF nas superfiacutecies dos
implantes foi calculada para diferentes tratamentos da superfiacutecie As imagens da Figura 3
foram binarizadas como apresentado na Figura 4 e em seguida a dimensatildeo fractal foi
calculada utilizando o pacote FracLac do software gratuito ImageJ com meacutetodo ldquoBox
countingrdquo Os resultados destes caacutelculos satildeo apresentados na Tabela 3
21
Com jateamento Sem jateamento
Com
ata
que
aacutecid
o
Com
fosf
ato d
e caacute
lcio
S
em f
osf
ato d
e caacute
lcio
Sem
ata
que
aacutecid
o
Com
fosf
ato d
e caacute
lcio
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
Figura 3 Imagens das formaccedilotildees cristalinas nas superfiacutecies das amostras A-H
22
Figura 4 Imagens binarizadas das formaccedilotildees cristalinas nas superfiacutecies das
amostras A-H
Com jateamento
Sem jateamento
Com
ata
que
aacutecid
o
C
om
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
ata
que
aacutecid
o
C
om
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
23
Tabela 3 Dimensatildeo Fractal (desvio padratildeo) das imagens binarizadas apresentadas na Fig 4
Com aacutecido Sem aacutecido
Com fosfato
de caacutelcio
Sem fosfato
de caacutelcio
Com fosfato
de caacutelcio
Sem fosfato
de caacutelcio
Com jateamento 1859 (0014) 1930 (0015) 1693 (0011) 1903 (0014)
Sem jateamento 1920 (0015) 1845 (0013) 1881 (0014) 1687 (0012)
Na Tabela 3 observa-se a maior dimensatildeo fractal dos cristais formados na superfiacutecie
dos implantes tratados com aacutecido do que em tratamentos sem aacutecido indicando maior
preenchimento espacial dos cristais Este resultado pode ser explicado pelo fato que o
tratamento com acido produz uma superfiacutecie de maior rugosidade aumentando a aacuterea de
contato que pode causar uma deposiccedilatildeo maior e mais uniforme As superfiacutecies apenas
maquinadas que natildeo receberam nenhum tratamento tambeacutem apresentaram as formaccedilotildees de
cristais apoacutes imersatildeo no SBF por 30 dias poreacutem em quantidades aparentemente menores
resultando em menor dimensatildeo fractal (1687) do que para as superfiacutecies com tratamentos
diferentes
24
5 CONCLUSAtildeO
A dimensatildeo fractal das imagens dos implantes de titacircnio submetidos agraves diferentes
combinaccedilotildees dos tratamentos da superfiacutecie e submersos em Simulador de Fluiacutedos Corpoacutereos
por 30 dias varia entre Df=168 ate Df=193 refletindo a complexidade da formaccedilatildeo cristal
caracterizada por pequenos ou grandes cristais depositados localmente ou de forma uniforme
com geometria simples ou dendritica dependendo da combinaccedilatildeo dos tratamentos A menor
dimensatildeo fractal de Df=168 foi obtida para amostras sem tratamento nenhum enquanto a
maior dimensatildeo fractal de Df=193 foi obtida para amostras com jateamento e ataque aacutecido
(sem fosfato de caacutelcio) Ataque aacutecido foi identificado como uacutenico dos tratamentos que leva
sistematicamente ao aumento da dimensatildeo cristal enquanto o tamanho e a distribuiccedilatildeo
espacial dos cristais formados demonstram grande diversidade sem aparente dependecircncia em
nenhum dos tratamentos Estudos sistemaacuteticos ldquoin vivordquo satildeo necessaacuterios para estabelecer
quais combinaccedilotildees destes tratamentos de superfiacutecie geram implantes mais biologicamente
estaacuteveis e mecanicamente robustos e como estas propriedades podem ser associadas com a
dimensatildeo fractal dos cristais depositados
25
REFEREcircNCIAS
BARROS NETO B SCHARMINIO I E BRUNS R E Como Fazer experimentos
Pesquisa e desenvolvimento na ciecircncia e na Induacutestria 2 ed- Campinas-SP Editora
Unicamp 2003
BASSINTHWAITGHT JB LIEBOVITCH LS BRUCE JW Fractal physiology New
York Oxford American Physiological Society 1994
BRAringNEMARK R et al Bone response to laser-induced micro- and nano-size titanium
surface features Nanomedicine v 7 n 2 p 220-227 2011
BRAringNEMARK PI et al Osseointegreated implants in the treatment of edentulous jaw
Experience from a 10- year period Scand J Plast Reconst Surg Suppl v 16 p 1-132
1977
CARNEIRO-CAMPOS LE et al The effect of titanium topography features on mesenchymal
human stromal cells adhesion Clin Oral Implants Res v 21 n 2 p 251-254 2010
CHUNG H-W HUANG Y-H Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the
Diagnosis of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology v 174 p
1055-1059 2000
EHRENFEST D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol v 37 p 506-509 2011
GAO L et al MicroNanostructural Porous Surface on Titanium and Bioactivity J Biomed
Mater Res Part B Appl Biomater v 89B n 2 p 335ndash341 2009
GOUVEIA DS Obtenccedilatildeo de poacutes nanomeacutetricos de hidroxiapatita sintetizados com
magneacutesio utilizando ultra-som Tese Instituto de Pesquisas Energeacuteticas e Nucleares S
Paulo 2008
HAMLET S et al The effect of hydrophilic titanium surface modification on macrophage
inflammatory cytokine gene expression Clin Oral Implants Res v 23 n 5 p 584-90
2012
IVANOV PCH et al Multifractality in Human Heartbeat Dynamics Nature v 399 p
461-465 1999
KAumlMMERER PW et al Early implant healing promotion of platelet activation and
cytokine release by topographical chemical and biomimetical titanium surface modifications
in vitro Clin Oral Implants Res v 23 n4 p 504-10 2012
26
KOKUBO TTAKADAMA H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
BIOMATERIALS v 27 n 15 p 2907-2915 2006
LEZZIG et al Implant surface topographies analyzed using fractal dimension Implant
Dent v 20 p 131-138 2012
MANDELBROT BB How long is the coast of Britain Statistical self-similarity and
fractional dimension Science 156 1967 636-638
MANDELBROT BB The Fractal Geometry of Nature New York 1983
MARQUES C Tratamento de superfiacutecies de implantes de titacircnio Dissertaccedilatildeo de
Mestrado apresentada ao Curso de Mestrado em Ciecircncia dos Materiais do Instituto Militar de
Engenharia (IME) 2007
MISCH CE Misch bone density classification In Misch CE ed Contemporary Implant
Densitry 113-114 St Luis Mosby Inc 2009
NOVAES ABJR et al Influence of Implant Surfaces on Osseointegration Braz Dent J v
21 n 6 p 471-481 2010
ORSINI E et al Early Healing Events around Titanium Implant Devices with Different
Surface Microtopography A Pilot Study in an In Vivo Rabbit Model The Scientific World
Journal 349042 2012
PARK S et al The Effect of Fluoride Treatment on Titanium Treated with Anodic Spark
Oxidation Metals and Materials International v 13 n 2 p 117-122 2007
PERROTTI V et al Fractal Analysis A Novel Method to Assess Roughness Organization of
Implant Surface Topography International Journal of Periodontics amp Restorative
Dentistry v 31 n 6 p 633-639 2011
SAacuteNCHEZ I UZCAacuteTEGUI G Fractals in dentistry Journal of Dentistry v 39 n 4 p
273-292 2011
STOSIC T STOSIC B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels IEEE
Transactions on Medical Imaging v 25 p 1101-1107 2006
SULTANA R et al Effects of heat treatment on the bioactivity of surface-modified titanium
in calcium solution Biomed Mater Eng v 19 n 2 p 193-204 2009
TAPASH RR NARAYANAN R KIM K-H Ion implantation of titanium based
biomaterials Progress in Materials Science v 56 n 8 p 1137-1177 2011
27
UPDIKE SX NOWZARI H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res v 43 n 6 p 658-664 2008
WENNERBERG A ALBREKTSSON T Effects of titanium surface topography on bone
integration a systematic review Clin Oral Implants Res v 20 n 4 p 172-84 2009
WUY-T et al Fractal dimension analysis for quantifying cerebellar morphological change
of multiple system atrophy of the cerebellar type (MSA-C) NeuroImage v 49 n 1 p 539-
551 2010
ZAIA A et al MR imaging and osteoporosis fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute
IEEE Trans Inf Technol Biomed v 10 n 3 p 484-489 2006
ZHANG F et al Cell response of titanium implant with a roughened surface containing
titanium hydride an in vitro study J Oral Maxillofac Surg v 68 n 5 p 1131-1139 2010
28
APEcircNDICE
Artigo submetido agrave publicaccedilatildeo na revista
Fractal measure and microscopic modeling of osseointegration
Leonardo Cavalcanti Bezerra dos Santos1 Alessandra de Albuquerque Tavares Carvalho
1
Borko Stosic2 Tatijana Stosic
2 Paulo Jose Duarte Neto
2
1Departamento de Cliacutenica e Odontologia Preventiva Universidade Federal de Pernambuco
Quarta Travessa Artur de Saacute sn Cidade Universitaacuteria 50670-901 Recife PE Brazil
2Departamento de Estatiacutestica e Informaacutetica Universidade Federal Rural de Pernambuco
Rua Dom Manoel de Medeiros sn Dois Irmatildeos 52171-900 Recife PE Brazil
Abstract
In this work the process of osseointegration on titanium implant surfaces with
different physicochemical treatment subjected to a simulated corporal fluid
submersion is evaluated using the concept of fractal dimension It is found that
different treatments lead to rather different calcium phosphate crystal growth
patterns with fractal dimension ranging from Df=168 to Df=193 The
observed crystal patterns may be explained by a general deposition- diffusion-
aggregation growth mechanism where diffusing particle sticking probability
plays a fundamental role
Key words dental implants osseointegration fractal dimension
Introduction
Practical techniques enhancing implant osseointegration represent a fundamental
research topic not only in dentistry but also in other diverse areas of medicine and veterinary
sciences where bone implants or bone restoration is applied [1-3] While great advances in
this direction have undoubtedly been made over the past decades the full understanding is
still lacking on the effects of different implant surface physicochemical treatments as well as
on the microscopic mechanisms of the posterior osseointegration process [4]
Fractal dimension is a novel concept that has been increasingly employed in diverse
areas of knowledge for quantifying the complexity of natural phenomena ranging from
coastlines [5] and shape of volcanic ash particles [6] bronchial tree [7] and neurons [8]
Fractals are in fact commonly found in nature being characterized by scale invariance and
29
self-similarity During the last decades fractal analysis was used in studying diverse
phenomena in physiology and medicine including pulmonary emphysema [9] osteoporoses
[10] retinal blood vessels [11] and heart rate [12] The potential of fractal analysis was also
explored in dentistry [1314] Recently fractal dimension was used to quantify the surface
roughness of dental implants and shown to be promising to differentiate between topological
properties of dental implant surfaces obtained with different treatments [151617]
In this work we follow up on recent studies [15-17] as to how one may employ fractal
analysis to assess roughness organization of implant surface topology Rather than
concentrating on the implant surface properties subject to different physicochemical treatment
processes [15] here we put the emphasis on the results of simulated body fluid submersion
representing a step forward in understanding of implant osseointegration
Materials and Methods
Machined titanium implant samples were first subjected to different combinations of
a) sand blasting with aluminum oxide b) treatment with hydrofluoric acid and c) treatment
with calcium phosphate [18] after which they were submersed in a simulated body fluid [19]
for thirty days Magnified images of these samples were then acquired through scanning
electron microscopy as shown in Fig1 and subjected to image analysis
As opposed to fractal analysis performed in [15] to find the fractal dimension here we
only binarize the images as shown in Fig2 without skeletonization since we are interested in
crystal formation and it was found that skeletonization introduces artefacts (local networks of
lines) not apparent in the original crystal structure There are various methods for fractal
dimension calculation among which the box-counting method is perhaps the most widely
used because of its simplicity and robustness [20] It proceeds as follows Cover the structure
with a grid of size r and count the number of nonempty grid boxes )(rn Repeat this
procedure for different grid size for fractal self-similar structures 0~)(D
rrn
Box-counting
dimension is defined as
)1log(
)(loglim
0 r
rnD
rf
and can be estimated as the slope of the linear regression of )(log rn versus )1log( r We
calculate fractal dimension using the box counting method implemented in the FracLac
Package of open source software ImageJ
30
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid
tre
atm
ent
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 1 Electron microscope images of samples with different treatment after
submersion in simulated body fluid
31
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid t
reat
men
t
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 2 Same images as in Fig1 after binarization
32
Results and Discussion
It is seen on Fig1 that different combinations of implant surface treatment lead to
rather different crystal pattern formation during the simulated body fluid submersion No clear
conclusions can be drawn as to the size of spatial distribution of formed crystals
corresponding to any single treatment rather it is the combinations of these procedures that
lead to specific resulting structures Large and small crystals uniformly or locally deposited
of simple or dendritic shape are found for different treatment combinations and further in
vivo studies are necessary to determine which of these provide more robust implants with
best mechanical properties
In line with the previous study [15] that has motivated the current work we calculate
the fractal dimension of binarized images shown in Fig2 with the results presented in Table
1 The obtained fractal dimension values vary between Df=168 and Df=193 indicating the
potential of this method to quantify spatial complexity of formed crystals for different implant
surface treatments It is seen from Table 1 that in general the fractal dimension of implant
surface after submersion in SBF tends to be greater in the cases of treatment with acid
(keeping the same combination of sand blasting and calcium phosphate coating) that reflects
the fact that acid etching produces micro pits on titanium surface that greatly enhance
osseointegration [4] The highest value of fractal dimension (193) is obtained for the implant
treated by sand blasting and acid etching indicating that the surface roughness produced by
this treatment results in more uniform and more space filling crystal deposits The fractal
dimension of surfaces treated only by sand blasting acid etching and calcium phosphate are
1903 1845 and 1881 respectively and they are significantly higher than the fractal
dimension of untreated surface (1687) confirming the role of implant surface chemistry and
topology in the process of osseointegration Although our results show that surface topology
of treated implants has higher fractal dimension than that of untreated implants it is still not
clear which treatment or combination of treatments produces the best surfaces for
osseointegration It is also seen from Table 1 that the fractal dimension is higher for all of the
treated surfaces in comparison with the surface without any treatments (with the smallest
fractal dimension value) which reflects the fact that all these treatments produce surface
effects that favorably influence the complexity of the final crystal structure On the other
hand there is no clear evidence as to how these values may be associated with the quality of
implants without further in vivo experiments
33
Table 1 Fractal dimension (standard deviation) of binarized images shown in Fig2
Acid treatment No acid
Calcium
phosphate
No calcium
phosphate
Calcium
phosphate
No calcium
Phosphate
Sand blasted 1859 (0014) 1930 (0015) 1693 (0011) 1903 (0014)
No sand blasting 1920 (0015) 1845 (0013) 1881 (0014) 1687 (0012)
The current study suggests that a general Deposition Difusion Aggregation (DDA)
model [21] may be used to describe crystal formation in the different scenarios covered in the
present work One may perceive that the molecules present in the solution deposit on the
implant surface and move along this surface until they reach other such molecules andor
already crystallized formations where they become incorporated into the crystal structure
The concentration of the (in the current experiment simulated corporal) fluid determines the
flux of deposition and the mobility of the molecules (and perhaps larger molecular
agglomerates) is governed by the topology (roughness) of the implant surface It is well
known [21] that the flux and mobility of aggregate particles lead to rather different deposition
patterns ranging from many uniformly distributed small DLA (Diffusion Limited
Aggregation) like crystals to large dendritic structures and the DDA model apparently
represents an excellent candidate to describe the diversity of observed crystal patterns seen
on the electron microscope images of Fig 1
Conclusion
We apply fractal analysis on binarized scanning electron microscopy images of the
surface of titanium implants that were first subjected to different treatment combinations of i)
sand blasting ii) acid etching and iii) exposition to calcium phosphate and were then
submersed in a simulated corporal fluid for thirty days The obtained fractal dimension values
vary between Df=168 to Df=193 reflecting the complexity and space filling property of the
final crystal structure characterized by large and small crystals uniformly or locally
deposited of simple or dendritic shape that were found for different treatment combinations
Further in vivo studies are necessary to determine how these values may be associated with
the quality of implants
34
References
[1] Albrektsson T Sennerby L Wennerberg A State of the art of oral implants Periodontol
2000 2008 47 15-26
[2] Wazen JJ Gupta R Ghossaini S Spitzer J Farrugia M Tjellstrom A
Osseointegration timing for Baha system loading Laryngoscope 2007 117 794-796
[3] Palmquist A Jarmar T Emanuelsson L Braringnemark R Engqvist H Thomsen P
Forearm bone-anchored amputationprosthesis a case study on the osseointegration Acta
Orthop 2008 79 78-85
[4] Le Gueacutehennec L Soueidan A Layrolle P Amouriq Y Surface treatments of titanium
dental implants for rapid osseointegration Dental Materiasl 2007 23 844-854
[5] Mandelbrot BB The Fractal Geometry of Nature New York Freeman 1983 25
[6]Dellino PLiotino G The fractal and multifractal dimension of volcanic ash particles
contour a test study on the utility and volcanological relevance Journal of Volcanology and
Geothermal Research 2002 113 1-18
[7] Majumdar A Alencar AM Buldyrev SV Hantos Z Lutchen KR Stanley HE Suki B
Relating airway diameter distributions to regular branching asymmetry in the lung Phys Rev Lett 2005 95 168101
[8] Jelinek HF Fernandez E Neurons and fractals how reliable and useful are calculations of
fractal dimensions Journal of Neuroscience Methods 1998 81 9 ndash 18
[9] Chung HW HUANG YH Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the Diagnosis
of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology 2000 174 1055-1059
[10] Zaia A Eleonori R Maponi P Rossi R Murri R MR imaging and osteoporosis
fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute IEEE Trans Inf Technol Biomed 2006 10
484-489
[11] Stosic T Stosic B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels EEE Transactions
on MIedical Imaging 2006 25 1101-1107
[12] Goldberger AL Amaral LAN Hausdorff JM Ivanov PCh Peng CK Stanley
HE Fractal dynamics in physiology Alterations with disease and aging PNAS 2002 99
2466-2472
[13] Saacutenchez I Uzcaacutetegui G Fractals in dentistry Journal of Dentistry 2011 39 273-292
[14] Updike SX Nowzari H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res 2008 43 658-664
[15] Perotti V Aprile G Degidi M Piatelli A Lezzi G Fractal analysis a novel method to
assess roughness organization of implant surface topography Int J Peridontic Restorative
Dent 2011 31 633-639
[16] Ehrenfest D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol 2011 37 506-509
35
[17] Lezzi G Aprile G Tripodi D Scarano A Piatelli A Perotti V Implant surface
topographies analyzed using fractal dimension Implant Dent 2012 20 131-138
[18] Guo CY Tang ATH Matinlinna JP Insights into surface treatment methods of titanium
dental implants Journal of Adhesion Science amp Technology 2012 26 189ndash205
[19] Kokubo T Takadama H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
Biomaterials 2006 27 2907-2915
[20] Theiller J Estimating fractal dimension J Opt Soc Am 1990 7 1055-1073
[21] P Jensen A-L Barabaacutesi H Larralde S Havlin H E Stanley Model incorporating
deposition diffusion and aggregation in submonolayer nanostructures Phys Rev E (1994)
50 618ndash621
17
3 MATERIAL E MEacuteTODO
Este estudo foi planejado uma anaacutelise multifatorial tendo como objetivo analisar
diferentes tratamentos da superfiacutecie de implante em relaccedilatildeo agrave deposiccedilatildeo de Hidroxiapatita que
eacute considerado um fator relevante pela literatura especializada
31 Modelo experimental
Foi desenvolvido um modelo ldquoin vitrordquo utilizando simulador de fluiacutedos corpoacutereos onde
as amostras foram submergidas por 30 dias e em seguida analisadas por microscopia eletrocircnica
32 Preparos dos Corpos de Provas
O titacircnio foi adquirido atraveacutes da Empresa Tinbrazil barras medindo 6 mm de
diacircmetro por 1 metro de comprimento com laudo de certificaccedilatildeo emitido pela importadora
acima Como sendo titacircnio grau II Ti-6Al-4V conforme a ASTM usados na fabricaccedilatildeo de
implantes dentaacuterios
33 Usinagem
Foi utilizado torno computadorizado marca ROMI com ferramentas de corte
fabricadas em ceracircmica no Departamento de Engenharia Mecacircnica da Universidade Federal
de Pernambuco A vareta foi reduzida em 86 discos medindo 5 mm de diacircmetro e 2 mm de
altura As amostras foram levadas para tratamento de superfiacutecie no laboratoacuterio de
Farmacognosia do Departamento de Ciecircncias Farmacecircuticas da UFPE
34 Limpeza das amostras
As amostras foram lavadas com hexano por 10 minutos em ultrassom O solvente foi
desprezado em recipiente apropriado As amostras foram colocadas em um Becker de vidro
colocados em estufa a 80ordm C por 10 minutos
35 Divisatildeo dos grupos
Os grupos foram divididos seguindo o Planejamento Fatorial de 23
satildeo apresentados na
Tabela 1
18
Tabela 1 ndash Organizaccedilatildeo dos grupos
Jateamento Ataque aacutecido Fosfato de caacutelcio
Grupo A Sim Sim Sim
Grupo B Natildeo Natildeo Natildeo
Grupo C Sim Natildeo Sim
Grupo D Sim Sim Natildeo
Grupo E Natildeo Natildeo Sim
Grupo F Natildeo Sim Natildeo
Grupo G Natildeo Sim Sim
Grupo H Sim Natildeo Natildeo
36 Tratamentos das superfiacutecies
361 Jateamento com Oacutexido de Alumiacutenio
Foi realizado utilizando oacutexido de alumiacutenio com granulaccedilatildeo meacutedia agrave 80 libras com o
jato direcionado a superfiacutecies dos discos por 10 segundos em cada lado
362 Ataque aacutecido
A segunda etapa foi o ataque aacutecido cuja composiccedilatildeo foi aacutecido cloriacutedrico 59 + 1
de aacutecido fluoriacutedrico e 40 de aacutegua destilada acondicionado em recipiente de polietileno ateacute
momento do uso Em um Becker de 50 ml foram colocados 20 ml do aacutecido por um (01)
minuto
363 Fosfato de Caacutelcio
Foi desenvolvida uma pasta contendo proporccedilatildeo de 13 de aacutegua e fosfato de caacutelcio
terciaacuterio No final da segunda etapa o excesso de aacutecido eacute desprezado e a pasta eacute adicionada ao
Becker onde permanece no ultrassom por 20 minutos Apoacutes a lavagem o material foi
colocado em recipiente de vidro seco em estufa a 40 C por 1 hora armazenados em tubos
tipo Ependorf e encaminhados para as anaacutelises
37 Preparaccedilatildeo do Simulador de Fluiacutedos Corpoacutereos (SBF)
Foi preparado conforme meacutetodo de Kokubo e Takadama (2006) no laboratoacuterio de
Farmacognosia Departamento de Ciecircncias Farmacecircuticas da UFPE
19
Tabela 2 - Composiccedilatildeo quiacutemica do SBF proposta por Kokubo e Takadama (2006)
Reagentes Quantidade Pureza
NaCl 8055 g 995
NaHCO3 0355 g 995
Kcl 0225 g 995
K2PO4 3H2O 0231 g 990
MgCl2 6H2O 0311 g 980
10 M- HCl 39 ml -----------
CaCl2 0292 g 950
NaSO4 0072 g 990
Tris 6118 g 990
10 M HCl 0-5ml ------------ Hidroximetil aminometano
38 Meacutetodos de Avaliaccedilatildeo
381 Microscopia Eletrocircnica de Varredura (MEV)
Para analise da superfiacutecie das amostras foi utilizada microcopia eletrocircnica de varredura
(MEV) JEOL 5600 LV (Japan) voltagem de 10 kV do Departamento de Fiacutesica da UFPE
Foram analisadas em arquivos digitais trecircs campos visuais diferentes para cada disco
Para cada grupo foram avaliados 3 discos totalizando nove aacutereas por grupo Em cada campo
foram obtidas imagens de 200x 1000x e 15000x para anaacutelises comparativas
382 Dimensatildeo Fractal
Existem vaacuterios meacutetodos para o caacutelculo de dimensatildeo fractal como contagem de caixas
(ldquobox countingrdquo) meacutetodo massa-raio (ldquomass-radius methodrdquo) e meacutetodo de correlaccedilatildeo
densidade-densidade (ldquodensity-density correlation function methodrdquo) O meacutetodo contagem de
caixas eacute mais utilizado e consiste em cobrir a estrutura com uma grade de caixas com arestas
de tamanho l e contar o nuacutemero N(l) de caixas que conteacutem pelo menos uma partiacutecula do
sistema Reduz-se sucessivamente o tamanho das caixas e mede-se para cada tamanho o
numero de caixas N(l) nos quais existe pelo menos um ponto do sistema A dimensatildeo fractal eacute
definida pela equaccedilatildeo
de onde segue
Assim traccedila-se um graacutefico do logaritmo de N(l) em funccedilatildeo do logaritmo de 1l e determina-se
a dimensatildeo fractal pela inclinaccedilatildeo do graacutefico (BASSINGTHWAIGHTHE et al 1994)
fDllN
~)(
)1log(~)(log lDlN f
20
4 RESULTADOS E DISCUSSAtildeO
A Figura 3 mostra os cristais formados depois submersatildeo dos implantes em Simulador
de Fluiacutedos Corpoacutereos (SBF) por 30 dias obtidas com auxilio da Microscopia Eletrocircnica de
Varredura Observam-se as formas diferentes dos cristais (cristais grandes ou pequenos
distribuiacutedos uniformemente ou agrupados simples ou ramificados) para diferentes
tratamentos da superfiacutecie dos implantes A forma e a distribuiccedilatildeo espacial dos cristais
formados por SBF refletem o processo de osseointegraccedilatildeo e indicam que uma analise das
propriedades geomeacutetricas destas estruturas para vaacuterios tipos de tratamento da superfiacutecie dos
implantes poderia providenciar informaccedilotildees importantes para avaliaccedilatildeo da qualidade do
implante
A dimensatildeo fractal das imagens dos cristais formados por SBF nas superfiacutecies dos
implantes foi calculada para diferentes tratamentos da superfiacutecie As imagens da Figura 3
foram binarizadas como apresentado na Figura 4 e em seguida a dimensatildeo fractal foi
calculada utilizando o pacote FracLac do software gratuito ImageJ com meacutetodo ldquoBox
countingrdquo Os resultados destes caacutelculos satildeo apresentados na Tabela 3
21
Com jateamento Sem jateamento
Com
ata
que
aacutecid
o
Com
fosf
ato d
e caacute
lcio
S
em f
osf
ato d
e caacute
lcio
Sem
ata
que
aacutecid
o
Com
fosf
ato d
e caacute
lcio
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
Figura 3 Imagens das formaccedilotildees cristalinas nas superfiacutecies das amostras A-H
22
Figura 4 Imagens binarizadas das formaccedilotildees cristalinas nas superfiacutecies das
amostras A-H
Com jateamento
Sem jateamento
Com
ata
que
aacutecid
o
C
om
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
ata
que
aacutecid
o
C
om
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
23
Tabela 3 Dimensatildeo Fractal (desvio padratildeo) das imagens binarizadas apresentadas na Fig 4
Com aacutecido Sem aacutecido
Com fosfato
de caacutelcio
Sem fosfato
de caacutelcio
Com fosfato
de caacutelcio
Sem fosfato
de caacutelcio
Com jateamento 1859 (0014) 1930 (0015) 1693 (0011) 1903 (0014)
Sem jateamento 1920 (0015) 1845 (0013) 1881 (0014) 1687 (0012)
Na Tabela 3 observa-se a maior dimensatildeo fractal dos cristais formados na superfiacutecie
dos implantes tratados com aacutecido do que em tratamentos sem aacutecido indicando maior
preenchimento espacial dos cristais Este resultado pode ser explicado pelo fato que o
tratamento com acido produz uma superfiacutecie de maior rugosidade aumentando a aacuterea de
contato que pode causar uma deposiccedilatildeo maior e mais uniforme As superfiacutecies apenas
maquinadas que natildeo receberam nenhum tratamento tambeacutem apresentaram as formaccedilotildees de
cristais apoacutes imersatildeo no SBF por 30 dias poreacutem em quantidades aparentemente menores
resultando em menor dimensatildeo fractal (1687) do que para as superfiacutecies com tratamentos
diferentes
24
5 CONCLUSAtildeO
A dimensatildeo fractal das imagens dos implantes de titacircnio submetidos agraves diferentes
combinaccedilotildees dos tratamentos da superfiacutecie e submersos em Simulador de Fluiacutedos Corpoacutereos
por 30 dias varia entre Df=168 ate Df=193 refletindo a complexidade da formaccedilatildeo cristal
caracterizada por pequenos ou grandes cristais depositados localmente ou de forma uniforme
com geometria simples ou dendritica dependendo da combinaccedilatildeo dos tratamentos A menor
dimensatildeo fractal de Df=168 foi obtida para amostras sem tratamento nenhum enquanto a
maior dimensatildeo fractal de Df=193 foi obtida para amostras com jateamento e ataque aacutecido
(sem fosfato de caacutelcio) Ataque aacutecido foi identificado como uacutenico dos tratamentos que leva
sistematicamente ao aumento da dimensatildeo cristal enquanto o tamanho e a distribuiccedilatildeo
espacial dos cristais formados demonstram grande diversidade sem aparente dependecircncia em
nenhum dos tratamentos Estudos sistemaacuteticos ldquoin vivordquo satildeo necessaacuterios para estabelecer
quais combinaccedilotildees destes tratamentos de superfiacutecie geram implantes mais biologicamente
estaacuteveis e mecanicamente robustos e como estas propriedades podem ser associadas com a
dimensatildeo fractal dos cristais depositados
25
REFEREcircNCIAS
BARROS NETO B SCHARMINIO I E BRUNS R E Como Fazer experimentos
Pesquisa e desenvolvimento na ciecircncia e na Induacutestria 2 ed- Campinas-SP Editora
Unicamp 2003
BASSINTHWAITGHT JB LIEBOVITCH LS BRUCE JW Fractal physiology New
York Oxford American Physiological Society 1994
BRAringNEMARK R et al Bone response to laser-induced micro- and nano-size titanium
surface features Nanomedicine v 7 n 2 p 220-227 2011
BRAringNEMARK PI et al Osseointegreated implants in the treatment of edentulous jaw
Experience from a 10- year period Scand J Plast Reconst Surg Suppl v 16 p 1-132
1977
CARNEIRO-CAMPOS LE et al The effect of titanium topography features on mesenchymal
human stromal cells adhesion Clin Oral Implants Res v 21 n 2 p 251-254 2010
CHUNG H-W HUANG Y-H Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the
Diagnosis of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology v 174 p
1055-1059 2000
EHRENFEST D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol v 37 p 506-509 2011
GAO L et al MicroNanostructural Porous Surface on Titanium and Bioactivity J Biomed
Mater Res Part B Appl Biomater v 89B n 2 p 335ndash341 2009
GOUVEIA DS Obtenccedilatildeo de poacutes nanomeacutetricos de hidroxiapatita sintetizados com
magneacutesio utilizando ultra-som Tese Instituto de Pesquisas Energeacuteticas e Nucleares S
Paulo 2008
HAMLET S et al The effect of hydrophilic titanium surface modification on macrophage
inflammatory cytokine gene expression Clin Oral Implants Res v 23 n 5 p 584-90
2012
IVANOV PCH et al Multifractality in Human Heartbeat Dynamics Nature v 399 p
461-465 1999
KAumlMMERER PW et al Early implant healing promotion of platelet activation and
cytokine release by topographical chemical and biomimetical titanium surface modifications
in vitro Clin Oral Implants Res v 23 n4 p 504-10 2012
26
KOKUBO TTAKADAMA H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
BIOMATERIALS v 27 n 15 p 2907-2915 2006
LEZZIG et al Implant surface topographies analyzed using fractal dimension Implant
Dent v 20 p 131-138 2012
MANDELBROT BB How long is the coast of Britain Statistical self-similarity and
fractional dimension Science 156 1967 636-638
MANDELBROT BB The Fractal Geometry of Nature New York 1983
MARQUES C Tratamento de superfiacutecies de implantes de titacircnio Dissertaccedilatildeo de
Mestrado apresentada ao Curso de Mestrado em Ciecircncia dos Materiais do Instituto Militar de
Engenharia (IME) 2007
MISCH CE Misch bone density classification In Misch CE ed Contemporary Implant
Densitry 113-114 St Luis Mosby Inc 2009
NOVAES ABJR et al Influence of Implant Surfaces on Osseointegration Braz Dent J v
21 n 6 p 471-481 2010
ORSINI E et al Early Healing Events around Titanium Implant Devices with Different
Surface Microtopography A Pilot Study in an In Vivo Rabbit Model The Scientific World
Journal 349042 2012
PARK S et al The Effect of Fluoride Treatment on Titanium Treated with Anodic Spark
Oxidation Metals and Materials International v 13 n 2 p 117-122 2007
PERROTTI V et al Fractal Analysis A Novel Method to Assess Roughness Organization of
Implant Surface Topography International Journal of Periodontics amp Restorative
Dentistry v 31 n 6 p 633-639 2011
SAacuteNCHEZ I UZCAacuteTEGUI G Fractals in dentistry Journal of Dentistry v 39 n 4 p
273-292 2011
STOSIC T STOSIC B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels IEEE
Transactions on Medical Imaging v 25 p 1101-1107 2006
SULTANA R et al Effects of heat treatment on the bioactivity of surface-modified titanium
in calcium solution Biomed Mater Eng v 19 n 2 p 193-204 2009
TAPASH RR NARAYANAN R KIM K-H Ion implantation of titanium based
biomaterials Progress in Materials Science v 56 n 8 p 1137-1177 2011
27
UPDIKE SX NOWZARI H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res v 43 n 6 p 658-664 2008
WENNERBERG A ALBREKTSSON T Effects of titanium surface topography on bone
integration a systematic review Clin Oral Implants Res v 20 n 4 p 172-84 2009
WUY-T et al Fractal dimension analysis for quantifying cerebellar morphological change
of multiple system atrophy of the cerebellar type (MSA-C) NeuroImage v 49 n 1 p 539-
551 2010
ZAIA A et al MR imaging and osteoporosis fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute
IEEE Trans Inf Technol Biomed v 10 n 3 p 484-489 2006
ZHANG F et al Cell response of titanium implant with a roughened surface containing
titanium hydride an in vitro study J Oral Maxillofac Surg v 68 n 5 p 1131-1139 2010
28
APEcircNDICE
Artigo submetido agrave publicaccedilatildeo na revista
Fractal measure and microscopic modeling of osseointegration
Leonardo Cavalcanti Bezerra dos Santos1 Alessandra de Albuquerque Tavares Carvalho
1
Borko Stosic2 Tatijana Stosic
2 Paulo Jose Duarte Neto
2
1Departamento de Cliacutenica e Odontologia Preventiva Universidade Federal de Pernambuco
Quarta Travessa Artur de Saacute sn Cidade Universitaacuteria 50670-901 Recife PE Brazil
2Departamento de Estatiacutestica e Informaacutetica Universidade Federal Rural de Pernambuco
Rua Dom Manoel de Medeiros sn Dois Irmatildeos 52171-900 Recife PE Brazil
Abstract
In this work the process of osseointegration on titanium implant surfaces with
different physicochemical treatment subjected to a simulated corporal fluid
submersion is evaluated using the concept of fractal dimension It is found that
different treatments lead to rather different calcium phosphate crystal growth
patterns with fractal dimension ranging from Df=168 to Df=193 The
observed crystal patterns may be explained by a general deposition- diffusion-
aggregation growth mechanism where diffusing particle sticking probability
plays a fundamental role
Key words dental implants osseointegration fractal dimension
Introduction
Practical techniques enhancing implant osseointegration represent a fundamental
research topic not only in dentistry but also in other diverse areas of medicine and veterinary
sciences where bone implants or bone restoration is applied [1-3] While great advances in
this direction have undoubtedly been made over the past decades the full understanding is
still lacking on the effects of different implant surface physicochemical treatments as well as
on the microscopic mechanisms of the posterior osseointegration process [4]
Fractal dimension is a novel concept that has been increasingly employed in diverse
areas of knowledge for quantifying the complexity of natural phenomena ranging from
coastlines [5] and shape of volcanic ash particles [6] bronchial tree [7] and neurons [8]
Fractals are in fact commonly found in nature being characterized by scale invariance and
29
self-similarity During the last decades fractal analysis was used in studying diverse
phenomena in physiology and medicine including pulmonary emphysema [9] osteoporoses
[10] retinal blood vessels [11] and heart rate [12] The potential of fractal analysis was also
explored in dentistry [1314] Recently fractal dimension was used to quantify the surface
roughness of dental implants and shown to be promising to differentiate between topological
properties of dental implant surfaces obtained with different treatments [151617]
In this work we follow up on recent studies [15-17] as to how one may employ fractal
analysis to assess roughness organization of implant surface topology Rather than
concentrating on the implant surface properties subject to different physicochemical treatment
processes [15] here we put the emphasis on the results of simulated body fluid submersion
representing a step forward in understanding of implant osseointegration
Materials and Methods
Machined titanium implant samples were first subjected to different combinations of
a) sand blasting with aluminum oxide b) treatment with hydrofluoric acid and c) treatment
with calcium phosphate [18] after which they were submersed in a simulated body fluid [19]
for thirty days Magnified images of these samples were then acquired through scanning
electron microscopy as shown in Fig1 and subjected to image analysis
As opposed to fractal analysis performed in [15] to find the fractal dimension here we
only binarize the images as shown in Fig2 without skeletonization since we are interested in
crystal formation and it was found that skeletonization introduces artefacts (local networks of
lines) not apparent in the original crystal structure There are various methods for fractal
dimension calculation among which the box-counting method is perhaps the most widely
used because of its simplicity and robustness [20] It proceeds as follows Cover the structure
with a grid of size r and count the number of nonempty grid boxes )(rn Repeat this
procedure for different grid size for fractal self-similar structures 0~)(D
rrn
Box-counting
dimension is defined as
)1log(
)(loglim
0 r
rnD
rf
and can be estimated as the slope of the linear regression of )(log rn versus )1log( r We
calculate fractal dimension using the box counting method implemented in the FracLac
Package of open source software ImageJ
30
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid
tre
atm
ent
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 1 Electron microscope images of samples with different treatment after
submersion in simulated body fluid
31
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid t
reat
men
t
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 2 Same images as in Fig1 after binarization
32
Results and Discussion
It is seen on Fig1 that different combinations of implant surface treatment lead to
rather different crystal pattern formation during the simulated body fluid submersion No clear
conclusions can be drawn as to the size of spatial distribution of formed crystals
corresponding to any single treatment rather it is the combinations of these procedures that
lead to specific resulting structures Large and small crystals uniformly or locally deposited
of simple or dendritic shape are found for different treatment combinations and further in
vivo studies are necessary to determine which of these provide more robust implants with
best mechanical properties
In line with the previous study [15] that has motivated the current work we calculate
the fractal dimension of binarized images shown in Fig2 with the results presented in Table
1 The obtained fractal dimension values vary between Df=168 and Df=193 indicating the
potential of this method to quantify spatial complexity of formed crystals for different implant
surface treatments It is seen from Table 1 that in general the fractal dimension of implant
surface after submersion in SBF tends to be greater in the cases of treatment with acid
(keeping the same combination of sand blasting and calcium phosphate coating) that reflects
the fact that acid etching produces micro pits on titanium surface that greatly enhance
osseointegration [4] The highest value of fractal dimension (193) is obtained for the implant
treated by sand blasting and acid etching indicating that the surface roughness produced by
this treatment results in more uniform and more space filling crystal deposits The fractal
dimension of surfaces treated only by sand blasting acid etching and calcium phosphate are
1903 1845 and 1881 respectively and they are significantly higher than the fractal
dimension of untreated surface (1687) confirming the role of implant surface chemistry and
topology in the process of osseointegration Although our results show that surface topology
of treated implants has higher fractal dimension than that of untreated implants it is still not
clear which treatment or combination of treatments produces the best surfaces for
osseointegration It is also seen from Table 1 that the fractal dimension is higher for all of the
treated surfaces in comparison with the surface without any treatments (with the smallest
fractal dimension value) which reflects the fact that all these treatments produce surface
effects that favorably influence the complexity of the final crystal structure On the other
hand there is no clear evidence as to how these values may be associated with the quality of
implants without further in vivo experiments
33
Table 1 Fractal dimension (standard deviation) of binarized images shown in Fig2
Acid treatment No acid
Calcium
phosphate
No calcium
phosphate
Calcium
phosphate
No calcium
Phosphate
Sand blasted 1859 (0014) 1930 (0015) 1693 (0011) 1903 (0014)
No sand blasting 1920 (0015) 1845 (0013) 1881 (0014) 1687 (0012)
The current study suggests that a general Deposition Difusion Aggregation (DDA)
model [21] may be used to describe crystal formation in the different scenarios covered in the
present work One may perceive that the molecules present in the solution deposit on the
implant surface and move along this surface until they reach other such molecules andor
already crystallized formations where they become incorporated into the crystal structure
The concentration of the (in the current experiment simulated corporal) fluid determines the
flux of deposition and the mobility of the molecules (and perhaps larger molecular
agglomerates) is governed by the topology (roughness) of the implant surface It is well
known [21] that the flux and mobility of aggregate particles lead to rather different deposition
patterns ranging from many uniformly distributed small DLA (Diffusion Limited
Aggregation) like crystals to large dendritic structures and the DDA model apparently
represents an excellent candidate to describe the diversity of observed crystal patterns seen
on the electron microscope images of Fig 1
Conclusion
We apply fractal analysis on binarized scanning electron microscopy images of the
surface of titanium implants that were first subjected to different treatment combinations of i)
sand blasting ii) acid etching and iii) exposition to calcium phosphate and were then
submersed in a simulated corporal fluid for thirty days The obtained fractal dimension values
vary between Df=168 to Df=193 reflecting the complexity and space filling property of the
final crystal structure characterized by large and small crystals uniformly or locally
deposited of simple or dendritic shape that were found for different treatment combinations
Further in vivo studies are necessary to determine how these values may be associated with
the quality of implants
34
References
[1] Albrektsson T Sennerby L Wennerberg A State of the art of oral implants Periodontol
2000 2008 47 15-26
[2] Wazen JJ Gupta R Ghossaini S Spitzer J Farrugia M Tjellstrom A
Osseointegration timing for Baha system loading Laryngoscope 2007 117 794-796
[3] Palmquist A Jarmar T Emanuelsson L Braringnemark R Engqvist H Thomsen P
Forearm bone-anchored amputationprosthesis a case study on the osseointegration Acta
Orthop 2008 79 78-85
[4] Le Gueacutehennec L Soueidan A Layrolle P Amouriq Y Surface treatments of titanium
dental implants for rapid osseointegration Dental Materiasl 2007 23 844-854
[5] Mandelbrot BB The Fractal Geometry of Nature New York Freeman 1983 25
[6]Dellino PLiotino G The fractal and multifractal dimension of volcanic ash particles
contour a test study on the utility and volcanological relevance Journal of Volcanology and
Geothermal Research 2002 113 1-18
[7] Majumdar A Alencar AM Buldyrev SV Hantos Z Lutchen KR Stanley HE Suki B
Relating airway diameter distributions to regular branching asymmetry in the lung Phys Rev Lett 2005 95 168101
[8] Jelinek HF Fernandez E Neurons and fractals how reliable and useful are calculations of
fractal dimensions Journal of Neuroscience Methods 1998 81 9 ndash 18
[9] Chung HW HUANG YH Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the Diagnosis
of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology 2000 174 1055-1059
[10] Zaia A Eleonori R Maponi P Rossi R Murri R MR imaging and osteoporosis
fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute IEEE Trans Inf Technol Biomed 2006 10
484-489
[11] Stosic T Stosic B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels EEE Transactions
on MIedical Imaging 2006 25 1101-1107
[12] Goldberger AL Amaral LAN Hausdorff JM Ivanov PCh Peng CK Stanley
HE Fractal dynamics in physiology Alterations with disease and aging PNAS 2002 99
2466-2472
[13] Saacutenchez I Uzcaacutetegui G Fractals in dentistry Journal of Dentistry 2011 39 273-292
[14] Updike SX Nowzari H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res 2008 43 658-664
[15] Perotti V Aprile G Degidi M Piatelli A Lezzi G Fractal analysis a novel method to
assess roughness organization of implant surface topography Int J Peridontic Restorative
Dent 2011 31 633-639
[16] Ehrenfest D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol 2011 37 506-509
35
[17] Lezzi G Aprile G Tripodi D Scarano A Piatelli A Perotti V Implant surface
topographies analyzed using fractal dimension Implant Dent 2012 20 131-138
[18] Guo CY Tang ATH Matinlinna JP Insights into surface treatment methods of titanium
dental implants Journal of Adhesion Science amp Technology 2012 26 189ndash205
[19] Kokubo T Takadama H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
Biomaterials 2006 27 2907-2915
[20] Theiller J Estimating fractal dimension J Opt Soc Am 1990 7 1055-1073
[21] P Jensen A-L Barabaacutesi H Larralde S Havlin H E Stanley Model incorporating
deposition diffusion and aggregation in submonolayer nanostructures Phys Rev E (1994)
50 618ndash621
18
Tabela 1 ndash Organizaccedilatildeo dos grupos
Jateamento Ataque aacutecido Fosfato de caacutelcio
Grupo A Sim Sim Sim
Grupo B Natildeo Natildeo Natildeo
Grupo C Sim Natildeo Sim
Grupo D Sim Sim Natildeo
Grupo E Natildeo Natildeo Sim
Grupo F Natildeo Sim Natildeo
Grupo G Natildeo Sim Sim
Grupo H Sim Natildeo Natildeo
36 Tratamentos das superfiacutecies
361 Jateamento com Oacutexido de Alumiacutenio
Foi realizado utilizando oacutexido de alumiacutenio com granulaccedilatildeo meacutedia agrave 80 libras com o
jato direcionado a superfiacutecies dos discos por 10 segundos em cada lado
362 Ataque aacutecido
A segunda etapa foi o ataque aacutecido cuja composiccedilatildeo foi aacutecido cloriacutedrico 59 + 1
de aacutecido fluoriacutedrico e 40 de aacutegua destilada acondicionado em recipiente de polietileno ateacute
momento do uso Em um Becker de 50 ml foram colocados 20 ml do aacutecido por um (01)
minuto
363 Fosfato de Caacutelcio
Foi desenvolvida uma pasta contendo proporccedilatildeo de 13 de aacutegua e fosfato de caacutelcio
terciaacuterio No final da segunda etapa o excesso de aacutecido eacute desprezado e a pasta eacute adicionada ao
Becker onde permanece no ultrassom por 20 minutos Apoacutes a lavagem o material foi
colocado em recipiente de vidro seco em estufa a 40 C por 1 hora armazenados em tubos
tipo Ependorf e encaminhados para as anaacutelises
37 Preparaccedilatildeo do Simulador de Fluiacutedos Corpoacutereos (SBF)
Foi preparado conforme meacutetodo de Kokubo e Takadama (2006) no laboratoacuterio de
Farmacognosia Departamento de Ciecircncias Farmacecircuticas da UFPE
19
Tabela 2 - Composiccedilatildeo quiacutemica do SBF proposta por Kokubo e Takadama (2006)
Reagentes Quantidade Pureza
NaCl 8055 g 995
NaHCO3 0355 g 995
Kcl 0225 g 995
K2PO4 3H2O 0231 g 990
MgCl2 6H2O 0311 g 980
10 M- HCl 39 ml -----------
CaCl2 0292 g 950
NaSO4 0072 g 990
Tris 6118 g 990
10 M HCl 0-5ml ------------ Hidroximetil aminometano
38 Meacutetodos de Avaliaccedilatildeo
381 Microscopia Eletrocircnica de Varredura (MEV)
Para analise da superfiacutecie das amostras foi utilizada microcopia eletrocircnica de varredura
(MEV) JEOL 5600 LV (Japan) voltagem de 10 kV do Departamento de Fiacutesica da UFPE
Foram analisadas em arquivos digitais trecircs campos visuais diferentes para cada disco
Para cada grupo foram avaliados 3 discos totalizando nove aacutereas por grupo Em cada campo
foram obtidas imagens de 200x 1000x e 15000x para anaacutelises comparativas
382 Dimensatildeo Fractal
Existem vaacuterios meacutetodos para o caacutelculo de dimensatildeo fractal como contagem de caixas
(ldquobox countingrdquo) meacutetodo massa-raio (ldquomass-radius methodrdquo) e meacutetodo de correlaccedilatildeo
densidade-densidade (ldquodensity-density correlation function methodrdquo) O meacutetodo contagem de
caixas eacute mais utilizado e consiste em cobrir a estrutura com uma grade de caixas com arestas
de tamanho l e contar o nuacutemero N(l) de caixas que conteacutem pelo menos uma partiacutecula do
sistema Reduz-se sucessivamente o tamanho das caixas e mede-se para cada tamanho o
numero de caixas N(l) nos quais existe pelo menos um ponto do sistema A dimensatildeo fractal eacute
definida pela equaccedilatildeo
de onde segue
Assim traccedila-se um graacutefico do logaritmo de N(l) em funccedilatildeo do logaritmo de 1l e determina-se
a dimensatildeo fractal pela inclinaccedilatildeo do graacutefico (BASSINGTHWAIGHTHE et al 1994)
fDllN
~)(
)1log(~)(log lDlN f
20
4 RESULTADOS E DISCUSSAtildeO
A Figura 3 mostra os cristais formados depois submersatildeo dos implantes em Simulador
de Fluiacutedos Corpoacutereos (SBF) por 30 dias obtidas com auxilio da Microscopia Eletrocircnica de
Varredura Observam-se as formas diferentes dos cristais (cristais grandes ou pequenos
distribuiacutedos uniformemente ou agrupados simples ou ramificados) para diferentes
tratamentos da superfiacutecie dos implantes A forma e a distribuiccedilatildeo espacial dos cristais
formados por SBF refletem o processo de osseointegraccedilatildeo e indicam que uma analise das
propriedades geomeacutetricas destas estruturas para vaacuterios tipos de tratamento da superfiacutecie dos
implantes poderia providenciar informaccedilotildees importantes para avaliaccedilatildeo da qualidade do
implante
A dimensatildeo fractal das imagens dos cristais formados por SBF nas superfiacutecies dos
implantes foi calculada para diferentes tratamentos da superfiacutecie As imagens da Figura 3
foram binarizadas como apresentado na Figura 4 e em seguida a dimensatildeo fractal foi
calculada utilizando o pacote FracLac do software gratuito ImageJ com meacutetodo ldquoBox
countingrdquo Os resultados destes caacutelculos satildeo apresentados na Tabela 3
21
Com jateamento Sem jateamento
Com
ata
que
aacutecid
o
Com
fosf
ato d
e caacute
lcio
S
em f
osf
ato d
e caacute
lcio
Sem
ata
que
aacutecid
o
Com
fosf
ato d
e caacute
lcio
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
Figura 3 Imagens das formaccedilotildees cristalinas nas superfiacutecies das amostras A-H
22
Figura 4 Imagens binarizadas das formaccedilotildees cristalinas nas superfiacutecies das
amostras A-H
Com jateamento
Sem jateamento
Com
ata
que
aacutecid
o
C
om
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
ata
que
aacutecid
o
C
om
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
23
Tabela 3 Dimensatildeo Fractal (desvio padratildeo) das imagens binarizadas apresentadas na Fig 4
Com aacutecido Sem aacutecido
Com fosfato
de caacutelcio
Sem fosfato
de caacutelcio
Com fosfato
de caacutelcio
Sem fosfato
de caacutelcio
Com jateamento 1859 (0014) 1930 (0015) 1693 (0011) 1903 (0014)
Sem jateamento 1920 (0015) 1845 (0013) 1881 (0014) 1687 (0012)
Na Tabela 3 observa-se a maior dimensatildeo fractal dos cristais formados na superfiacutecie
dos implantes tratados com aacutecido do que em tratamentos sem aacutecido indicando maior
preenchimento espacial dos cristais Este resultado pode ser explicado pelo fato que o
tratamento com acido produz uma superfiacutecie de maior rugosidade aumentando a aacuterea de
contato que pode causar uma deposiccedilatildeo maior e mais uniforme As superfiacutecies apenas
maquinadas que natildeo receberam nenhum tratamento tambeacutem apresentaram as formaccedilotildees de
cristais apoacutes imersatildeo no SBF por 30 dias poreacutem em quantidades aparentemente menores
resultando em menor dimensatildeo fractal (1687) do que para as superfiacutecies com tratamentos
diferentes
24
5 CONCLUSAtildeO
A dimensatildeo fractal das imagens dos implantes de titacircnio submetidos agraves diferentes
combinaccedilotildees dos tratamentos da superfiacutecie e submersos em Simulador de Fluiacutedos Corpoacutereos
por 30 dias varia entre Df=168 ate Df=193 refletindo a complexidade da formaccedilatildeo cristal
caracterizada por pequenos ou grandes cristais depositados localmente ou de forma uniforme
com geometria simples ou dendritica dependendo da combinaccedilatildeo dos tratamentos A menor
dimensatildeo fractal de Df=168 foi obtida para amostras sem tratamento nenhum enquanto a
maior dimensatildeo fractal de Df=193 foi obtida para amostras com jateamento e ataque aacutecido
(sem fosfato de caacutelcio) Ataque aacutecido foi identificado como uacutenico dos tratamentos que leva
sistematicamente ao aumento da dimensatildeo cristal enquanto o tamanho e a distribuiccedilatildeo
espacial dos cristais formados demonstram grande diversidade sem aparente dependecircncia em
nenhum dos tratamentos Estudos sistemaacuteticos ldquoin vivordquo satildeo necessaacuterios para estabelecer
quais combinaccedilotildees destes tratamentos de superfiacutecie geram implantes mais biologicamente
estaacuteveis e mecanicamente robustos e como estas propriedades podem ser associadas com a
dimensatildeo fractal dos cristais depositados
25
REFEREcircNCIAS
BARROS NETO B SCHARMINIO I E BRUNS R E Como Fazer experimentos
Pesquisa e desenvolvimento na ciecircncia e na Induacutestria 2 ed- Campinas-SP Editora
Unicamp 2003
BASSINTHWAITGHT JB LIEBOVITCH LS BRUCE JW Fractal physiology New
York Oxford American Physiological Society 1994
BRAringNEMARK R et al Bone response to laser-induced micro- and nano-size titanium
surface features Nanomedicine v 7 n 2 p 220-227 2011
BRAringNEMARK PI et al Osseointegreated implants in the treatment of edentulous jaw
Experience from a 10- year period Scand J Plast Reconst Surg Suppl v 16 p 1-132
1977
CARNEIRO-CAMPOS LE et al The effect of titanium topography features on mesenchymal
human stromal cells adhesion Clin Oral Implants Res v 21 n 2 p 251-254 2010
CHUNG H-W HUANG Y-H Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the
Diagnosis of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology v 174 p
1055-1059 2000
EHRENFEST D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol v 37 p 506-509 2011
GAO L et al MicroNanostructural Porous Surface on Titanium and Bioactivity J Biomed
Mater Res Part B Appl Biomater v 89B n 2 p 335ndash341 2009
GOUVEIA DS Obtenccedilatildeo de poacutes nanomeacutetricos de hidroxiapatita sintetizados com
magneacutesio utilizando ultra-som Tese Instituto de Pesquisas Energeacuteticas e Nucleares S
Paulo 2008
HAMLET S et al The effect of hydrophilic titanium surface modification on macrophage
inflammatory cytokine gene expression Clin Oral Implants Res v 23 n 5 p 584-90
2012
IVANOV PCH et al Multifractality in Human Heartbeat Dynamics Nature v 399 p
461-465 1999
KAumlMMERER PW et al Early implant healing promotion of platelet activation and
cytokine release by topographical chemical and biomimetical titanium surface modifications
in vitro Clin Oral Implants Res v 23 n4 p 504-10 2012
26
KOKUBO TTAKADAMA H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
BIOMATERIALS v 27 n 15 p 2907-2915 2006
LEZZIG et al Implant surface topographies analyzed using fractal dimension Implant
Dent v 20 p 131-138 2012
MANDELBROT BB How long is the coast of Britain Statistical self-similarity and
fractional dimension Science 156 1967 636-638
MANDELBROT BB The Fractal Geometry of Nature New York 1983
MARQUES C Tratamento de superfiacutecies de implantes de titacircnio Dissertaccedilatildeo de
Mestrado apresentada ao Curso de Mestrado em Ciecircncia dos Materiais do Instituto Militar de
Engenharia (IME) 2007
MISCH CE Misch bone density classification In Misch CE ed Contemporary Implant
Densitry 113-114 St Luis Mosby Inc 2009
NOVAES ABJR et al Influence of Implant Surfaces on Osseointegration Braz Dent J v
21 n 6 p 471-481 2010
ORSINI E et al Early Healing Events around Titanium Implant Devices with Different
Surface Microtopography A Pilot Study in an In Vivo Rabbit Model The Scientific World
Journal 349042 2012
PARK S et al The Effect of Fluoride Treatment on Titanium Treated with Anodic Spark
Oxidation Metals and Materials International v 13 n 2 p 117-122 2007
PERROTTI V et al Fractal Analysis A Novel Method to Assess Roughness Organization of
Implant Surface Topography International Journal of Periodontics amp Restorative
Dentistry v 31 n 6 p 633-639 2011
SAacuteNCHEZ I UZCAacuteTEGUI G Fractals in dentistry Journal of Dentistry v 39 n 4 p
273-292 2011
STOSIC T STOSIC B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels IEEE
Transactions on Medical Imaging v 25 p 1101-1107 2006
SULTANA R et al Effects of heat treatment on the bioactivity of surface-modified titanium
in calcium solution Biomed Mater Eng v 19 n 2 p 193-204 2009
TAPASH RR NARAYANAN R KIM K-H Ion implantation of titanium based
biomaterials Progress in Materials Science v 56 n 8 p 1137-1177 2011
27
UPDIKE SX NOWZARI H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res v 43 n 6 p 658-664 2008
WENNERBERG A ALBREKTSSON T Effects of titanium surface topography on bone
integration a systematic review Clin Oral Implants Res v 20 n 4 p 172-84 2009
WUY-T et al Fractal dimension analysis for quantifying cerebellar morphological change
of multiple system atrophy of the cerebellar type (MSA-C) NeuroImage v 49 n 1 p 539-
551 2010
ZAIA A et al MR imaging and osteoporosis fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute
IEEE Trans Inf Technol Biomed v 10 n 3 p 484-489 2006
ZHANG F et al Cell response of titanium implant with a roughened surface containing
titanium hydride an in vitro study J Oral Maxillofac Surg v 68 n 5 p 1131-1139 2010
28
APEcircNDICE
Artigo submetido agrave publicaccedilatildeo na revista
Fractal measure and microscopic modeling of osseointegration
Leonardo Cavalcanti Bezerra dos Santos1 Alessandra de Albuquerque Tavares Carvalho
1
Borko Stosic2 Tatijana Stosic
2 Paulo Jose Duarte Neto
2
1Departamento de Cliacutenica e Odontologia Preventiva Universidade Federal de Pernambuco
Quarta Travessa Artur de Saacute sn Cidade Universitaacuteria 50670-901 Recife PE Brazil
2Departamento de Estatiacutestica e Informaacutetica Universidade Federal Rural de Pernambuco
Rua Dom Manoel de Medeiros sn Dois Irmatildeos 52171-900 Recife PE Brazil
Abstract
In this work the process of osseointegration on titanium implant surfaces with
different physicochemical treatment subjected to a simulated corporal fluid
submersion is evaluated using the concept of fractal dimension It is found that
different treatments lead to rather different calcium phosphate crystal growth
patterns with fractal dimension ranging from Df=168 to Df=193 The
observed crystal patterns may be explained by a general deposition- diffusion-
aggregation growth mechanism where diffusing particle sticking probability
plays a fundamental role
Key words dental implants osseointegration fractal dimension
Introduction
Practical techniques enhancing implant osseointegration represent a fundamental
research topic not only in dentistry but also in other diverse areas of medicine and veterinary
sciences where bone implants or bone restoration is applied [1-3] While great advances in
this direction have undoubtedly been made over the past decades the full understanding is
still lacking on the effects of different implant surface physicochemical treatments as well as
on the microscopic mechanisms of the posterior osseointegration process [4]
Fractal dimension is a novel concept that has been increasingly employed in diverse
areas of knowledge for quantifying the complexity of natural phenomena ranging from
coastlines [5] and shape of volcanic ash particles [6] bronchial tree [7] and neurons [8]
Fractals are in fact commonly found in nature being characterized by scale invariance and
29
self-similarity During the last decades fractal analysis was used in studying diverse
phenomena in physiology and medicine including pulmonary emphysema [9] osteoporoses
[10] retinal blood vessels [11] and heart rate [12] The potential of fractal analysis was also
explored in dentistry [1314] Recently fractal dimension was used to quantify the surface
roughness of dental implants and shown to be promising to differentiate between topological
properties of dental implant surfaces obtained with different treatments [151617]
In this work we follow up on recent studies [15-17] as to how one may employ fractal
analysis to assess roughness organization of implant surface topology Rather than
concentrating on the implant surface properties subject to different physicochemical treatment
processes [15] here we put the emphasis on the results of simulated body fluid submersion
representing a step forward in understanding of implant osseointegration
Materials and Methods
Machined titanium implant samples were first subjected to different combinations of
a) sand blasting with aluminum oxide b) treatment with hydrofluoric acid and c) treatment
with calcium phosphate [18] after which they were submersed in a simulated body fluid [19]
for thirty days Magnified images of these samples were then acquired through scanning
electron microscopy as shown in Fig1 and subjected to image analysis
As opposed to fractal analysis performed in [15] to find the fractal dimension here we
only binarize the images as shown in Fig2 without skeletonization since we are interested in
crystal formation and it was found that skeletonization introduces artefacts (local networks of
lines) not apparent in the original crystal structure There are various methods for fractal
dimension calculation among which the box-counting method is perhaps the most widely
used because of its simplicity and robustness [20] It proceeds as follows Cover the structure
with a grid of size r and count the number of nonempty grid boxes )(rn Repeat this
procedure for different grid size for fractal self-similar structures 0~)(D
rrn
Box-counting
dimension is defined as
)1log(
)(loglim
0 r
rnD
rf
and can be estimated as the slope of the linear regression of )(log rn versus )1log( r We
calculate fractal dimension using the box counting method implemented in the FracLac
Package of open source software ImageJ
30
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid
tre
atm
ent
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 1 Electron microscope images of samples with different treatment after
submersion in simulated body fluid
31
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid t
reat
men
t
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 2 Same images as in Fig1 after binarization
32
Results and Discussion
It is seen on Fig1 that different combinations of implant surface treatment lead to
rather different crystal pattern formation during the simulated body fluid submersion No clear
conclusions can be drawn as to the size of spatial distribution of formed crystals
corresponding to any single treatment rather it is the combinations of these procedures that
lead to specific resulting structures Large and small crystals uniformly or locally deposited
of simple or dendritic shape are found for different treatment combinations and further in
vivo studies are necessary to determine which of these provide more robust implants with
best mechanical properties
In line with the previous study [15] that has motivated the current work we calculate
the fractal dimension of binarized images shown in Fig2 with the results presented in Table
1 The obtained fractal dimension values vary between Df=168 and Df=193 indicating the
potential of this method to quantify spatial complexity of formed crystals for different implant
surface treatments It is seen from Table 1 that in general the fractal dimension of implant
surface after submersion in SBF tends to be greater in the cases of treatment with acid
(keeping the same combination of sand blasting and calcium phosphate coating) that reflects
the fact that acid etching produces micro pits on titanium surface that greatly enhance
osseointegration [4] The highest value of fractal dimension (193) is obtained for the implant
treated by sand blasting and acid etching indicating that the surface roughness produced by
this treatment results in more uniform and more space filling crystal deposits The fractal
dimension of surfaces treated only by sand blasting acid etching and calcium phosphate are
1903 1845 and 1881 respectively and they are significantly higher than the fractal
dimension of untreated surface (1687) confirming the role of implant surface chemistry and
topology in the process of osseointegration Although our results show that surface topology
of treated implants has higher fractal dimension than that of untreated implants it is still not
clear which treatment or combination of treatments produces the best surfaces for
osseointegration It is also seen from Table 1 that the fractal dimension is higher for all of the
treated surfaces in comparison with the surface without any treatments (with the smallest
fractal dimension value) which reflects the fact that all these treatments produce surface
effects that favorably influence the complexity of the final crystal structure On the other
hand there is no clear evidence as to how these values may be associated with the quality of
implants without further in vivo experiments
33
Table 1 Fractal dimension (standard deviation) of binarized images shown in Fig2
Acid treatment No acid
Calcium
phosphate
No calcium
phosphate
Calcium
phosphate
No calcium
Phosphate
Sand blasted 1859 (0014) 1930 (0015) 1693 (0011) 1903 (0014)
No sand blasting 1920 (0015) 1845 (0013) 1881 (0014) 1687 (0012)
The current study suggests that a general Deposition Difusion Aggregation (DDA)
model [21] may be used to describe crystal formation in the different scenarios covered in the
present work One may perceive that the molecules present in the solution deposit on the
implant surface and move along this surface until they reach other such molecules andor
already crystallized formations where they become incorporated into the crystal structure
The concentration of the (in the current experiment simulated corporal) fluid determines the
flux of deposition and the mobility of the molecules (and perhaps larger molecular
agglomerates) is governed by the topology (roughness) of the implant surface It is well
known [21] that the flux and mobility of aggregate particles lead to rather different deposition
patterns ranging from many uniformly distributed small DLA (Diffusion Limited
Aggregation) like crystals to large dendritic structures and the DDA model apparently
represents an excellent candidate to describe the diversity of observed crystal patterns seen
on the electron microscope images of Fig 1
Conclusion
We apply fractal analysis on binarized scanning electron microscopy images of the
surface of titanium implants that were first subjected to different treatment combinations of i)
sand blasting ii) acid etching and iii) exposition to calcium phosphate and were then
submersed in a simulated corporal fluid for thirty days The obtained fractal dimension values
vary between Df=168 to Df=193 reflecting the complexity and space filling property of the
final crystal structure characterized by large and small crystals uniformly or locally
deposited of simple or dendritic shape that were found for different treatment combinations
Further in vivo studies are necessary to determine how these values may be associated with
the quality of implants
34
References
[1] Albrektsson T Sennerby L Wennerberg A State of the art of oral implants Periodontol
2000 2008 47 15-26
[2] Wazen JJ Gupta R Ghossaini S Spitzer J Farrugia M Tjellstrom A
Osseointegration timing for Baha system loading Laryngoscope 2007 117 794-796
[3] Palmquist A Jarmar T Emanuelsson L Braringnemark R Engqvist H Thomsen P
Forearm bone-anchored amputationprosthesis a case study on the osseointegration Acta
Orthop 2008 79 78-85
[4] Le Gueacutehennec L Soueidan A Layrolle P Amouriq Y Surface treatments of titanium
dental implants for rapid osseointegration Dental Materiasl 2007 23 844-854
[5] Mandelbrot BB The Fractal Geometry of Nature New York Freeman 1983 25
[6]Dellino PLiotino G The fractal and multifractal dimension of volcanic ash particles
contour a test study on the utility and volcanological relevance Journal of Volcanology and
Geothermal Research 2002 113 1-18
[7] Majumdar A Alencar AM Buldyrev SV Hantos Z Lutchen KR Stanley HE Suki B
Relating airway diameter distributions to regular branching asymmetry in the lung Phys Rev Lett 2005 95 168101
[8] Jelinek HF Fernandez E Neurons and fractals how reliable and useful are calculations of
fractal dimensions Journal of Neuroscience Methods 1998 81 9 ndash 18
[9] Chung HW HUANG YH Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the Diagnosis
of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology 2000 174 1055-1059
[10] Zaia A Eleonori R Maponi P Rossi R Murri R MR imaging and osteoporosis
fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute IEEE Trans Inf Technol Biomed 2006 10
484-489
[11] Stosic T Stosic B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels EEE Transactions
on MIedical Imaging 2006 25 1101-1107
[12] Goldberger AL Amaral LAN Hausdorff JM Ivanov PCh Peng CK Stanley
HE Fractal dynamics in physiology Alterations with disease and aging PNAS 2002 99
2466-2472
[13] Saacutenchez I Uzcaacutetegui G Fractals in dentistry Journal of Dentistry 2011 39 273-292
[14] Updike SX Nowzari H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res 2008 43 658-664
[15] Perotti V Aprile G Degidi M Piatelli A Lezzi G Fractal analysis a novel method to
assess roughness organization of implant surface topography Int J Peridontic Restorative
Dent 2011 31 633-639
[16] Ehrenfest D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol 2011 37 506-509
35
[17] Lezzi G Aprile G Tripodi D Scarano A Piatelli A Perotti V Implant surface
topographies analyzed using fractal dimension Implant Dent 2012 20 131-138
[18] Guo CY Tang ATH Matinlinna JP Insights into surface treatment methods of titanium
dental implants Journal of Adhesion Science amp Technology 2012 26 189ndash205
[19] Kokubo T Takadama H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
Biomaterials 2006 27 2907-2915
[20] Theiller J Estimating fractal dimension J Opt Soc Am 1990 7 1055-1073
[21] P Jensen A-L Barabaacutesi H Larralde S Havlin H E Stanley Model incorporating
deposition diffusion and aggregation in submonolayer nanostructures Phys Rev E (1994)
50 618ndash621
19
Tabela 2 - Composiccedilatildeo quiacutemica do SBF proposta por Kokubo e Takadama (2006)
Reagentes Quantidade Pureza
NaCl 8055 g 995
NaHCO3 0355 g 995
Kcl 0225 g 995
K2PO4 3H2O 0231 g 990
MgCl2 6H2O 0311 g 980
10 M- HCl 39 ml -----------
CaCl2 0292 g 950
NaSO4 0072 g 990
Tris 6118 g 990
10 M HCl 0-5ml ------------ Hidroximetil aminometano
38 Meacutetodos de Avaliaccedilatildeo
381 Microscopia Eletrocircnica de Varredura (MEV)
Para analise da superfiacutecie das amostras foi utilizada microcopia eletrocircnica de varredura
(MEV) JEOL 5600 LV (Japan) voltagem de 10 kV do Departamento de Fiacutesica da UFPE
Foram analisadas em arquivos digitais trecircs campos visuais diferentes para cada disco
Para cada grupo foram avaliados 3 discos totalizando nove aacutereas por grupo Em cada campo
foram obtidas imagens de 200x 1000x e 15000x para anaacutelises comparativas
382 Dimensatildeo Fractal
Existem vaacuterios meacutetodos para o caacutelculo de dimensatildeo fractal como contagem de caixas
(ldquobox countingrdquo) meacutetodo massa-raio (ldquomass-radius methodrdquo) e meacutetodo de correlaccedilatildeo
densidade-densidade (ldquodensity-density correlation function methodrdquo) O meacutetodo contagem de
caixas eacute mais utilizado e consiste em cobrir a estrutura com uma grade de caixas com arestas
de tamanho l e contar o nuacutemero N(l) de caixas que conteacutem pelo menos uma partiacutecula do
sistema Reduz-se sucessivamente o tamanho das caixas e mede-se para cada tamanho o
numero de caixas N(l) nos quais existe pelo menos um ponto do sistema A dimensatildeo fractal eacute
definida pela equaccedilatildeo
de onde segue
Assim traccedila-se um graacutefico do logaritmo de N(l) em funccedilatildeo do logaritmo de 1l e determina-se
a dimensatildeo fractal pela inclinaccedilatildeo do graacutefico (BASSINGTHWAIGHTHE et al 1994)
fDllN
~)(
)1log(~)(log lDlN f
20
4 RESULTADOS E DISCUSSAtildeO
A Figura 3 mostra os cristais formados depois submersatildeo dos implantes em Simulador
de Fluiacutedos Corpoacutereos (SBF) por 30 dias obtidas com auxilio da Microscopia Eletrocircnica de
Varredura Observam-se as formas diferentes dos cristais (cristais grandes ou pequenos
distribuiacutedos uniformemente ou agrupados simples ou ramificados) para diferentes
tratamentos da superfiacutecie dos implantes A forma e a distribuiccedilatildeo espacial dos cristais
formados por SBF refletem o processo de osseointegraccedilatildeo e indicam que uma analise das
propriedades geomeacutetricas destas estruturas para vaacuterios tipos de tratamento da superfiacutecie dos
implantes poderia providenciar informaccedilotildees importantes para avaliaccedilatildeo da qualidade do
implante
A dimensatildeo fractal das imagens dos cristais formados por SBF nas superfiacutecies dos
implantes foi calculada para diferentes tratamentos da superfiacutecie As imagens da Figura 3
foram binarizadas como apresentado na Figura 4 e em seguida a dimensatildeo fractal foi
calculada utilizando o pacote FracLac do software gratuito ImageJ com meacutetodo ldquoBox
countingrdquo Os resultados destes caacutelculos satildeo apresentados na Tabela 3
21
Com jateamento Sem jateamento
Com
ata
que
aacutecid
o
Com
fosf
ato d
e caacute
lcio
S
em f
osf
ato d
e caacute
lcio
Sem
ata
que
aacutecid
o
Com
fosf
ato d
e caacute
lcio
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
Figura 3 Imagens das formaccedilotildees cristalinas nas superfiacutecies das amostras A-H
22
Figura 4 Imagens binarizadas das formaccedilotildees cristalinas nas superfiacutecies das
amostras A-H
Com jateamento
Sem jateamento
Com
ata
que
aacutecid
o
C
om
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
ata
que
aacutecid
o
C
om
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
23
Tabela 3 Dimensatildeo Fractal (desvio padratildeo) das imagens binarizadas apresentadas na Fig 4
Com aacutecido Sem aacutecido
Com fosfato
de caacutelcio
Sem fosfato
de caacutelcio
Com fosfato
de caacutelcio
Sem fosfato
de caacutelcio
Com jateamento 1859 (0014) 1930 (0015) 1693 (0011) 1903 (0014)
Sem jateamento 1920 (0015) 1845 (0013) 1881 (0014) 1687 (0012)
Na Tabela 3 observa-se a maior dimensatildeo fractal dos cristais formados na superfiacutecie
dos implantes tratados com aacutecido do que em tratamentos sem aacutecido indicando maior
preenchimento espacial dos cristais Este resultado pode ser explicado pelo fato que o
tratamento com acido produz uma superfiacutecie de maior rugosidade aumentando a aacuterea de
contato que pode causar uma deposiccedilatildeo maior e mais uniforme As superfiacutecies apenas
maquinadas que natildeo receberam nenhum tratamento tambeacutem apresentaram as formaccedilotildees de
cristais apoacutes imersatildeo no SBF por 30 dias poreacutem em quantidades aparentemente menores
resultando em menor dimensatildeo fractal (1687) do que para as superfiacutecies com tratamentos
diferentes
24
5 CONCLUSAtildeO
A dimensatildeo fractal das imagens dos implantes de titacircnio submetidos agraves diferentes
combinaccedilotildees dos tratamentos da superfiacutecie e submersos em Simulador de Fluiacutedos Corpoacutereos
por 30 dias varia entre Df=168 ate Df=193 refletindo a complexidade da formaccedilatildeo cristal
caracterizada por pequenos ou grandes cristais depositados localmente ou de forma uniforme
com geometria simples ou dendritica dependendo da combinaccedilatildeo dos tratamentos A menor
dimensatildeo fractal de Df=168 foi obtida para amostras sem tratamento nenhum enquanto a
maior dimensatildeo fractal de Df=193 foi obtida para amostras com jateamento e ataque aacutecido
(sem fosfato de caacutelcio) Ataque aacutecido foi identificado como uacutenico dos tratamentos que leva
sistematicamente ao aumento da dimensatildeo cristal enquanto o tamanho e a distribuiccedilatildeo
espacial dos cristais formados demonstram grande diversidade sem aparente dependecircncia em
nenhum dos tratamentos Estudos sistemaacuteticos ldquoin vivordquo satildeo necessaacuterios para estabelecer
quais combinaccedilotildees destes tratamentos de superfiacutecie geram implantes mais biologicamente
estaacuteveis e mecanicamente robustos e como estas propriedades podem ser associadas com a
dimensatildeo fractal dos cristais depositados
25
REFEREcircNCIAS
BARROS NETO B SCHARMINIO I E BRUNS R E Como Fazer experimentos
Pesquisa e desenvolvimento na ciecircncia e na Induacutestria 2 ed- Campinas-SP Editora
Unicamp 2003
BASSINTHWAITGHT JB LIEBOVITCH LS BRUCE JW Fractal physiology New
York Oxford American Physiological Society 1994
BRAringNEMARK R et al Bone response to laser-induced micro- and nano-size titanium
surface features Nanomedicine v 7 n 2 p 220-227 2011
BRAringNEMARK PI et al Osseointegreated implants in the treatment of edentulous jaw
Experience from a 10- year period Scand J Plast Reconst Surg Suppl v 16 p 1-132
1977
CARNEIRO-CAMPOS LE et al The effect of titanium topography features on mesenchymal
human stromal cells adhesion Clin Oral Implants Res v 21 n 2 p 251-254 2010
CHUNG H-W HUANG Y-H Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the
Diagnosis of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology v 174 p
1055-1059 2000
EHRENFEST D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol v 37 p 506-509 2011
GAO L et al MicroNanostructural Porous Surface on Titanium and Bioactivity J Biomed
Mater Res Part B Appl Biomater v 89B n 2 p 335ndash341 2009
GOUVEIA DS Obtenccedilatildeo de poacutes nanomeacutetricos de hidroxiapatita sintetizados com
magneacutesio utilizando ultra-som Tese Instituto de Pesquisas Energeacuteticas e Nucleares S
Paulo 2008
HAMLET S et al The effect of hydrophilic titanium surface modification on macrophage
inflammatory cytokine gene expression Clin Oral Implants Res v 23 n 5 p 584-90
2012
IVANOV PCH et al Multifractality in Human Heartbeat Dynamics Nature v 399 p
461-465 1999
KAumlMMERER PW et al Early implant healing promotion of platelet activation and
cytokine release by topographical chemical and biomimetical titanium surface modifications
in vitro Clin Oral Implants Res v 23 n4 p 504-10 2012
26
KOKUBO TTAKADAMA H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
BIOMATERIALS v 27 n 15 p 2907-2915 2006
LEZZIG et al Implant surface topographies analyzed using fractal dimension Implant
Dent v 20 p 131-138 2012
MANDELBROT BB How long is the coast of Britain Statistical self-similarity and
fractional dimension Science 156 1967 636-638
MANDELBROT BB The Fractal Geometry of Nature New York 1983
MARQUES C Tratamento de superfiacutecies de implantes de titacircnio Dissertaccedilatildeo de
Mestrado apresentada ao Curso de Mestrado em Ciecircncia dos Materiais do Instituto Militar de
Engenharia (IME) 2007
MISCH CE Misch bone density classification In Misch CE ed Contemporary Implant
Densitry 113-114 St Luis Mosby Inc 2009
NOVAES ABJR et al Influence of Implant Surfaces on Osseointegration Braz Dent J v
21 n 6 p 471-481 2010
ORSINI E et al Early Healing Events around Titanium Implant Devices with Different
Surface Microtopography A Pilot Study in an In Vivo Rabbit Model The Scientific World
Journal 349042 2012
PARK S et al The Effect of Fluoride Treatment on Titanium Treated with Anodic Spark
Oxidation Metals and Materials International v 13 n 2 p 117-122 2007
PERROTTI V et al Fractal Analysis A Novel Method to Assess Roughness Organization of
Implant Surface Topography International Journal of Periodontics amp Restorative
Dentistry v 31 n 6 p 633-639 2011
SAacuteNCHEZ I UZCAacuteTEGUI G Fractals in dentistry Journal of Dentistry v 39 n 4 p
273-292 2011
STOSIC T STOSIC B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels IEEE
Transactions on Medical Imaging v 25 p 1101-1107 2006
SULTANA R et al Effects of heat treatment on the bioactivity of surface-modified titanium
in calcium solution Biomed Mater Eng v 19 n 2 p 193-204 2009
TAPASH RR NARAYANAN R KIM K-H Ion implantation of titanium based
biomaterials Progress in Materials Science v 56 n 8 p 1137-1177 2011
27
UPDIKE SX NOWZARI H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res v 43 n 6 p 658-664 2008
WENNERBERG A ALBREKTSSON T Effects of titanium surface topography on bone
integration a systematic review Clin Oral Implants Res v 20 n 4 p 172-84 2009
WUY-T et al Fractal dimension analysis for quantifying cerebellar morphological change
of multiple system atrophy of the cerebellar type (MSA-C) NeuroImage v 49 n 1 p 539-
551 2010
ZAIA A et al MR imaging and osteoporosis fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute
IEEE Trans Inf Technol Biomed v 10 n 3 p 484-489 2006
ZHANG F et al Cell response of titanium implant with a roughened surface containing
titanium hydride an in vitro study J Oral Maxillofac Surg v 68 n 5 p 1131-1139 2010
28
APEcircNDICE
Artigo submetido agrave publicaccedilatildeo na revista
Fractal measure and microscopic modeling of osseointegration
Leonardo Cavalcanti Bezerra dos Santos1 Alessandra de Albuquerque Tavares Carvalho
1
Borko Stosic2 Tatijana Stosic
2 Paulo Jose Duarte Neto
2
1Departamento de Cliacutenica e Odontologia Preventiva Universidade Federal de Pernambuco
Quarta Travessa Artur de Saacute sn Cidade Universitaacuteria 50670-901 Recife PE Brazil
2Departamento de Estatiacutestica e Informaacutetica Universidade Federal Rural de Pernambuco
Rua Dom Manoel de Medeiros sn Dois Irmatildeos 52171-900 Recife PE Brazil
Abstract
In this work the process of osseointegration on titanium implant surfaces with
different physicochemical treatment subjected to a simulated corporal fluid
submersion is evaluated using the concept of fractal dimension It is found that
different treatments lead to rather different calcium phosphate crystal growth
patterns with fractal dimension ranging from Df=168 to Df=193 The
observed crystal patterns may be explained by a general deposition- diffusion-
aggregation growth mechanism where diffusing particle sticking probability
plays a fundamental role
Key words dental implants osseointegration fractal dimension
Introduction
Practical techniques enhancing implant osseointegration represent a fundamental
research topic not only in dentistry but also in other diverse areas of medicine and veterinary
sciences where bone implants or bone restoration is applied [1-3] While great advances in
this direction have undoubtedly been made over the past decades the full understanding is
still lacking on the effects of different implant surface physicochemical treatments as well as
on the microscopic mechanisms of the posterior osseointegration process [4]
Fractal dimension is a novel concept that has been increasingly employed in diverse
areas of knowledge for quantifying the complexity of natural phenomena ranging from
coastlines [5] and shape of volcanic ash particles [6] bronchial tree [7] and neurons [8]
Fractals are in fact commonly found in nature being characterized by scale invariance and
29
self-similarity During the last decades fractal analysis was used in studying diverse
phenomena in physiology and medicine including pulmonary emphysema [9] osteoporoses
[10] retinal blood vessels [11] and heart rate [12] The potential of fractal analysis was also
explored in dentistry [1314] Recently fractal dimension was used to quantify the surface
roughness of dental implants and shown to be promising to differentiate between topological
properties of dental implant surfaces obtained with different treatments [151617]
In this work we follow up on recent studies [15-17] as to how one may employ fractal
analysis to assess roughness organization of implant surface topology Rather than
concentrating on the implant surface properties subject to different physicochemical treatment
processes [15] here we put the emphasis on the results of simulated body fluid submersion
representing a step forward in understanding of implant osseointegration
Materials and Methods
Machined titanium implant samples were first subjected to different combinations of
a) sand blasting with aluminum oxide b) treatment with hydrofluoric acid and c) treatment
with calcium phosphate [18] after which they were submersed in a simulated body fluid [19]
for thirty days Magnified images of these samples were then acquired through scanning
electron microscopy as shown in Fig1 and subjected to image analysis
As opposed to fractal analysis performed in [15] to find the fractal dimension here we
only binarize the images as shown in Fig2 without skeletonization since we are interested in
crystal formation and it was found that skeletonization introduces artefacts (local networks of
lines) not apparent in the original crystal structure There are various methods for fractal
dimension calculation among which the box-counting method is perhaps the most widely
used because of its simplicity and robustness [20] It proceeds as follows Cover the structure
with a grid of size r and count the number of nonempty grid boxes )(rn Repeat this
procedure for different grid size for fractal self-similar structures 0~)(D
rrn
Box-counting
dimension is defined as
)1log(
)(loglim
0 r
rnD
rf
and can be estimated as the slope of the linear regression of )(log rn versus )1log( r We
calculate fractal dimension using the box counting method implemented in the FracLac
Package of open source software ImageJ
30
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid
tre
atm
ent
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 1 Electron microscope images of samples with different treatment after
submersion in simulated body fluid
31
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid t
reat
men
t
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 2 Same images as in Fig1 after binarization
32
Results and Discussion
It is seen on Fig1 that different combinations of implant surface treatment lead to
rather different crystal pattern formation during the simulated body fluid submersion No clear
conclusions can be drawn as to the size of spatial distribution of formed crystals
corresponding to any single treatment rather it is the combinations of these procedures that
lead to specific resulting structures Large and small crystals uniformly or locally deposited
of simple or dendritic shape are found for different treatment combinations and further in
vivo studies are necessary to determine which of these provide more robust implants with
best mechanical properties
In line with the previous study [15] that has motivated the current work we calculate
the fractal dimension of binarized images shown in Fig2 with the results presented in Table
1 The obtained fractal dimension values vary between Df=168 and Df=193 indicating the
potential of this method to quantify spatial complexity of formed crystals for different implant
surface treatments It is seen from Table 1 that in general the fractal dimension of implant
surface after submersion in SBF tends to be greater in the cases of treatment with acid
(keeping the same combination of sand blasting and calcium phosphate coating) that reflects
the fact that acid etching produces micro pits on titanium surface that greatly enhance
osseointegration [4] The highest value of fractal dimension (193) is obtained for the implant
treated by sand blasting and acid etching indicating that the surface roughness produced by
this treatment results in more uniform and more space filling crystal deposits The fractal
dimension of surfaces treated only by sand blasting acid etching and calcium phosphate are
1903 1845 and 1881 respectively and they are significantly higher than the fractal
dimension of untreated surface (1687) confirming the role of implant surface chemistry and
topology in the process of osseointegration Although our results show that surface topology
of treated implants has higher fractal dimension than that of untreated implants it is still not
clear which treatment or combination of treatments produces the best surfaces for
osseointegration It is also seen from Table 1 that the fractal dimension is higher for all of the
treated surfaces in comparison with the surface without any treatments (with the smallest
fractal dimension value) which reflects the fact that all these treatments produce surface
effects that favorably influence the complexity of the final crystal structure On the other
hand there is no clear evidence as to how these values may be associated with the quality of
implants without further in vivo experiments
33
Table 1 Fractal dimension (standard deviation) of binarized images shown in Fig2
Acid treatment No acid
Calcium
phosphate
No calcium
phosphate
Calcium
phosphate
No calcium
Phosphate
Sand blasted 1859 (0014) 1930 (0015) 1693 (0011) 1903 (0014)
No sand blasting 1920 (0015) 1845 (0013) 1881 (0014) 1687 (0012)
The current study suggests that a general Deposition Difusion Aggregation (DDA)
model [21] may be used to describe crystal formation in the different scenarios covered in the
present work One may perceive that the molecules present in the solution deposit on the
implant surface and move along this surface until they reach other such molecules andor
already crystallized formations where they become incorporated into the crystal structure
The concentration of the (in the current experiment simulated corporal) fluid determines the
flux of deposition and the mobility of the molecules (and perhaps larger molecular
agglomerates) is governed by the topology (roughness) of the implant surface It is well
known [21] that the flux and mobility of aggregate particles lead to rather different deposition
patterns ranging from many uniformly distributed small DLA (Diffusion Limited
Aggregation) like crystals to large dendritic structures and the DDA model apparently
represents an excellent candidate to describe the diversity of observed crystal patterns seen
on the electron microscope images of Fig 1
Conclusion
We apply fractal analysis on binarized scanning electron microscopy images of the
surface of titanium implants that were first subjected to different treatment combinations of i)
sand blasting ii) acid etching and iii) exposition to calcium phosphate and were then
submersed in a simulated corporal fluid for thirty days The obtained fractal dimension values
vary between Df=168 to Df=193 reflecting the complexity and space filling property of the
final crystal structure characterized by large and small crystals uniformly or locally
deposited of simple or dendritic shape that were found for different treatment combinations
Further in vivo studies are necessary to determine how these values may be associated with
the quality of implants
34
References
[1] Albrektsson T Sennerby L Wennerberg A State of the art of oral implants Periodontol
2000 2008 47 15-26
[2] Wazen JJ Gupta R Ghossaini S Spitzer J Farrugia M Tjellstrom A
Osseointegration timing for Baha system loading Laryngoscope 2007 117 794-796
[3] Palmquist A Jarmar T Emanuelsson L Braringnemark R Engqvist H Thomsen P
Forearm bone-anchored amputationprosthesis a case study on the osseointegration Acta
Orthop 2008 79 78-85
[4] Le Gueacutehennec L Soueidan A Layrolle P Amouriq Y Surface treatments of titanium
dental implants for rapid osseointegration Dental Materiasl 2007 23 844-854
[5] Mandelbrot BB The Fractal Geometry of Nature New York Freeman 1983 25
[6]Dellino PLiotino G The fractal and multifractal dimension of volcanic ash particles
contour a test study on the utility and volcanological relevance Journal of Volcanology and
Geothermal Research 2002 113 1-18
[7] Majumdar A Alencar AM Buldyrev SV Hantos Z Lutchen KR Stanley HE Suki B
Relating airway diameter distributions to regular branching asymmetry in the lung Phys Rev Lett 2005 95 168101
[8] Jelinek HF Fernandez E Neurons and fractals how reliable and useful are calculations of
fractal dimensions Journal of Neuroscience Methods 1998 81 9 ndash 18
[9] Chung HW HUANG YH Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the Diagnosis
of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology 2000 174 1055-1059
[10] Zaia A Eleonori R Maponi P Rossi R Murri R MR imaging and osteoporosis
fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute IEEE Trans Inf Technol Biomed 2006 10
484-489
[11] Stosic T Stosic B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels EEE Transactions
on MIedical Imaging 2006 25 1101-1107
[12] Goldberger AL Amaral LAN Hausdorff JM Ivanov PCh Peng CK Stanley
HE Fractal dynamics in physiology Alterations with disease and aging PNAS 2002 99
2466-2472
[13] Saacutenchez I Uzcaacutetegui G Fractals in dentistry Journal of Dentistry 2011 39 273-292
[14] Updike SX Nowzari H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res 2008 43 658-664
[15] Perotti V Aprile G Degidi M Piatelli A Lezzi G Fractal analysis a novel method to
assess roughness organization of implant surface topography Int J Peridontic Restorative
Dent 2011 31 633-639
[16] Ehrenfest D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol 2011 37 506-509
35
[17] Lezzi G Aprile G Tripodi D Scarano A Piatelli A Perotti V Implant surface
topographies analyzed using fractal dimension Implant Dent 2012 20 131-138
[18] Guo CY Tang ATH Matinlinna JP Insights into surface treatment methods of titanium
dental implants Journal of Adhesion Science amp Technology 2012 26 189ndash205
[19] Kokubo T Takadama H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
Biomaterials 2006 27 2907-2915
[20] Theiller J Estimating fractal dimension J Opt Soc Am 1990 7 1055-1073
[21] P Jensen A-L Barabaacutesi H Larralde S Havlin H E Stanley Model incorporating
deposition diffusion and aggregation in submonolayer nanostructures Phys Rev E (1994)
50 618ndash621
20
4 RESULTADOS E DISCUSSAtildeO
A Figura 3 mostra os cristais formados depois submersatildeo dos implantes em Simulador
de Fluiacutedos Corpoacutereos (SBF) por 30 dias obtidas com auxilio da Microscopia Eletrocircnica de
Varredura Observam-se as formas diferentes dos cristais (cristais grandes ou pequenos
distribuiacutedos uniformemente ou agrupados simples ou ramificados) para diferentes
tratamentos da superfiacutecie dos implantes A forma e a distribuiccedilatildeo espacial dos cristais
formados por SBF refletem o processo de osseointegraccedilatildeo e indicam que uma analise das
propriedades geomeacutetricas destas estruturas para vaacuterios tipos de tratamento da superfiacutecie dos
implantes poderia providenciar informaccedilotildees importantes para avaliaccedilatildeo da qualidade do
implante
A dimensatildeo fractal das imagens dos cristais formados por SBF nas superfiacutecies dos
implantes foi calculada para diferentes tratamentos da superfiacutecie As imagens da Figura 3
foram binarizadas como apresentado na Figura 4 e em seguida a dimensatildeo fractal foi
calculada utilizando o pacote FracLac do software gratuito ImageJ com meacutetodo ldquoBox
countingrdquo Os resultados destes caacutelculos satildeo apresentados na Tabela 3
21
Com jateamento Sem jateamento
Com
ata
que
aacutecid
o
Com
fosf
ato d
e caacute
lcio
S
em f
osf
ato d
e caacute
lcio
Sem
ata
que
aacutecid
o
Com
fosf
ato d
e caacute
lcio
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
Figura 3 Imagens das formaccedilotildees cristalinas nas superfiacutecies das amostras A-H
22
Figura 4 Imagens binarizadas das formaccedilotildees cristalinas nas superfiacutecies das
amostras A-H
Com jateamento
Sem jateamento
Com
ata
que
aacutecid
o
C
om
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
ata
que
aacutecid
o
C
om
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
23
Tabela 3 Dimensatildeo Fractal (desvio padratildeo) das imagens binarizadas apresentadas na Fig 4
Com aacutecido Sem aacutecido
Com fosfato
de caacutelcio
Sem fosfato
de caacutelcio
Com fosfato
de caacutelcio
Sem fosfato
de caacutelcio
Com jateamento 1859 (0014) 1930 (0015) 1693 (0011) 1903 (0014)
Sem jateamento 1920 (0015) 1845 (0013) 1881 (0014) 1687 (0012)
Na Tabela 3 observa-se a maior dimensatildeo fractal dos cristais formados na superfiacutecie
dos implantes tratados com aacutecido do que em tratamentos sem aacutecido indicando maior
preenchimento espacial dos cristais Este resultado pode ser explicado pelo fato que o
tratamento com acido produz uma superfiacutecie de maior rugosidade aumentando a aacuterea de
contato que pode causar uma deposiccedilatildeo maior e mais uniforme As superfiacutecies apenas
maquinadas que natildeo receberam nenhum tratamento tambeacutem apresentaram as formaccedilotildees de
cristais apoacutes imersatildeo no SBF por 30 dias poreacutem em quantidades aparentemente menores
resultando em menor dimensatildeo fractal (1687) do que para as superfiacutecies com tratamentos
diferentes
24
5 CONCLUSAtildeO
A dimensatildeo fractal das imagens dos implantes de titacircnio submetidos agraves diferentes
combinaccedilotildees dos tratamentos da superfiacutecie e submersos em Simulador de Fluiacutedos Corpoacutereos
por 30 dias varia entre Df=168 ate Df=193 refletindo a complexidade da formaccedilatildeo cristal
caracterizada por pequenos ou grandes cristais depositados localmente ou de forma uniforme
com geometria simples ou dendritica dependendo da combinaccedilatildeo dos tratamentos A menor
dimensatildeo fractal de Df=168 foi obtida para amostras sem tratamento nenhum enquanto a
maior dimensatildeo fractal de Df=193 foi obtida para amostras com jateamento e ataque aacutecido
(sem fosfato de caacutelcio) Ataque aacutecido foi identificado como uacutenico dos tratamentos que leva
sistematicamente ao aumento da dimensatildeo cristal enquanto o tamanho e a distribuiccedilatildeo
espacial dos cristais formados demonstram grande diversidade sem aparente dependecircncia em
nenhum dos tratamentos Estudos sistemaacuteticos ldquoin vivordquo satildeo necessaacuterios para estabelecer
quais combinaccedilotildees destes tratamentos de superfiacutecie geram implantes mais biologicamente
estaacuteveis e mecanicamente robustos e como estas propriedades podem ser associadas com a
dimensatildeo fractal dos cristais depositados
25
REFEREcircNCIAS
BARROS NETO B SCHARMINIO I E BRUNS R E Como Fazer experimentos
Pesquisa e desenvolvimento na ciecircncia e na Induacutestria 2 ed- Campinas-SP Editora
Unicamp 2003
BASSINTHWAITGHT JB LIEBOVITCH LS BRUCE JW Fractal physiology New
York Oxford American Physiological Society 1994
BRAringNEMARK R et al Bone response to laser-induced micro- and nano-size titanium
surface features Nanomedicine v 7 n 2 p 220-227 2011
BRAringNEMARK PI et al Osseointegreated implants in the treatment of edentulous jaw
Experience from a 10- year period Scand J Plast Reconst Surg Suppl v 16 p 1-132
1977
CARNEIRO-CAMPOS LE et al The effect of titanium topography features on mesenchymal
human stromal cells adhesion Clin Oral Implants Res v 21 n 2 p 251-254 2010
CHUNG H-W HUANG Y-H Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the
Diagnosis of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology v 174 p
1055-1059 2000
EHRENFEST D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol v 37 p 506-509 2011
GAO L et al MicroNanostructural Porous Surface on Titanium and Bioactivity J Biomed
Mater Res Part B Appl Biomater v 89B n 2 p 335ndash341 2009
GOUVEIA DS Obtenccedilatildeo de poacutes nanomeacutetricos de hidroxiapatita sintetizados com
magneacutesio utilizando ultra-som Tese Instituto de Pesquisas Energeacuteticas e Nucleares S
Paulo 2008
HAMLET S et al The effect of hydrophilic titanium surface modification on macrophage
inflammatory cytokine gene expression Clin Oral Implants Res v 23 n 5 p 584-90
2012
IVANOV PCH et al Multifractality in Human Heartbeat Dynamics Nature v 399 p
461-465 1999
KAumlMMERER PW et al Early implant healing promotion of platelet activation and
cytokine release by topographical chemical and biomimetical titanium surface modifications
in vitro Clin Oral Implants Res v 23 n4 p 504-10 2012
26
KOKUBO TTAKADAMA H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
BIOMATERIALS v 27 n 15 p 2907-2915 2006
LEZZIG et al Implant surface topographies analyzed using fractal dimension Implant
Dent v 20 p 131-138 2012
MANDELBROT BB How long is the coast of Britain Statistical self-similarity and
fractional dimension Science 156 1967 636-638
MANDELBROT BB The Fractal Geometry of Nature New York 1983
MARQUES C Tratamento de superfiacutecies de implantes de titacircnio Dissertaccedilatildeo de
Mestrado apresentada ao Curso de Mestrado em Ciecircncia dos Materiais do Instituto Militar de
Engenharia (IME) 2007
MISCH CE Misch bone density classification In Misch CE ed Contemporary Implant
Densitry 113-114 St Luis Mosby Inc 2009
NOVAES ABJR et al Influence of Implant Surfaces on Osseointegration Braz Dent J v
21 n 6 p 471-481 2010
ORSINI E et al Early Healing Events around Titanium Implant Devices with Different
Surface Microtopography A Pilot Study in an In Vivo Rabbit Model The Scientific World
Journal 349042 2012
PARK S et al The Effect of Fluoride Treatment on Titanium Treated with Anodic Spark
Oxidation Metals and Materials International v 13 n 2 p 117-122 2007
PERROTTI V et al Fractal Analysis A Novel Method to Assess Roughness Organization of
Implant Surface Topography International Journal of Periodontics amp Restorative
Dentistry v 31 n 6 p 633-639 2011
SAacuteNCHEZ I UZCAacuteTEGUI G Fractals in dentistry Journal of Dentistry v 39 n 4 p
273-292 2011
STOSIC T STOSIC B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels IEEE
Transactions on Medical Imaging v 25 p 1101-1107 2006
SULTANA R et al Effects of heat treatment on the bioactivity of surface-modified titanium
in calcium solution Biomed Mater Eng v 19 n 2 p 193-204 2009
TAPASH RR NARAYANAN R KIM K-H Ion implantation of titanium based
biomaterials Progress in Materials Science v 56 n 8 p 1137-1177 2011
27
UPDIKE SX NOWZARI H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res v 43 n 6 p 658-664 2008
WENNERBERG A ALBREKTSSON T Effects of titanium surface topography on bone
integration a systematic review Clin Oral Implants Res v 20 n 4 p 172-84 2009
WUY-T et al Fractal dimension analysis for quantifying cerebellar morphological change
of multiple system atrophy of the cerebellar type (MSA-C) NeuroImage v 49 n 1 p 539-
551 2010
ZAIA A et al MR imaging and osteoporosis fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute
IEEE Trans Inf Technol Biomed v 10 n 3 p 484-489 2006
ZHANG F et al Cell response of titanium implant with a roughened surface containing
titanium hydride an in vitro study J Oral Maxillofac Surg v 68 n 5 p 1131-1139 2010
28
APEcircNDICE
Artigo submetido agrave publicaccedilatildeo na revista
Fractal measure and microscopic modeling of osseointegration
Leonardo Cavalcanti Bezerra dos Santos1 Alessandra de Albuquerque Tavares Carvalho
1
Borko Stosic2 Tatijana Stosic
2 Paulo Jose Duarte Neto
2
1Departamento de Cliacutenica e Odontologia Preventiva Universidade Federal de Pernambuco
Quarta Travessa Artur de Saacute sn Cidade Universitaacuteria 50670-901 Recife PE Brazil
2Departamento de Estatiacutestica e Informaacutetica Universidade Federal Rural de Pernambuco
Rua Dom Manoel de Medeiros sn Dois Irmatildeos 52171-900 Recife PE Brazil
Abstract
In this work the process of osseointegration on titanium implant surfaces with
different physicochemical treatment subjected to a simulated corporal fluid
submersion is evaluated using the concept of fractal dimension It is found that
different treatments lead to rather different calcium phosphate crystal growth
patterns with fractal dimension ranging from Df=168 to Df=193 The
observed crystal patterns may be explained by a general deposition- diffusion-
aggregation growth mechanism where diffusing particle sticking probability
plays a fundamental role
Key words dental implants osseointegration fractal dimension
Introduction
Practical techniques enhancing implant osseointegration represent a fundamental
research topic not only in dentistry but also in other diverse areas of medicine and veterinary
sciences where bone implants or bone restoration is applied [1-3] While great advances in
this direction have undoubtedly been made over the past decades the full understanding is
still lacking on the effects of different implant surface physicochemical treatments as well as
on the microscopic mechanisms of the posterior osseointegration process [4]
Fractal dimension is a novel concept that has been increasingly employed in diverse
areas of knowledge for quantifying the complexity of natural phenomena ranging from
coastlines [5] and shape of volcanic ash particles [6] bronchial tree [7] and neurons [8]
Fractals are in fact commonly found in nature being characterized by scale invariance and
29
self-similarity During the last decades fractal analysis was used in studying diverse
phenomena in physiology and medicine including pulmonary emphysema [9] osteoporoses
[10] retinal blood vessels [11] and heart rate [12] The potential of fractal analysis was also
explored in dentistry [1314] Recently fractal dimension was used to quantify the surface
roughness of dental implants and shown to be promising to differentiate between topological
properties of dental implant surfaces obtained with different treatments [151617]
In this work we follow up on recent studies [15-17] as to how one may employ fractal
analysis to assess roughness organization of implant surface topology Rather than
concentrating on the implant surface properties subject to different physicochemical treatment
processes [15] here we put the emphasis on the results of simulated body fluid submersion
representing a step forward in understanding of implant osseointegration
Materials and Methods
Machined titanium implant samples were first subjected to different combinations of
a) sand blasting with aluminum oxide b) treatment with hydrofluoric acid and c) treatment
with calcium phosphate [18] after which they were submersed in a simulated body fluid [19]
for thirty days Magnified images of these samples were then acquired through scanning
electron microscopy as shown in Fig1 and subjected to image analysis
As opposed to fractal analysis performed in [15] to find the fractal dimension here we
only binarize the images as shown in Fig2 without skeletonization since we are interested in
crystal formation and it was found that skeletonization introduces artefacts (local networks of
lines) not apparent in the original crystal structure There are various methods for fractal
dimension calculation among which the box-counting method is perhaps the most widely
used because of its simplicity and robustness [20] It proceeds as follows Cover the structure
with a grid of size r and count the number of nonempty grid boxes )(rn Repeat this
procedure for different grid size for fractal self-similar structures 0~)(D
rrn
Box-counting
dimension is defined as
)1log(
)(loglim
0 r
rnD
rf
and can be estimated as the slope of the linear regression of )(log rn versus )1log( r We
calculate fractal dimension using the box counting method implemented in the FracLac
Package of open source software ImageJ
30
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid
tre
atm
ent
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 1 Electron microscope images of samples with different treatment after
submersion in simulated body fluid
31
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid t
reat
men
t
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 2 Same images as in Fig1 after binarization
32
Results and Discussion
It is seen on Fig1 that different combinations of implant surface treatment lead to
rather different crystal pattern formation during the simulated body fluid submersion No clear
conclusions can be drawn as to the size of spatial distribution of formed crystals
corresponding to any single treatment rather it is the combinations of these procedures that
lead to specific resulting structures Large and small crystals uniformly or locally deposited
of simple or dendritic shape are found for different treatment combinations and further in
vivo studies are necessary to determine which of these provide more robust implants with
best mechanical properties
In line with the previous study [15] that has motivated the current work we calculate
the fractal dimension of binarized images shown in Fig2 with the results presented in Table
1 The obtained fractal dimension values vary between Df=168 and Df=193 indicating the
potential of this method to quantify spatial complexity of formed crystals for different implant
surface treatments It is seen from Table 1 that in general the fractal dimension of implant
surface after submersion in SBF tends to be greater in the cases of treatment with acid
(keeping the same combination of sand blasting and calcium phosphate coating) that reflects
the fact that acid etching produces micro pits on titanium surface that greatly enhance
osseointegration [4] The highest value of fractal dimension (193) is obtained for the implant
treated by sand blasting and acid etching indicating that the surface roughness produced by
this treatment results in more uniform and more space filling crystal deposits The fractal
dimension of surfaces treated only by sand blasting acid etching and calcium phosphate are
1903 1845 and 1881 respectively and they are significantly higher than the fractal
dimension of untreated surface (1687) confirming the role of implant surface chemistry and
topology in the process of osseointegration Although our results show that surface topology
of treated implants has higher fractal dimension than that of untreated implants it is still not
clear which treatment or combination of treatments produces the best surfaces for
osseointegration It is also seen from Table 1 that the fractal dimension is higher for all of the
treated surfaces in comparison with the surface without any treatments (with the smallest
fractal dimension value) which reflects the fact that all these treatments produce surface
effects that favorably influence the complexity of the final crystal structure On the other
hand there is no clear evidence as to how these values may be associated with the quality of
implants without further in vivo experiments
33
Table 1 Fractal dimension (standard deviation) of binarized images shown in Fig2
Acid treatment No acid
Calcium
phosphate
No calcium
phosphate
Calcium
phosphate
No calcium
Phosphate
Sand blasted 1859 (0014) 1930 (0015) 1693 (0011) 1903 (0014)
No sand blasting 1920 (0015) 1845 (0013) 1881 (0014) 1687 (0012)
The current study suggests that a general Deposition Difusion Aggregation (DDA)
model [21] may be used to describe crystal formation in the different scenarios covered in the
present work One may perceive that the molecules present in the solution deposit on the
implant surface and move along this surface until they reach other such molecules andor
already crystallized formations where they become incorporated into the crystal structure
The concentration of the (in the current experiment simulated corporal) fluid determines the
flux of deposition and the mobility of the molecules (and perhaps larger molecular
agglomerates) is governed by the topology (roughness) of the implant surface It is well
known [21] that the flux and mobility of aggregate particles lead to rather different deposition
patterns ranging from many uniformly distributed small DLA (Diffusion Limited
Aggregation) like crystals to large dendritic structures and the DDA model apparently
represents an excellent candidate to describe the diversity of observed crystal patterns seen
on the electron microscope images of Fig 1
Conclusion
We apply fractal analysis on binarized scanning electron microscopy images of the
surface of titanium implants that were first subjected to different treatment combinations of i)
sand blasting ii) acid etching and iii) exposition to calcium phosphate and were then
submersed in a simulated corporal fluid for thirty days The obtained fractal dimension values
vary between Df=168 to Df=193 reflecting the complexity and space filling property of the
final crystal structure characterized by large and small crystals uniformly or locally
deposited of simple or dendritic shape that were found for different treatment combinations
Further in vivo studies are necessary to determine how these values may be associated with
the quality of implants
34
References
[1] Albrektsson T Sennerby L Wennerberg A State of the art of oral implants Periodontol
2000 2008 47 15-26
[2] Wazen JJ Gupta R Ghossaini S Spitzer J Farrugia M Tjellstrom A
Osseointegration timing for Baha system loading Laryngoscope 2007 117 794-796
[3] Palmquist A Jarmar T Emanuelsson L Braringnemark R Engqvist H Thomsen P
Forearm bone-anchored amputationprosthesis a case study on the osseointegration Acta
Orthop 2008 79 78-85
[4] Le Gueacutehennec L Soueidan A Layrolle P Amouriq Y Surface treatments of titanium
dental implants for rapid osseointegration Dental Materiasl 2007 23 844-854
[5] Mandelbrot BB The Fractal Geometry of Nature New York Freeman 1983 25
[6]Dellino PLiotino G The fractal and multifractal dimension of volcanic ash particles
contour a test study on the utility and volcanological relevance Journal of Volcanology and
Geothermal Research 2002 113 1-18
[7] Majumdar A Alencar AM Buldyrev SV Hantos Z Lutchen KR Stanley HE Suki B
Relating airway diameter distributions to regular branching asymmetry in the lung Phys Rev Lett 2005 95 168101
[8] Jelinek HF Fernandez E Neurons and fractals how reliable and useful are calculations of
fractal dimensions Journal of Neuroscience Methods 1998 81 9 ndash 18
[9] Chung HW HUANG YH Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the Diagnosis
of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology 2000 174 1055-1059
[10] Zaia A Eleonori R Maponi P Rossi R Murri R MR imaging and osteoporosis
fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute IEEE Trans Inf Technol Biomed 2006 10
484-489
[11] Stosic T Stosic B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels EEE Transactions
on MIedical Imaging 2006 25 1101-1107
[12] Goldberger AL Amaral LAN Hausdorff JM Ivanov PCh Peng CK Stanley
HE Fractal dynamics in physiology Alterations with disease and aging PNAS 2002 99
2466-2472
[13] Saacutenchez I Uzcaacutetegui G Fractals in dentistry Journal of Dentistry 2011 39 273-292
[14] Updike SX Nowzari H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res 2008 43 658-664
[15] Perotti V Aprile G Degidi M Piatelli A Lezzi G Fractal analysis a novel method to
assess roughness organization of implant surface topography Int J Peridontic Restorative
Dent 2011 31 633-639
[16] Ehrenfest D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol 2011 37 506-509
35
[17] Lezzi G Aprile G Tripodi D Scarano A Piatelli A Perotti V Implant surface
topographies analyzed using fractal dimension Implant Dent 2012 20 131-138
[18] Guo CY Tang ATH Matinlinna JP Insights into surface treatment methods of titanium
dental implants Journal of Adhesion Science amp Technology 2012 26 189ndash205
[19] Kokubo T Takadama H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
Biomaterials 2006 27 2907-2915
[20] Theiller J Estimating fractal dimension J Opt Soc Am 1990 7 1055-1073
[21] P Jensen A-L Barabaacutesi H Larralde S Havlin H E Stanley Model incorporating
deposition diffusion and aggregation in submonolayer nanostructures Phys Rev E (1994)
50 618ndash621
21
Com jateamento Sem jateamento
Com
ata
que
aacutecid
o
Com
fosf
ato d
e caacute
lcio
S
em f
osf
ato d
e caacute
lcio
Sem
ata
que
aacutecid
o
Com
fosf
ato d
e caacute
lcio
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
Figura 3 Imagens das formaccedilotildees cristalinas nas superfiacutecies das amostras A-H
22
Figura 4 Imagens binarizadas das formaccedilotildees cristalinas nas superfiacutecies das
amostras A-H
Com jateamento
Sem jateamento
Com
ata
que
aacutecid
o
C
om
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
ata
que
aacutecid
o
C
om
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
23
Tabela 3 Dimensatildeo Fractal (desvio padratildeo) das imagens binarizadas apresentadas na Fig 4
Com aacutecido Sem aacutecido
Com fosfato
de caacutelcio
Sem fosfato
de caacutelcio
Com fosfato
de caacutelcio
Sem fosfato
de caacutelcio
Com jateamento 1859 (0014) 1930 (0015) 1693 (0011) 1903 (0014)
Sem jateamento 1920 (0015) 1845 (0013) 1881 (0014) 1687 (0012)
Na Tabela 3 observa-se a maior dimensatildeo fractal dos cristais formados na superfiacutecie
dos implantes tratados com aacutecido do que em tratamentos sem aacutecido indicando maior
preenchimento espacial dos cristais Este resultado pode ser explicado pelo fato que o
tratamento com acido produz uma superfiacutecie de maior rugosidade aumentando a aacuterea de
contato que pode causar uma deposiccedilatildeo maior e mais uniforme As superfiacutecies apenas
maquinadas que natildeo receberam nenhum tratamento tambeacutem apresentaram as formaccedilotildees de
cristais apoacutes imersatildeo no SBF por 30 dias poreacutem em quantidades aparentemente menores
resultando em menor dimensatildeo fractal (1687) do que para as superfiacutecies com tratamentos
diferentes
24
5 CONCLUSAtildeO
A dimensatildeo fractal das imagens dos implantes de titacircnio submetidos agraves diferentes
combinaccedilotildees dos tratamentos da superfiacutecie e submersos em Simulador de Fluiacutedos Corpoacutereos
por 30 dias varia entre Df=168 ate Df=193 refletindo a complexidade da formaccedilatildeo cristal
caracterizada por pequenos ou grandes cristais depositados localmente ou de forma uniforme
com geometria simples ou dendritica dependendo da combinaccedilatildeo dos tratamentos A menor
dimensatildeo fractal de Df=168 foi obtida para amostras sem tratamento nenhum enquanto a
maior dimensatildeo fractal de Df=193 foi obtida para amostras com jateamento e ataque aacutecido
(sem fosfato de caacutelcio) Ataque aacutecido foi identificado como uacutenico dos tratamentos que leva
sistematicamente ao aumento da dimensatildeo cristal enquanto o tamanho e a distribuiccedilatildeo
espacial dos cristais formados demonstram grande diversidade sem aparente dependecircncia em
nenhum dos tratamentos Estudos sistemaacuteticos ldquoin vivordquo satildeo necessaacuterios para estabelecer
quais combinaccedilotildees destes tratamentos de superfiacutecie geram implantes mais biologicamente
estaacuteveis e mecanicamente robustos e como estas propriedades podem ser associadas com a
dimensatildeo fractal dos cristais depositados
25
REFEREcircNCIAS
BARROS NETO B SCHARMINIO I E BRUNS R E Como Fazer experimentos
Pesquisa e desenvolvimento na ciecircncia e na Induacutestria 2 ed- Campinas-SP Editora
Unicamp 2003
BASSINTHWAITGHT JB LIEBOVITCH LS BRUCE JW Fractal physiology New
York Oxford American Physiological Society 1994
BRAringNEMARK R et al Bone response to laser-induced micro- and nano-size titanium
surface features Nanomedicine v 7 n 2 p 220-227 2011
BRAringNEMARK PI et al Osseointegreated implants in the treatment of edentulous jaw
Experience from a 10- year period Scand J Plast Reconst Surg Suppl v 16 p 1-132
1977
CARNEIRO-CAMPOS LE et al The effect of titanium topography features on mesenchymal
human stromal cells adhesion Clin Oral Implants Res v 21 n 2 p 251-254 2010
CHUNG H-W HUANG Y-H Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the
Diagnosis of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology v 174 p
1055-1059 2000
EHRENFEST D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol v 37 p 506-509 2011
GAO L et al MicroNanostructural Porous Surface on Titanium and Bioactivity J Biomed
Mater Res Part B Appl Biomater v 89B n 2 p 335ndash341 2009
GOUVEIA DS Obtenccedilatildeo de poacutes nanomeacutetricos de hidroxiapatita sintetizados com
magneacutesio utilizando ultra-som Tese Instituto de Pesquisas Energeacuteticas e Nucleares S
Paulo 2008
HAMLET S et al The effect of hydrophilic titanium surface modification on macrophage
inflammatory cytokine gene expression Clin Oral Implants Res v 23 n 5 p 584-90
2012
IVANOV PCH et al Multifractality in Human Heartbeat Dynamics Nature v 399 p
461-465 1999
KAumlMMERER PW et al Early implant healing promotion of platelet activation and
cytokine release by topographical chemical and biomimetical titanium surface modifications
in vitro Clin Oral Implants Res v 23 n4 p 504-10 2012
26
KOKUBO TTAKADAMA H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
BIOMATERIALS v 27 n 15 p 2907-2915 2006
LEZZIG et al Implant surface topographies analyzed using fractal dimension Implant
Dent v 20 p 131-138 2012
MANDELBROT BB How long is the coast of Britain Statistical self-similarity and
fractional dimension Science 156 1967 636-638
MANDELBROT BB The Fractal Geometry of Nature New York 1983
MARQUES C Tratamento de superfiacutecies de implantes de titacircnio Dissertaccedilatildeo de
Mestrado apresentada ao Curso de Mestrado em Ciecircncia dos Materiais do Instituto Militar de
Engenharia (IME) 2007
MISCH CE Misch bone density classification In Misch CE ed Contemporary Implant
Densitry 113-114 St Luis Mosby Inc 2009
NOVAES ABJR et al Influence of Implant Surfaces on Osseointegration Braz Dent J v
21 n 6 p 471-481 2010
ORSINI E et al Early Healing Events around Titanium Implant Devices with Different
Surface Microtopography A Pilot Study in an In Vivo Rabbit Model The Scientific World
Journal 349042 2012
PARK S et al The Effect of Fluoride Treatment on Titanium Treated with Anodic Spark
Oxidation Metals and Materials International v 13 n 2 p 117-122 2007
PERROTTI V et al Fractal Analysis A Novel Method to Assess Roughness Organization of
Implant Surface Topography International Journal of Periodontics amp Restorative
Dentistry v 31 n 6 p 633-639 2011
SAacuteNCHEZ I UZCAacuteTEGUI G Fractals in dentistry Journal of Dentistry v 39 n 4 p
273-292 2011
STOSIC T STOSIC B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels IEEE
Transactions on Medical Imaging v 25 p 1101-1107 2006
SULTANA R et al Effects of heat treatment on the bioactivity of surface-modified titanium
in calcium solution Biomed Mater Eng v 19 n 2 p 193-204 2009
TAPASH RR NARAYANAN R KIM K-H Ion implantation of titanium based
biomaterials Progress in Materials Science v 56 n 8 p 1137-1177 2011
27
UPDIKE SX NOWZARI H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res v 43 n 6 p 658-664 2008
WENNERBERG A ALBREKTSSON T Effects of titanium surface topography on bone
integration a systematic review Clin Oral Implants Res v 20 n 4 p 172-84 2009
WUY-T et al Fractal dimension analysis for quantifying cerebellar morphological change
of multiple system atrophy of the cerebellar type (MSA-C) NeuroImage v 49 n 1 p 539-
551 2010
ZAIA A et al MR imaging and osteoporosis fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute
IEEE Trans Inf Technol Biomed v 10 n 3 p 484-489 2006
ZHANG F et al Cell response of titanium implant with a roughened surface containing
titanium hydride an in vitro study J Oral Maxillofac Surg v 68 n 5 p 1131-1139 2010
28
APEcircNDICE
Artigo submetido agrave publicaccedilatildeo na revista
Fractal measure and microscopic modeling of osseointegration
Leonardo Cavalcanti Bezerra dos Santos1 Alessandra de Albuquerque Tavares Carvalho
1
Borko Stosic2 Tatijana Stosic
2 Paulo Jose Duarte Neto
2
1Departamento de Cliacutenica e Odontologia Preventiva Universidade Federal de Pernambuco
Quarta Travessa Artur de Saacute sn Cidade Universitaacuteria 50670-901 Recife PE Brazil
2Departamento de Estatiacutestica e Informaacutetica Universidade Federal Rural de Pernambuco
Rua Dom Manoel de Medeiros sn Dois Irmatildeos 52171-900 Recife PE Brazil
Abstract
In this work the process of osseointegration on titanium implant surfaces with
different physicochemical treatment subjected to a simulated corporal fluid
submersion is evaluated using the concept of fractal dimension It is found that
different treatments lead to rather different calcium phosphate crystal growth
patterns with fractal dimension ranging from Df=168 to Df=193 The
observed crystal patterns may be explained by a general deposition- diffusion-
aggregation growth mechanism where diffusing particle sticking probability
plays a fundamental role
Key words dental implants osseointegration fractal dimension
Introduction
Practical techniques enhancing implant osseointegration represent a fundamental
research topic not only in dentistry but also in other diverse areas of medicine and veterinary
sciences where bone implants or bone restoration is applied [1-3] While great advances in
this direction have undoubtedly been made over the past decades the full understanding is
still lacking on the effects of different implant surface physicochemical treatments as well as
on the microscopic mechanisms of the posterior osseointegration process [4]
Fractal dimension is a novel concept that has been increasingly employed in diverse
areas of knowledge for quantifying the complexity of natural phenomena ranging from
coastlines [5] and shape of volcanic ash particles [6] bronchial tree [7] and neurons [8]
Fractals are in fact commonly found in nature being characterized by scale invariance and
29
self-similarity During the last decades fractal analysis was used in studying diverse
phenomena in physiology and medicine including pulmonary emphysema [9] osteoporoses
[10] retinal blood vessels [11] and heart rate [12] The potential of fractal analysis was also
explored in dentistry [1314] Recently fractal dimension was used to quantify the surface
roughness of dental implants and shown to be promising to differentiate between topological
properties of dental implant surfaces obtained with different treatments [151617]
In this work we follow up on recent studies [15-17] as to how one may employ fractal
analysis to assess roughness organization of implant surface topology Rather than
concentrating on the implant surface properties subject to different physicochemical treatment
processes [15] here we put the emphasis on the results of simulated body fluid submersion
representing a step forward in understanding of implant osseointegration
Materials and Methods
Machined titanium implant samples were first subjected to different combinations of
a) sand blasting with aluminum oxide b) treatment with hydrofluoric acid and c) treatment
with calcium phosphate [18] after which they were submersed in a simulated body fluid [19]
for thirty days Magnified images of these samples were then acquired through scanning
electron microscopy as shown in Fig1 and subjected to image analysis
As opposed to fractal analysis performed in [15] to find the fractal dimension here we
only binarize the images as shown in Fig2 without skeletonization since we are interested in
crystal formation and it was found that skeletonization introduces artefacts (local networks of
lines) not apparent in the original crystal structure There are various methods for fractal
dimension calculation among which the box-counting method is perhaps the most widely
used because of its simplicity and robustness [20] It proceeds as follows Cover the structure
with a grid of size r and count the number of nonempty grid boxes )(rn Repeat this
procedure for different grid size for fractal self-similar structures 0~)(D
rrn
Box-counting
dimension is defined as
)1log(
)(loglim
0 r
rnD
rf
and can be estimated as the slope of the linear regression of )(log rn versus )1log( r We
calculate fractal dimension using the box counting method implemented in the FracLac
Package of open source software ImageJ
30
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid
tre
atm
ent
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 1 Electron microscope images of samples with different treatment after
submersion in simulated body fluid
31
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid t
reat
men
t
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 2 Same images as in Fig1 after binarization
32
Results and Discussion
It is seen on Fig1 that different combinations of implant surface treatment lead to
rather different crystal pattern formation during the simulated body fluid submersion No clear
conclusions can be drawn as to the size of spatial distribution of formed crystals
corresponding to any single treatment rather it is the combinations of these procedures that
lead to specific resulting structures Large and small crystals uniformly or locally deposited
of simple or dendritic shape are found for different treatment combinations and further in
vivo studies are necessary to determine which of these provide more robust implants with
best mechanical properties
In line with the previous study [15] that has motivated the current work we calculate
the fractal dimension of binarized images shown in Fig2 with the results presented in Table
1 The obtained fractal dimension values vary between Df=168 and Df=193 indicating the
potential of this method to quantify spatial complexity of formed crystals for different implant
surface treatments It is seen from Table 1 that in general the fractal dimension of implant
surface after submersion in SBF tends to be greater in the cases of treatment with acid
(keeping the same combination of sand blasting and calcium phosphate coating) that reflects
the fact that acid etching produces micro pits on titanium surface that greatly enhance
osseointegration [4] The highest value of fractal dimension (193) is obtained for the implant
treated by sand blasting and acid etching indicating that the surface roughness produced by
this treatment results in more uniform and more space filling crystal deposits The fractal
dimension of surfaces treated only by sand blasting acid etching and calcium phosphate are
1903 1845 and 1881 respectively and they are significantly higher than the fractal
dimension of untreated surface (1687) confirming the role of implant surface chemistry and
topology in the process of osseointegration Although our results show that surface topology
of treated implants has higher fractal dimension than that of untreated implants it is still not
clear which treatment or combination of treatments produces the best surfaces for
osseointegration It is also seen from Table 1 that the fractal dimension is higher for all of the
treated surfaces in comparison with the surface without any treatments (with the smallest
fractal dimension value) which reflects the fact that all these treatments produce surface
effects that favorably influence the complexity of the final crystal structure On the other
hand there is no clear evidence as to how these values may be associated with the quality of
implants without further in vivo experiments
33
Table 1 Fractal dimension (standard deviation) of binarized images shown in Fig2
Acid treatment No acid
Calcium
phosphate
No calcium
phosphate
Calcium
phosphate
No calcium
Phosphate
Sand blasted 1859 (0014) 1930 (0015) 1693 (0011) 1903 (0014)
No sand blasting 1920 (0015) 1845 (0013) 1881 (0014) 1687 (0012)
The current study suggests that a general Deposition Difusion Aggregation (DDA)
model [21] may be used to describe crystal formation in the different scenarios covered in the
present work One may perceive that the molecules present in the solution deposit on the
implant surface and move along this surface until they reach other such molecules andor
already crystallized formations where they become incorporated into the crystal structure
The concentration of the (in the current experiment simulated corporal) fluid determines the
flux of deposition and the mobility of the molecules (and perhaps larger molecular
agglomerates) is governed by the topology (roughness) of the implant surface It is well
known [21] that the flux and mobility of aggregate particles lead to rather different deposition
patterns ranging from many uniformly distributed small DLA (Diffusion Limited
Aggregation) like crystals to large dendritic structures and the DDA model apparently
represents an excellent candidate to describe the diversity of observed crystal patterns seen
on the electron microscope images of Fig 1
Conclusion
We apply fractal analysis on binarized scanning electron microscopy images of the
surface of titanium implants that were first subjected to different treatment combinations of i)
sand blasting ii) acid etching and iii) exposition to calcium phosphate and were then
submersed in a simulated corporal fluid for thirty days The obtained fractal dimension values
vary between Df=168 to Df=193 reflecting the complexity and space filling property of the
final crystal structure characterized by large and small crystals uniformly or locally
deposited of simple or dendritic shape that were found for different treatment combinations
Further in vivo studies are necessary to determine how these values may be associated with
the quality of implants
34
References
[1] Albrektsson T Sennerby L Wennerberg A State of the art of oral implants Periodontol
2000 2008 47 15-26
[2] Wazen JJ Gupta R Ghossaini S Spitzer J Farrugia M Tjellstrom A
Osseointegration timing for Baha system loading Laryngoscope 2007 117 794-796
[3] Palmquist A Jarmar T Emanuelsson L Braringnemark R Engqvist H Thomsen P
Forearm bone-anchored amputationprosthesis a case study on the osseointegration Acta
Orthop 2008 79 78-85
[4] Le Gueacutehennec L Soueidan A Layrolle P Amouriq Y Surface treatments of titanium
dental implants for rapid osseointegration Dental Materiasl 2007 23 844-854
[5] Mandelbrot BB The Fractal Geometry of Nature New York Freeman 1983 25
[6]Dellino PLiotino G The fractal and multifractal dimension of volcanic ash particles
contour a test study on the utility and volcanological relevance Journal of Volcanology and
Geothermal Research 2002 113 1-18
[7] Majumdar A Alencar AM Buldyrev SV Hantos Z Lutchen KR Stanley HE Suki B
Relating airway diameter distributions to regular branching asymmetry in the lung Phys Rev Lett 2005 95 168101
[8] Jelinek HF Fernandez E Neurons and fractals how reliable and useful are calculations of
fractal dimensions Journal of Neuroscience Methods 1998 81 9 ndash 18
[9] Chung HW HUANG YH Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the Diagnosis
of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology 2000 174 1055-1059
[10] Zaia A Eleonori R Maponi P Rossi R Murri R MR imaging and osteoporosis
fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute IEEE Trans Inf Technol Biomed 2006 10
484-489
[11] Stosic T Stosic B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels EEE Transactions
on MIedical Imaging 2006 25 1101-1107
[12] Goldberger AL Amaral LAN Hausdorff JM Ivanov PCh Peng CK Stanley
HE Fractal dynamics in physiology Alterations with disease and aging PNAS 2002 99
2466-2472
[13] Saacutenchez I Uzcaacutetegui G Fractals in dentistry Journal of Dentistry 2011 39 273-292
[14] Updike SX Nowzari H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res 2008 43 658-664
[15] Perotti V Aprile G Degidi M Piatelli A Lezzi G Fractal analysis a novel method to
assess roughness organization of implant surface topography Int J Peridontic Restorative
Dent 2011 31 633-639
[16] Ehrenfest D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol 2011 37 506-509
35
[17] Lezzi G Aprile G Tripodi D Scarano A Piatelli A Perotti V Implant surface
topographies analyzed using fractal dimension Implant Dent 2012 20 131-138
[18] Guo CY Tang ATH Matinlinna JP Insights into surface treatment methods of titanium
dental implants Journal of Adhesion Science amp Technology 2012 26 189ndash205
[19] Kokubo T Takadama H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
Biomaterials 2006 27 2907-2915
[20] Theiller J Estimating fractal dimension J Opt Soc Am 1990 7 1055-1073
[21] P Jensen A-L Barabaacutesi H Larralde S Havlin H E Stanley Model incorporating
deposition diffusion and aggregation in submonolayer nanostructures Phys Rev E (1994)
50 618ndash621
22
Figura 4 Imagens binarizadas das formaccedilotildees cristalinas nas superfiacutecies das
amostras A-H
Com jateamento
Sem jateamento
Com
ata
que
aacutecid
o
C
om
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
ata
que
aacutecid
o
C
om
fosf
ato d
e caacute
lcio
Sem
fosf
ato d
e caacute
lcio
23
Tabela 3 Dimensatildeo Fractal (desvio padratildeo) das imagens binarizadas apresentadas na Fig 4
Com aacutecido Sem aacutecido
Com fosfato
de caacutelcio
Sem fosfato
de caacutelcio
Com fosfato
de caacutelcio
Sem fosfato
de caacutelcio
Com jateamento 1859 (0014) 1930 (0015) 1693 (0011) 1903 (0014)
Sem jateamento 1920 (0015) 1845 (0013) 1881 (0014) 1687 (0012)
Na Tabela 3 observa-se a maior dimensatildeo fractal dos cristais formados na superfiacutecie
dos implantes tratados com aacutecido do que em tratamentos sem aacutecido indicando maior
preenchimento espacial dos cristais Este resultado pode ser explicado pelo fato que o
tratamento com acido produz uma superfiacutecie de maior rugosidade aumentando a aacuterea de
contato que pode causar uma deposiccedilatildeo maior e mais uniforme As superfiacutecies apenas
maquinadas que natildeo receberam nenhum tratamento tambeacutem apresentaram as formaccedilotildees de
cristais apoacutes imersatildeo no SBF por 30 dias poreacutem em quantidades aparentemente menores
resultando em menor dimensatildeo fractal (1687) do que para as superfiacutecies com tratamentos
diferentes
24
5 CONCLUSAtildeO
A dimensatildeo fractal das imagens dos implantes de titacircnio submetidos agraves diferentes
combinaccedilotildees dos tratamentos da superfiacutecie e submersos em Simulador de Fluiacutedos Corpoacutereos
por 30 dias varia entre Df=168 ate Df=193 refletindo a complexidade da formaccedilatildeo cristal
caracterizada por pequenos ou grandes cristais depositados localmente ou de forma uniforme
com geometria simples ou dendritica dependendo da combinaccedilatildeo dos tratamentos A menor
dimensatildeo fractal de Df=168 foi obtida para amostras sem tratamento nenhum enquanto a
maior dimensatildeo fractal de Df=193 foi obtida para amostras com jateamento e ataque aacutecido
(sem fosfato de caacutelcio) Ataque aacutecido foi identificado como uacutenico dos tratamentos que leva
sistematicamente ao aumento da dimensatildeo cristal enquanto o tamanho e a distribuiccedilatildeo
espacial dos cristais formados demonstram grande diversidade sem aparente dependecircncia em
nenhum dos tratamentos Estudos sistemaacuteticos ldquoin vivordquo satildeo necessaacuterios para estabelecer
quais combinaccedilotildees destes tratamentos de superfiacutecie geram implantes mais biologicamente
estaacuteveis e mecanicamente robustos e como estas propriedades podem ser associadas com a
dimensatildeo fractal dos cristais depositados
25
REFEREcircNCIAS
BARROS NETO B SCHARMINIO I E BRUNS R E Como Fazer experimentos
Pesquisa e desenvolvimento na ciecircncia e na Induacutestria 2 ed- Campinas-SP Editora
Unicamp 2003
BASSINTHWAITGHT JB LIEBOVITCH LS BRUCE JW Fractal physiology New
York Oxford American Physiological Society 1994
BRAringNEMARK R et al Bone response to laser-induced micro- and nano-size titanium
surface features Nanomedicine v 7 n 2 p 220-227 2011
BRAringNEMARK PI et al Osseointegreated implants in the treatment of edentulous jaw
Experience from a 10- year period Scand J Plast Reconst Surg Suppl v 16 p 1-132
1977
CARNEIRO-CAMPOS LE et al The effect of titanium topography features on mesenchymal
human stromal cells adhesion Clin Oral Implants Res v 21 n 2 p 251-254 2010
CHUNG H-W HUANG Y-H Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the
Diagnosis of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology v 174 p
1055-1059 2000
EHRENFEST D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol v 37 p 506-509 2011
GAO L et al MicroNanostructural Porous Surface on Titanium and Bioactivity J Biomed
Mater Res Part B Appl Biomater v 89B n 2 p 335ndash341 2009
GOUVEIA DS Obtenccedilatildeo de poacutes nanomeacutetricos de hidroxiapatita sintetizados com
magneacutesio utilizando ultra-som Tese Instituto de Pesquisas Energeacuteticas e Nucleares S
Paulo 2008
HAMLET S et al The effect of hydrophilic titanium surface modification on macrophage
inflammatory cytokine gene expression Clin Oral Implants Res v 23 n 5 p 584-90
2012
IVANOV PCH et al Multifractality in Human Heartbeat Dynamics Nature v 399 p
461-465 1999
KAumlMMERER PW et al Early implant healing promotion of platelet activation and
cytokine release by topographical chemical and biomimetical titanium surface modifications
in vitro Clin Oral Implants Res v 23 n4 p 504-10 2012
26
KOKUBO TTAKADAMA H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
BIOMATERIALS v 27 n 15 p 2907-2915 2006
LEZZIG et al Implant surface topographies analyzed using fractal dimension Implant
Dent v 20 p 131-138 2012
MANDELBROT BB How long is the coast of Britain Statistical self-similarity and
fractional dimension Science 156 1967 636-638
MANDELBROT BB The Fractal Geometry of Nature New York 1983
MARQUES C Tratamento de superfiacutecies de implantes de titacircnio Dissertaccedilatildeo de
Mestrado apresentada ao Curso de Mestrado em Ciecircncia dos Materiais do Instituto Militar de
Engenharia (IME) 2007
MISCH CE Misch bone density classification In Misch CE ed Contemporary Implant
Densitry 113-114 St Luis Mosby Inc 2009
NOVAES ABJR et al Influence of Implant Surfaces on Osseointegration Braz Dent J v
21 n 6 p 471-481 2010
ORSINI E et al Early Healing Events around Titanium Implant Devices with Different
Surface Microtopography A Pilot Study in an In Vivo Rabbit Model The Scientific World
Journal 349042 2012
PARK S et al The Effect of Fluoride Treatment on Titanium Treated with Anodic Spark
Oxidation Metals and Materials International v 13 n 2 p 117-122 2007
PERROTTI V et al Fractal Analysis A Novel Method to Assess Roughness Organization of
Implant Surface Topography International Journal of Periodontics amp Restorative
Dentistry v 31 n 6 p 633-639 2011
SAacuteNCHEZ I UZCAacuteTEGUI G Fractals in dentistry Journal of Dentistry v 39 n 4 p
273-292 2011
STOSIC T STOSIC B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels IEEE
Transactions on Medical Imaging v 25 p 1101-1107 2006
SULTANA R et al Effects of heat treatment on the bioactivity of surface-modified titanium
in calcium solution Biomed Mater Eng v 19 n 2 p 193-204 2009
TAPASH RR NARAYANAN R KIM K-H Ion implantation of titanium based
biomaterials Progress in Materials Science v 56 n 8 p 1137-1177 2011
27
UPDIKE SX NOWZARI H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res v 43 n 6 p 658-664 2008
WENNERBERG A ALBREKTSSON T Effects of titanium surface topography on bone
integration a systematic review Clin Oral Implants Res v 20 n 4 p 172-84 2009
WUY-T et al Fractal dimension analysis for quantifying cerebellar morphological change
of multiple system atrophy of the cerebellar type (MSA-C) NeuroImage v 49 n 1 p 539-
551 2010
ZAIA A et al MR imaging and osteoporosis fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute
IEEE Trans Inf Technol Biomed v 10 n 3 p 484-489 2006
ZHANG F et al Cell response of titanium implant with a roughened surface containing
titanium hydride an in vitro study J Oral Maxillofac Surg v 68 n 5 p 1131-1139 2010
28
APEcircNDICE
Artigo submetido agrave publicaccedilatildeo na revista
Fractal measure and microscopic modeling of osseointegration
Leonardo Cavalcanti Bezerra dos Santos1 Alessandra de Albuquerque Tavares Carvalho
1
Borko Stosic2 Tatijana Stosic
2 Paulo Jose Duarte Neto
2
1Departamento de Cliacutenica e Odontologia Preventiva Universidade Federal de Pernambuco
Quarta Travessa Artur de Saacute sn Cidade Universitaacuteria 50670-901 Recife PE Brazil
2Departamento de Estatiacutestica e Informaacutetica Universidade Federal Rural de Pernambuco
Rua Dom Manoel de Medeiros sn Dois Irmatildeos 52171-900 Recife PE Brazil
Abstract
In this work the process of osseointegration on titanium implant surfaces with
different physicochemical treatment subjected to a simulated corporal fluid
submersion is evaluated using the concept of fractal dimension It is found that
different treatments lead to rather different calcium phosphate crystal growth
patterns with fractal dimension ranging from Df=168 to Df=193 The
observed crystal patterns may be explained by a general deposition- diffusion-
aggregation growth mechanism where diffusing particle sticking probability
plays a fundamental role
Key words dental implants osseointegration fractal dimension
Introduction
Practical techniques enhancing implant osseointegration represent a fundamental
research topic not only in dentistry but also in other diverse areas of medicine and veterinary
sciences where bone implants or bone restoration is applied [1-3] While great advances in
this direction have undoubtedly been made over the past decades the full understanding is
still lacking on the effects of different implant surface physicochemical treatments as well as
on the microscopic mechanisms of the posterior osseointegration process [4]
Fractal dimension is a novel concept that has been increasingly employed in diverse
areas of knowledge for quantifying the complexity of natural phenomena ranging from
coastlines [5] and shape of volcanic ash particles [6] bronchial tree [7] and neurons [8]
Fractals are in fact commonly found in nature being characterized by scale invariance and
29
self-similarity During the last decades fractal analysis was used in studying diverse
phenomena in physiology and medicine including pulmonary emphysema [9] osteoporoses
[10] retinal blood vessels [11] and heart rate [12] The potential of fractal analysis was also
explored in dentistry [1314] Recently fractal dimension was used to quantify the surface
roughness of dental implants and shown to be promising to differentiate between topological
properties of dental implant surfaces obtained with different treatments [151617]
In this work we follow up on recent studies [15-17] as to how one may employ fractal
analysis to assess roughness organization of implant surface topology Rather than
concentrating on the implant surface properties subject to different physicochemical treatment
processes [15] here we put the emphasis on the results of simulated body fluid submersion
representing a step forward in understanding of implant osseointegration
Materials and Methods
Machined titanium implant samples were first subjected to different combinations of
a) sand blasting with aluminum oxide b) treatment with hydrofluoric acid and c) treatment
with calcium phosphate [18] after which they were submersed in a simulated body fluid [19]
for thirty days Magnified images of these samples were then acquired through scanning
electron microscopy as shown in Fig1 and subjected to image analysis
As opposed to fractal analysis performed in [15] to find the fractal dimension here we
only binarize the images as shown in Fig2 without skeletonization since we are interested in
crystal formation and it was found that skeletonization introduces artefacts (local networks of
lines) not apparent in the original crystal structure There are various methods for fractal
dimension calculation among which the box-counting method is perhaps the most widely
used because of its simplicity and robustness [20] It proceeds as follows Cover the structure
with a grid of size r and count the number of nonempty grid boxes )(rn Repeat this
procedure for different grid size for fractal self-similar structures 0~)(D
rrn
Box-counting
dimension is defined as
)1log(
)(loglim
0 r
rnD
rf
and can be estimated as the slope of the linear regression of )(log rn versus )1log( r We
calculate fractal dimension using the box counting method implemented in the FracLac
Package of open source software ImageJ
30
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid
tre
atm
ent
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 1 Electron microscope images of samples with different treatment after
submersion in simulated body fluid
31
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid t
reat
men
t
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 2 Same images as in Fig1 after binarization
32
Results and Discussion
It is seen on Fig1 that different combinations of implant surface treatment lead to
rather different crystal pattern formation during the simulated body fluid submersion No clear
conclusions can be drawn as to the size of spatial distribution of formed crystals
corresponding to any single treatment rather it is the combinations of these procedures that
lead to specific resulting structures Large and small crystals uniformly or locally deposited
of simple or dendritic shape are found for different treatment combinations and further in
vivo studies are necessary to determine which of these provide more robust implants with
best mechanical properties
In line with the previous study [15] that has motivated the current work we calculate
the fractal dimension of binarized images shown in Fig2 with the results presented in Table
1 The obtained fractal dimension values vary between Df=168 and Df=193 indicating the
potential of this method to quantify spatial complexity of formed crystals for different implant
surface treatments It is seen from Table 1 that in general the fractal dimension of implant
surface after submersion in SBF tends to be greater in the cases of treatment with acid
(keeping the same combination of sand blasting and calcium phosphate coating) that reflects
the fact that acid etching produces micro pits on titanium surface that greatly enhance
osseointegration [4] The highest value of fractal dimension (193) is obtained for the implant
treated by sand blasting and acid etching indicating that the surface roughness produced by
this treatment results in more uniform and more space filling crystal deposits The fractal
dimension of surfaces treated only by sand blasting acid etching and calcium phosphate are
1903 1845 and 1881 respectively and they are significantly higher than the fractal
dimension of untreated surface (1687) confirming the role of implant surface chemistry and
topology in the process of osseointegration Although our results show that surface topology
of treated implants has higher fractal dimension than that of untreated implants it is still not
clear which treatment or combination of treatments produces the best surfaces for
osseointegration It is also seen from Table 1 that the fractal dimension is higher for all of the
treated surfaces in comparison with the surface without any treatments (with the smallest
fractal dimension value) which reflects the fact that all these treatments produce surface
effects that favorably influence the complexity of the final crystal structure On the other
hand there is no clear evidence as to how these values may be associated with the quality of
implants without further in vivo experiments
33
Table 1 Fractal dimension (standard deviation) of binarized images shown in Fig2
Acid treatment No acid
Calcium
phosphate
No calcium
phosphate
Calcium
phosphate
No calcium
Phosphate
Sand blasted 1859 (0014) 1930 (0015) 1693 (0011) 1903 (0014)
No sand blasting 1920 (0015) 1845 (0013) 1881 (0014) 1687 (0012)
The current study suggests that a general Deposition Difusion Aggregation (DDA)
model [21] may be used to describe crystal formation in the different scenarios covered in the
present work One may perceive that the molecules present in the solution deposit on the
implant surface and move along this surface until they reach other such molecules andor
already crystallized formations where they become incorporated into the crystal structure
The concentration of the (in the current experiment simulated corporal) fluid determines the
flux of deposition and the mobility of the molecules (and perhaps larger molecular
agglomerates) is governed by the topology (roughness) of the implant surface It is well
known [21] that the flux and mobility of aggregate particles lead to rather different deposition
patterns ranging from many uniformly distributed small DLA (Diffusion Limited
Aggregation) like crystals to large dendritic structures and the DDA model apparently
represents an excellent candidate to describe the diversity of observed crystal patterns seen
on the electron microscope images of Fig 1
Conclusion
We apply fractal analysis on binarized scanning electron microscopy images of the
surface of titanium implants that were first subjected to different treatment combinations of i)
sand blasting ii) acid etching and iii) exposition to calcium phosphate and were then
submersed in a simulated corporal fluid for thirty days The obtained fractal dimension values
vary between Df=168 to Df=193 reflecting the complexity and space filling property of the
final crystal structure characterized by large and small crystals uniformly or locally
deposited of simple or dendritic shape that were found for different treatment combinations
Further in vivo studies are necessary to determine how these values may be associated with
the quality of implants
34
References
[1] Albrektsson T Sennerby L Wennerberg A State of the art of oral implants Periodontol
2000 2008 47 15-26
[2] Wazen JJ Gupta R Ghossaini S Spitzer J Farrugia M Tjellstrom A
Osseointegration timing for Baha system loading Laryngoscope 2007 117 794-796
[3] Palmquist A Jarmar T Emanuelsson L Braringnemark R Engqvist H Thomsen P
Forearm bone-anchored amputationprosthesis a case study on the osseointegration Acta
Orthop 2008 79 78-85
[4] Le Gueacutehennec L Soueidan A Layrolle P Amouriq Y Surface treatments of titanium
dental implants for rapid osseointegration Dental Materiasl 2007 23 844-854
[5] Mandelbrot BB The Fractal Geometry of Nature New York Freeman 1983 25
[6]Dellino PLiotino G The fractal and multifractal dimension of volcanic ash particles
contour a test study on the utility and volcanological relevance Journal of Volcanology and
Geothermal Research 2002 113 1-18
[7] Majumdar A Alencar AM Buldyrev SV Hantos Z Lutchen KR Stanley HE Suki B
Relating airway diameter distributions to regular branching asymmetry in the lung Phys Rev Lett 2005 95 168101
[8] Jelinek HF Fernandez E Neurons and fractals how reliable and useful are calculations of
fractal dimensions Journal of Neuroscience Methods 1998 81 9 ndash 18
[9] Chung HW HUANG YH Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the Diagnosis
of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology 2000 174 1055-1059
[10] Zaia A Eleonori R Maponi P Rossi R Murri R MR imaging and osteoporosis
fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute IEEE Trans Inf Technol Biomed 2006 10
484-489
[11] Stosic T Stosic B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels EEE Transactions
on MIedical Imaging 2006 25 1101-1107
[12] Goldberger AL Amaral LAN Hausdorff JM Ivanov PCh Peng CK Stanley
HE Fractal dynamics in physiology Alterations with disease and aging PNAS 2002 99
2466-2472
[13] Saacutenchez I Uzcaacutetegui G Fractals in dentistry Journal of Dentistry 2011 39 273-292
[14] Updike SX Nowzari H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res 2008 43 658-664
[15] Perotti V Aprile G Degidi M Piatelli A Lezzi G Fractal analysis a novel method to
assess roughness organization of implant surface topography Int J Peridontic Restorative
Dent 2011 31 633-639
[16] Ehrenfest D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol 2011 37 506-509
35
[17] Lezzi G Aprile G Tripodi D Scarano A Piatelli A Perotti V Implant surface
topographies analyzed using fractal dimension Implant Dent 2012 20 131-138
[18] Guo CY Tang ATH Matinlinna JP Insights into surface treatment methods of titanium
dental implants Journal of Adhesion Science amp Technology 2012 26 189ndash205
[19] Kokubo T Takadama H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
Biomaterials 2006 27 2907-2915
[20] Theiller J Estimating fractal dimension J Opt Soc Am 1990 7 1055-1073
[21] P Jensen A-L Barabaacutesi H Larralde S Havlin H E Stanley Model incorporating
deposition diffusion and aggregation in submonolayer nanostructures Phys Rev E (1994)
50 618ndash621
23
Tabela 3 Dimensatildeo Fractal (desvio padratildeo) das imagens binarizadas apresentadas na Fig 4
Com aacutecido Sem aacutecido
Com fosfato
de caacutelcio
Sem fosfato
de caacutelcio
Com fosfato
de caacutelcio
Sem fosfato
de caacutelcio
Com jateamento 1859 (0014) 1930 (0015) 1693 (0011) 1903 (0014)
Sem jateamento 1920 (0015) 1845 (0013) 1881 (0014) 1687 (0012)
Na Tabela 3 observa-se a maior dimensatildeo fractal dos cristais formados na superfiacutecie
dos implantes tratados com aacutecido do que em tratamentos sem aacutecido indicando maior
preenchimento espacial dos cristais Este resultado pode ser explicado pelo fato que o
tratamento com acido produz uma superfiacutecie de maior rugosidade aumentando a aacuterea de
contato que pode causar uma deposiccedilatildeo maior e mais uniforme As superfiacutecies apenas
maquinadas que natildeo receberam nenhum tratamento tambeacutem apresentaram as formaccedilotildees de
cristais apoacutes imersatildeo no SBF por 30 dias poreacutem em quantidades aparentemente menores
resultando em menor dimensatildeo fractal (1687) do que para as superfiacutecies com tratamentos
diferentes
24
5 CONCLUSAtildeO
A dimensatildeo fractal das imagens dos implantes de titacircnio submetidos agraves diferentes
combinaccedilotildees dos tratamentos da superfiacutecie e submersos em Simulador de Fluiacutedos Corpoacutereos
por 30 dias varia entre Df=168 ate Df=193 refletindo a complexidade da formaccedilatildeo cristal
caracterizada por pequenos ou grandes cristais depositados localmente ou de forma uniforme
com geometria simples ou dendritica dependendo da combinaccedilatildeo dos tratamentos A menor
dimensatildeo fractal de Df=168 foi obtida para amostras sem tratamento nenhum enquanto a
maior dimensatildeo fractal de Df=193 foi obtida para amostras com jateamento e ataque aacutecido
(sem fosfato de caacutelcio) Ataque aacutecido foi identificado como uacutenico dos tratamentos que leva
sistematicamente ao aumento da dimensatildeo cristal enquanto o tamanho e a distribuiccedilatildeo
espacial dos cristais formados demonstram grande diversidade sem aparente dependecircncia em
nenhum dos tratamentos Estudos sistemaacuteticos ldquoin vivordquo satildeo necessaacuterios para estabelecer
quais combinaccedilotildees destes tratamentos de superfiacutecie geram implantes mais biologicamente
estaacuteveis e mecanicamente robustos e como estas propriedades podem ser associadas com a
dimensatildeo fractal dos cristais depositados
25
REFEREcircNCIAS
BARROS NETO B SCHARMINIO I E BRUNS R E Como Fazer experimentos
Pesquisa e desenvolvimento na ciecircncia e na Induacutestria 2 ed- Campinas-SP Editora
Unicamp 2003
BASSINTHWAITGHT JB LIEBOVITCH LS BRUCE JW Fractal physiology New
York Oxford American Physiological Society 1994
BRAringNEMARK R et al Bone response to laser-induced micro- and nano-size titanium
surface features Nanomedicine v 7 n 2 p 220-227 2011
BRAringNEMARK PI et al Osseointegreated implants in the treatment of edentulous jaw
Experience from a 10- year period Scand J Plast Reconst Surg Suppl v 16 p 1-132
1977
CARNEIRO-CAMPOS LE et al The effect of titanium topography features on mesenchymal
human stromal cells adhesion Clin Oral Implants Res v 21 n 2 p 251-254 2010
CHUNG H-W HUANG Y-H Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the
Diagnosis of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology v 174 p
1055-1059 2000
EHRENFEST D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol v 37 p 506-509 2011
GAO L et al MicroNanostructural Porous Surface on Titanium and Bioactivity J Biomed
Mater Res Part B Appl Biomater v 89B n 2 p 335ndash341 2009
GOUVEIA DS Obtenccedilatildeo de poacutes nanomeacutetricos de hidroxiapatita sintetizados com
magneacutesio utilizando ultra-som Tese Instituto de Pesquisas Energeacuteticas e Nucleares S
Paulo 2008
HAMLET S et al The effect of hydrophilic titanium surface modification on macrophage
inflammatory cytokine gene expression Clin Oral Implants Res v 23 n 5 p 584-90
2012
IVANOV PCH et al Multifractality in Human Heartbeat Dynamics Nature v 399 p
461-465 1999
KAumlMMERER PW et al Early implant healing promotion of platelet activation and
cytokine release by topographical chemical and biomimetical titanium surface modifications
in vitro Clin Oral Implants Res v 23 n4 p 504-10 2012
26
KOKUBO TTAKADAMA H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
BIOMATERIALS v 27 n 15 p 2907-2915 2006
LEZZIG et al Implant surface topographies analyzed using fractal dimension Implant
Dent v 20 p 131-138 2012
MANDELBROT BB How long is the coast of Britain Statistical self-similarity and
fractional dimension Science 156 1967 636-638
MANDELBROT BB The Fractal Geometry of Nature New York 1983
MARQUES C Tratamento de superfiacutecies de implantes de titacircnio Dissertaccedilatildeo de
Mestrado apresentada ao Curso de Mestrado em Ciecircncia dos Materiais do Instituto Militar de
Engenharia (IME) 2007
MISCH CE Misch bone density classification In Misch CE ed Contemporary Implant
Densitry 113-114 St Luis Mosby Inc 2009
NOVAES ABJR et al Influence of Implant Surfaces on Osseointegration Braz Dent J v
21 n 6 p 471-481 2010
ORSINI E et al Early Healing Events around Titanium Implant Devices with Different
Surface Microtopography A Pilot Study in an In Vivo Rabbit Model The Scientific World
Journal 349042 2012
PARK S et al The Effect of Fluoride Treatment on Titanium Treated with Anodic Spark
Oxidation Metals and Materials International v 13 n 2 p 117-122 2007
PERROTTI V et al Fractal Analysis A Novel Method to Assess Roughness Organization of
Implant Surface Topography International Journal of Periodontics amp Restorative
Dentistry v 31 n 6 p 633-639 2011
SAacuteNCHEZ I UZCAacuteTEGUI G Fractals in dentistry Journal of Dentistry v 39 n 4 p
273-292 2011
STOSIC T STOSIC B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels IEEE
Transactions on Medical Imaging v 25 p 1101-1107 2006
SULTANA R et al Effects of heat treatment on the bioactivity of surface-modified titanium
in calcium solution Biomed Mater Eng v 19 n 2 p 193-204 2009
TAPASH RR NARAYANAN R KIM K-H Ion implantation of titanium based
biomaterials Progress in Materials Science v 56 n 8 p 1137-1177 2011
27
UPDIKE SX NOWZARI H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res v 43 n 6 p 658-664 2008
WENNERBERG A ALBREKTSSON T Effects of titanium surface topography on bone
integration a systematic review Clin Oral Implants Res v 20 n 4 p 172-84 2009
WUY-T et al Fractal dimension analysis for quantifying cerebellar morphological change
of multiple system atrophy of the cerebellar type (MSA-C) NeuroImage v 49 n 1 p 539-
551 2010
ZAIA A et al MR imaging and osteoporosis fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute
IEEE Trans Inf Technol Biomed v 10 n 3 p 484-489 2006
ZHANG F et al Cell response of titanium implant with a roughened surface containing
titanium hydride an in vitro study J Oral Maxillofac Surg v 68 n 5 p 1131-1139 2010
28
APEcircNDICE
Artigo submetido agrave publicaccedilatildeo na revista
Fractal measure and microscopic modeling of osseointegration
Leonardo Cavalcanti Bezerra dos Santos1 Alessandra de Albuquerque Tavares Carvalho
1
Borko Stosic2 Tatijana Stosic
2 Paulo Jose Duarte Neto
2
1Departamento de Cliacutenica e Odontologia Preventiva Universidade Federal de Pernambuco
Quarta Travessa Artur de Saacute sn Cidade Universitaacuteria 50670-901 Recife PE Brazil
2Departamento de Estatiacutestica e Informaacutetica Universidade Federal Rural de Pernambuco
Rua Dom Manoel de Medeiros sn Dois Irmatildeos 52171-900 Recife PE Brazil
Abstract
In this work the process of osseointegration on titanium implant surfaces with
different physicochemical treatment subjected to a simulated corporal fluid
submersion is evaluated using the concept of fractal dimension It is found that
different treatments lead to rather different calcium phosphate crystal growth
patterns with fractal dimension ranging from Df=168 to Df=193 The
observed crystal patterns may be explained by a general deposition- diffusion-
aggregation growth mechanism where diffusing particle sticking probability
plays a fundamental role
Key words dental implants osseointegration fractal dimension
Introduction
Practical techniques enhancing implant osseointegration represent a fundamental
research topic not only in dentistry but also in other diverse areas of medicine and veterinary
sciences where bone implants or bone restoration is applied [1-3] While great advances in
this direction have undoubtedly been made over the past decades the full understanding is
still lacking on the effects of different implant surface physicochemical treatments as well as
on the microscopic mechanisms of the posterior osseointegration process [4]
Fractal dimension is a novel concept that has been increasingly employed in diverse
areas of knowledge for quantifying the complexity of natural phenomena ranging from
coastlines [5] and shape of volcanic ash particles [6] bronchial tree [7] and neurons [8]
Fractals are in fact commonly found in nature being characterized by scale invariance and
29
self-similarity During the last decades fractal analysis was used in studying diverse
phenomena in physiology and medicine including pulmonary emphysema [9] osteoporoses
[10] retinal blood vessels [11] and heart rate [12] The potential of fractal analysis was also
explored in dentistry [1314] Recently fractal dimension was used to quantify the surface
roughness of dental implants and shown to be promising to differentiate between topological
properties of dental implant surfaces obtained with different treatments [151617]
In this work we follow up on recent studies [15-17] as to how one may employ fractal
analysis to assess roughness organization of implant surface topology Rather than
concentrating on the implant surface properties subject to different physicochemical treatment
processes [15] here we put the emphasis on the results of simulated body fluid submersion
representing a step forward in understanding of implant osseointegration
Materials and Methods
Machined titanium implant samples were first subjected to different combinations of
a) sand blasting with aluminum oxide b) treatment with hydrofluoric acid and c) treatment
with calcium phosphate [18] after which they were submersed in a simulated body fluid [19]
for thirty days Magnified images of these samples were then acquired through scanning
electron microscopy as shown in Fig1 and subjected to image analysis
As opposed to fractal analysis performed in [15] to find the fractal dimension here we
only binarize the images as shown in Fig2 without skeletonization since we are interested in
crystal formation and it was found that skeletonization introduces artefacts (local networks of
lines) not apparent in the original crystal structure There are various methods for fractal
dimension calculation among which the box-counting method is perhaps the most widely
used because of its simplicity and robustness [20] It proceeds as follows Cover the structure
with a grid of size r and count the number of nonempty grid boxes )(rn Repeat this
procedure for different grid size for fractal self-similar structures 0~)(D
rrn
Box-counting
dimension is defined as
)1log(
)(loglim
0 r
rnD
rf
and can be estimated as the slope of the linear regression of )(log rn versus )1log( r We
calculate fractal dimension using the box counting method implemented in the FracLac
Package of open source software ImageJ
30
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid
tre
atm
ent
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 1 Electron microscope images of samples with different treatment after
submersion in simulated body fluid
31
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid t
reat
men
t
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 2 Same images as in Fig1 after binarization
32
Results and Discussion
It is seen on Fig1 that different combinations of implant surface treatment lead to
rather different crystal pattern formation during the simulated body fluid submersion No clear
conclusions can be drawn as to the size of spatial distribution of formed crystals
corresponding to any single treatment rather it is the combinations of these procedures that
lead to specific resulting structures Large and small crystals uniformly or locally deposited
of simple or dendritic shape are found for different treatment combinations and further in
vivo studies are necessary to determine which of these provide more robust implants with
best mechanical properties
In line with the previous study [15] that has motivated the current work we calculate
the fractal dimension of binarized images shown in Fig2 with the results presented in Table
1 The obtained fractal dimension values vary between Df=168 and Df=193 indicating the
potential of this method to quantify spatial complexity of formed crystals for different implant
surface treatments It is seen from Table 1 that in general the fractal dimension of implant
surface after submersion in SBF tends to be greater in the cases of treatment with acid
(keeping the same combination of sand blasting and calcium phosphate coating) that reflects
the fact that acid etching produces micro pits on titanium surface that greatly enhance
osseointegration [4] The highest value of fractal dimension (193) is obtained for the implant
treated by sand blasting and acid etching indicating that the surface roughness produced by
this treatment results in more uniform and more space filling crystal deposits The fractal
dimension of surfaces treated only by sand blasting acid etching and calcium phosphate are
1903 1845 and 1881 respectively and they are significantly higher than the fractal
dimension of untreated surface (1687) confirming the role of implant surface chemistry and
topology in the process of osseointegration Although our results show that surface topology
of treated implants has higher fractal dimension than that of untreated implants it is still not
clear which treatment or combination of treatments produces the best surfaces for
osseointegration It is also seen from Table 1 that the fractal dimension is higher for all of the
treated surfaces in comparison with the surface without any treatments (with the smallest
fractal dimension value) which reflects the fact that all these treatments produce surface
effects that favorably influence the complexity of the final crystal structure On the other
hand there is no clear evidence as to how these values may be associated with the quality of
implants without further in vivo experiments
33
Table 1 Fractal dimension (standard deviation) of binarized images shown in Fig2
Acid treatment No acid
Calcium
phosphate
No calcium
phosphate
Calcium
phosphate
No calcium
Phosphate
Sand blasted 1859 (0014) 1930 (0015) 1693 (0011) 1903 (0014)
No sand blasting 1920 (0015) 1845 (0013) 1881 (0014) 1687 (0012)
The current study suggests that a general Deposition Difusion Aggregation (DDA)
model [21] may be used to describe crystal formation in the different scenarios covered in the
present work One may perceive that the molecules present in the solution deposit on the
implant surface and move along this surface until they reach other such molecules andor
already crystallized formations where they become incorporated into the crystal structure
The concentration of the (in the current experiment simulated corporal) fluid determines the
flux of deposition and the mobility of the molecules (and perhaps larger molecular
agglomerates) is governed by the topology (roughness) of the implant surface It is well
known [21] that the flux and mobility of aggregate particles lead to rather different deposition
patterns ranging from many uniformly distributed small DLA (Diffusion Limited
Aggregation) like crystals to large dendritic structures and the DDA model apparently
represents an excellent candidate to describe the diversity of observed crystal patterns seen
on the electron microscope images of Fig 1
Conclusion
We apply fractal analysis on binarized scanning electron microscopy images of the
surface of titanium implants that were first subjected to different treatment combinations of i)
sand blasting ii) acid etching and iii) exposition to calcium phosphate and were then
submersed in a simulated corporal fluid for thirty days The obtained fractal dimension values
vary between Df=168 to Df=193 reflecting the complexity and space filling property of the
final crystal structure characterized by large and small crystals uniformly or locally
deposited of simple or dendritic shape that were found for different treatment combinations
Further in vivo studies are necessary to determine how these values may be associated with
the quality of implants
34
References
[1] Albrektsson T Sennerby L Wennerberg A State of the art of oral implants Periodontol
2000 2008 47 15-26
[2] Wazen JJ Gupta R Ghossaini S Spitzer J Farrugia M Tjellstrom A
Osseointegration timing for Baha system loading Laryngoscope 2007 117 794-796
[3] Palmquist A Jarmar T Emanuelsson L Braringnemark R Engqvist H Thomsen P
Forearm bone-anchored amputationprosthesis a case study on the osseointegration Acta
Orthop 2008 79 78-85
[4] Le Gueacutehennec L Soueidan A Layrolle P Amouriq Y Surface treatments of titanium
dental implants for rapid osseointegration Dental Materiasl 2007 23 844-854
[5] Mandelbrot BB The Fractal Geometry of Nature New York Freeman 1983 25
[6]Dellino PLiotino G The fractal and multifractal dimension of volcanic ash particles
contour a test study on the utility and volcanological relevance Journal of Volcanology and
Geothermal Research 2002 113 1-18
[7] Majumdar A Alencar AM Buldyrev SV Hantos Z Lutchen KR Stanley HE Suki B
Relating airway diameter distributions to regular branching asymmetry in the lung Phys Rev Lett 2005 95 168101
[8] Jelinek HF Fernandez E Neurons and fractals how reliable and useful are calculations of
fractal dimensions Journal of Neuroscience Methods 1998 81 9 ndash 18
[9] Chung HW HUANG YH Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the Diagnosis
of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology 2000 174 1055-1059
[10] Zaia A Eleonori R Maponi P Rossi R Murri R MR imaging and osteoporosis
fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute IEEE Trans Inf Technol Biomed 2006 10
484-489
[11] Stosic T Stosic B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels EEE Transactions
on MIedical Imaging 2006 25 1101-1107
[12] Goldberger AL Amaral LAN Hausdorff JM Ivanov PCh Peng CK Stanley
HE Fractal dynamics in physiology Alterations with disease and aging PNAS 2002 99
2466-2472
[13] Saacutenchez I Uzcaacutetegui G Fractals in dentistry Journal of Dentistry 2011 39 273-292
[14] Updike SX Nowzari H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res 2008 43 658-664
[15] Perotti V Aprile G Degidi M Piatelli A Lezzi G Fractal analysis a novel method to
assess roughness organization of implant surface topography Int J Peridontic Restorative
Dent 2011 31 633-639
[16] Ehrenfest D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol 2011 37 506-509
35
[17] Lezzi G Aprile G Tripodi D Scarano A Piatelli A Perotti V Implant surface
topographies analyzed using fractal dimension Implant Dent 2012 20 131-138
[18] Guo CY Tang ATH Matinlinna JP Insights into surface treatment methods of titanium
dental implants Journal of Adhesion Science amp Technology 2012 26 189ndash205
[19] Kokubo T Takadama H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
Biomaterials 2006 27 2907-2915
[20] Theiller J Estimating fractal dimension J Opt Soc Am 1990 7 1055-1073
[21] P Jensen A-L Barabaacutesi H Larralde S Havlin H E Stanley Model incorporating
deposition diffusion and aggregation in submonolayer nanostructures Phys Rev E (1994)
50 618ndash621
24
5 CONCLUSAtildeO
A dimensatildeo fractal das imagens dos implantes de titacircnio submetidos agraves diferentes
combinaccedilotildees dos tratamentos da superfiacutecie e submersos em Simulador de Fluiacutedos Corpoacutereos
por 30 dias varia entre Df=168 ate Df=193 refletindo a complexidade da formaccedilatildeo cristal
caracterizada por pequenos ou grandes cristais depositados localmente ou de forma uniforme
com geometria simples ou dendritica dependendo da combinaccedilatildeo dos tratamentos A menor
dimensatildeo fractal de Df=168 foi obtida para amostras sem tratamento nenhum enquanto a
maior dimensatildeo fractal de Df=193 foi obtida para amostras com jateamento e ataque aacutecido
(sem fosfato de caacutelcio) Ataque aacutecido foi identificado como uacutenico dos tratamentos que leva
sistematicamente ao aumento da dimensatildeo cristal enquanto o tamanho e a distribuiccedilatildeo
espacial dos cristais formados demonstram grande diversidade sem aparente dependecircncia em
nenhum dos tratamentos Estudos sistemaacuteticos ldquoin vivordquo satildeo necessaacuterios para estabelecer
quais combinaccedilotildees destes tratamentos de superfiacutecie geram implantes mais biologicamente
estaacuteveis e mecanicamente robustos e como estas propriedades podem ser associadas com a
dimensatildeo fractal dos cristais depositados
25
REFEREcircNCIAS
BARROS NETO B SCHARMINIO I E BRUNS R E Como Fazer experimentos
Pesquisa e desenvolvimento na ciecircncia e na Induacutestria 2 ed- Campinas-SP Editora
Unicamp 2003
BASSINTHWAITGHT JB LIEBOVITCH LS BRUCE JW Fractal physiology New
York Oxford American Physiological Society 1994
BRAringNEMARK R et al Bone response to laser-induced micro- and nano-size titanium
surface features Nanomedicine v 7 n 2 p 220-227 2011
BRAringNEMARK PI et al Osseointegreated implants in the treatment of edentulous jaw
Experience from a 10- year period Scand J Plast Reconst Surg Suppl v 16 p 1-132
1977
CARNEIRO-CAMPOS LE et al The effect of titanium topography features on mesenchymal
human stromal cells adhesion Clin Oral Implants Res v 21 n 2 p 251-254 2010
CHUNG H-W HUANG Y-H Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the
Diagnosis of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology v 174 p
1055-1059 2000
EHRENFEST D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol v 37 p 506-509 2011
GAO L et al MicroNanostructural Porous Surface on Titanium and Bioactivity J Biomed
Mater Res Part B Appl Biomater v 89B n 2 p 335ndash341 2009
GOUVEIA DS Obtenccedilatildeo de poacutes nanomeacutetricos de hidroxiapatita sintetizados com
magneacutesio utilizando ultra-som Tese Instituto de Pesquisas Energeacuteticas e Nucleares S
Paulo 2008
HAMLET S et al The effect of hydrophilic titanium surface modification on macrophage
inflammatory cytokine gene expression Clin Oral Implants Res v 23 n 5 p 584-90
2012
IVANOV PCH et al Multifractality in Human Heartbeat Dynamics Nature v 399 p
461-465 1999
KAumlMMERER PW et al Early implant healing promotion of platelet activation and
cytokine release by topographical chemical and biomimetical titanium surface modifications
in vitro Clin Oral Implants Res v 23 n4 p 504-10 2012
26
KOKUBO TTAKADAMA H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
BIOMATERIALS v 27 n 15 p 2907-2915 2006
LEZZIG et al Implant surface topographies analyzed using fractal dimension Implant
Dent v 20 p 131-138 2012
MANDELBROT BB How long is the coast of Britain Statistical self-similarity and
fractional dimension Science 156 1967 636-638
MANDELBROT BB The Fractal Geometry of Nature New York 1983
MARQUES C Tratamento de superfiacutecies de implantes de titacircnio Dissertaccedilatildeo de
Mestrado apresentada ao Curso de Mestrado em Ciecircncia dos Materiais do Instituto Militar de
Engenharia (IME) 2007
MISCH CE Misch bone density classification In Misch CE ed Contemporary Implant
Densitry 113-114 St Luis Mosby Inc 2009
NOVAES ABJR et al Influence of Implant Surfaces on Osseointegration Braz Dent J v
21 n 6 p 471-481 2010
ORSINI E et al Early Healing Events around Titanium Implant Devices with Different
Surface Microtopography A Pilot Study in an In Vivo Rabbit Model The Scientific World
Journal 349042 2012
PARK S et al The Effect of Fluoride Treatment on Titanium Treated with Anodic Spark
Oxidation Metals and Materials International v 13 n 2 p 117-122 2007
PERROTTI V et al Fractal Analysis A Novel Method to Assess Roughness Organization of
Implant Surface Topography International Journal of Periodontics amp Restorative
Dentistry v 31 n 6 p 633-639 2011
SAacuteNCHEZ I UZCAacuteTEGUI G Fractals in dentistry Journal of Dentistry v 39 n 4 p
273-292 2011
STOSIC T STOSIC B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels IEEE
Transactions on Medical Imaging v 25 p 1101-1107 2006
SULTANA R et al Effects of heat treatment on the bioactivity of surface-modified titanium
in calcium solution Biomed Mater Eng v 19 n 2 p 193-204 2009
TAPASH RR NARAYANAN R KIM K-H Ion implantation of titanium based
biomaterials Progress in Materials Science v 56 n 8 p 1137-1177 2011
27
UPDIKE SX NOWZARI H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res v 43 n 6 p 658-664 2008
WENNERBERG A ALBREKTSSON T Effects of titanium surface topography on bone
integration a systematic review Clin Oral Implants Res v 20 n 4 p 172-84 2009
WUY-T et al Fractal dimension analysis for quantifying cerebellar morphological change
of multiple system atrophy of the cerebellar type (MSA-C) NeuroImage v 49 n 1 p 539-
551 2010
ZAIA A et al MR imaging and osteoporosis fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute
IEEE Trans Inf Technol Biomed v 10 n 3 p 484-489 2006
ZHANG F et al Cell response of titanium implant with a roughened surface containing
titanium hydride an in vitro study J Oral Maxillofac Surg v 68 n 5 p 1131-1139 2010
28
APEcircNDICE
Artigo submetido agrave publicaccedilatildeo na revista
Fractal measure and microscopic modeling of osseointegration
Leonardo Cavalcanti Bezerra dos Santos1 Alessandra de Albuquerque Tavares Carvalho
1
Borko Stosic2 Tatijana Stosic
2 Paulo Jose Duarte Neto
2
1Departamento de Cliacutenica e Odontologia Preventiva Universidade Federal de Pernambuco
Quarta Travessa Artur de Saacute sn Cidade Universitaacuteria 50670-901 Recife PE Brazil
2Departamento de Estatiacutestica e Informaacutetica Universidade Federal Rural de Pernambuco
Rua Dom Manoel de Medeiros sn Dois Irmatildeos 52171-900 Recife PE Brazil
Abstract
In this work the process of osseointegration on titanium implant surfaces with
different physicochemical treatment subjected to a simulated corporal fluid
submersion is evaluated using the concept of fractal dimension It is found that
different treatments lead to rather different calcium phosphate crystal growth
patterns with fractal dimension ranging from Df=168 to Df=193 The
observed crystal patterns may be explained by a general deposition- diffusion-
aggregation growth mechanism where diffusing particle sticking probability
plays a fundamental role
Key words dental implants osseointegration fractal dimension
Introduction
Practical techniques enhancing implant osseointegration represent a fundamental
research topic not only in dentistry but also in other diverse areas of medicine and veterinary
sciences where bone implants or bone restoration is applied [1-3] While great advances in
this direction have undoubtedly been made over the past decades the full understanding is
still lacking on the effects of different implant surface physicochemical treatments as well as
on the microscopic mechanisms of the posterior osseointegration process [4]
Fractal dimension is a novel concept that has been increasingly employed in diverse
areas of knowledge for quantifying the complexity of natural phenomena ranging from
coastlines [5] and shape of volcanic ash particles [6] bronchial tree [7] and neurons [8]
Fractals are in fact commonly found in nature being characterized by scale invariance and
29
self-similarity During the last decades fractal analysis was used in studying diverse
phenomena in physiology and medicine including pulmonary emphysema [9] osteoporoses
[10] retinal blood vessels [11] and heart rate [12] The potential of fractal analysis was also
explored in dentistry [1314] Recently fractal dimension was used to quantify the surface
roughness of dental implants and shown to be promising to differentiate between topological
properties of dental implant surfaces obtained with different treatments [151617]
In this work we follow up on recent studies [15-17] as to how one may employ fractal
analysis to assess roughness organization of implant surface topology Rather than
concentrating on the implant surface properties subject to different physicochemical treatment
processes [15] here we put the emphasis on the results of simulated body fluid submersion
representing a step forward in understanding of implant osseointegration
Materials and Methods
Machined titanium implant samples were first subjected to different combinations of
a) sand blasting with aluminum oxide b) treatment with hydrofluoric acid and c) treatment
with calcium phosphate [18] after which they were submersed in a simulated body fluid [19]
for thirty days Magnified images of these samples were then acquired through scanning
electron microscopy as shown in Fig1 and subjected to image analysis
As opposed to fractal analysis performed in [15] to find the fractal dimension here we
only binarize the images as shown in Fig2 without skeletonization since we are interested in
crystal formation and it was found that skeletonization introduces artefacts (local networks of
lines) not apparent in the original crystal structure There are various methods for fractal
dimension calculation among which the box-counting method is perhaps the most widely
used because of its simplicity and robustness [20] It proceeds as follows Cover the structure
with a grid of size r and count the number of nonempty grid boxes )(rn Repeat this
procedure for different grid size for fractal self-similar structures 0~)(D
rrn
Box-counting
dimension is defined as
)1log(
)(loglim
0 r
rnD
rf
and can be estimated as the slope of the linear regression of )(log rn versus )1log( r We
calculate fractal dimension using the box counting method implemented in the FracLac
Package of open source software ImageJ
30
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid
tre
atm
ent
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 1 Electron microscope images of samples with different treatment after
submersion in simulated body fluid
31
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid t
reat
men
t
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 2 Same images as in Fig1 after binarization
32
Results and Discussion
It is seen on Fig1 that different combinations of implant surface treatment lead to
rather different crystal pattern formation during the simulated body fluid submersion No clear
conclusions can be drawn as to the size of spatial distribution of formed crystals
corresponding to any single treatment rather it is the combinations of these procedures that
lead to specific resulting structures Large and small crystals uniformly or locally deposited
of simple or dendritic shape are found for different treatment combinations and further in
vivo studies are necessary to determine which of these provide more robust implants with
best mechanical properties
In line with the previous study [15] that has motivated the current work we calculate
the fractal dimension of binarized images shown in Fig2 with the results presented in Table
1 The obtained fractal dimension values vary between Df=168 and Df=193 indicating the
potential of this method to quantify spatial complexity of formed crystals for different implant
surface treatments It is seen from Table 1 that in general the fractal dimension of implant
surface after submersion in SBF tends to be greater in the cases of treatment with acid
(keeping the same combination of sand blasting and calcium phosphate coating) that reflects
the fact that acid etching produces micro pits on titanium surface that greatly enhance
osseointegration [4] The highest value of fractal dimension (193) is obtained for the implant
treated by sand blasting and acid etching indicating that the surface roughness produced by
this treatment results in more uniform and more space filling crystal deposits The fractal
dimension of surfaces treated only by sand blasting acid etching and calcium phosphate are
1903 1845 and 1881 respectively and they are significantly higher than the fractal
dimension of untreated surface (1687) confirming the role of implant surface chemistry and
topology in the process of osseointegration Although our results show that surface topology
of treated implants has higher fractal dimension than that of untreated implants it is still not
clear which treatment or combination of treatments produces the best surfaces for
osseointegration It is also seen from Table 1 that the fractal dimension is higher for all of the
treated surfaces in comparison with the surface without any treatments (with the smallest
fractal dimension value) which reflects the fact that all these treatments produce surface
effects that favorably influence the complexity of the final crystal structure On the other
hand there is no clear evidence as to how these values may be associated with the quality of
implants without further in vivo experiments
33
Table 1 Fractal dimension (standard deviation) of binarized images shown in Fig2
Acid treatment No acid
Calcium
phosphate
No calcium
phosphate
Calcium
phosphate
No calcium
Phosphate
Sand blasted 1859 (0014) 1930 (0015) 1693 (0011) 1903 (0014)
No sand blasting 1920 (0015) 1845 (0013) 1881 (0014) 1687 (0012)
The current study suggests that a general Deposition Difusion Aggregation (DDA)
model [21] may be used to describe crystal formation in the different scenarios covered in the
present work One may perceive that the molecules present in the solution deposit on the
implant surface and move along this surface until they reach other such molecules andor
already crystallized formations where they become incorporated into the crystal structure
The concentration of the (in the current experiment simulated corporal) fluid determines the
flux of deposition and the mobility of the molecules (and perhaps larger molecular
agglomerates) is governed by the topology (roughness) of the implant surface It is well
known [21] that the flux and mobility of aggregate particles lead to rather different deposition
patterns ranging from many uniformly distributed small DLA (Diffusion Limited
Aggregation) like crystals to large dendritic structures and the DDA model apparently
represents an excellent candidate to describe the diversity of observed crystal patterns seen
on the electron microscope images of Fig 1
Conclusion
We apply fractal analysis on binarized scanning electron microscopy images of the
surface of titanium implants that were first subjected to different treatment combinations of i)
sand blasting ii) acid etching and iii) exposition to calcium phosphate and were then
submersed in a simulated corporal fluid for thirty days The obtained fractal dimension values
vary between Df=168 to Df=193 reflecting the complexity and space filling property of the
final crystal structure characterized by large and small crystals uniformly or locally
deposited of simple or dendritic shape that were found for different treatment combinations
Further in vivo studies are necessary to determine how these values may be associated with
the quality of implants
34
References
[1] Albrektsson T Sennerby L Wennerberg A State of the art of oral implants Periodontol
2000 2008 47 15-26
[2] Wazen JJ Gupta R Ghossaini S Spitzer J Farrugia M Tjellstrom A
Osseointegration timing for Baha system loading Laryngoscope 2007 117 794-796
[3] Palmquist A Jarmar T Emanuelsson L Braringnemark R Engqvist H Thomsen P
Forearm bone-anchored amputationprosthesis a case study on the osseointegration Acta
Orthop 2008 79 78-85
[4] Le Gueacutehennec L Soueidan A Layrolle P Amouriq Y Surface treatments of titanium
dental implants for rapid osseointegration Dental Materiasl 2007 23 844-854
[5] Mandelbrot BB The Fractal Geometry of Nature New York Freeman 1983 25
[6]Dellino PLiotino G The fractal and multifractal dimension of volcanic ash particles
contour a test study on the utility and volcanological relevance Journal of Volcanology and
Geothermal Research 2002 113 1-18
[7] Majumdar A Alencar AM Buldyrev SV Hantos Z Lutchen KR Stanley HE Suki B
Relating airway diameter distributions to regular branching asymmetry in the lung Phys Rev Lett 2005 95 168101
[8] Jelinek HF Fernandez E Neurons and fractals how reliable and useful are calculations of
fractal dimensions Journal of Neuroscience Methods 1998 81 9 ndash 18
[9] Chung HW HUANG YH Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the Diagnosis
of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology 2000 174 1055-1059
[10] Zaia A Eleonori R Maponi P Rossi R Murri R MR imaging and osteoporosis
fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute IEEE Trans Inf Technol Biomed 2006 10
484-489
[11] Stosic T Stosic B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels EEE Transactions
on MIedical Imaging 2006 25 1101-1107
[12] Goldberger AL Amaral LAN Hausdorff JM Ivanov PCh Peng CK Stanley
HE Fractal dynamics in physiology Alterations with disease and aging PNAS 2002 99
2466-2472
[13] Saacutenchez I Uzcaacutetegui G Fractals in dentistry Journal of Dentistry 2011 39 273-292
[14] Updike SX Nowzari H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res 2008 43 658-664
[15] Perotti V Aprile G Degidi M Piatelli A Lezzi G Fractal analysis a novel method to
assess roughness organization of implant surface topography Int J Peridontic Restorative
Dent 2011 31 633-639
[16] Ehrenfest D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol 2011 37 506-509
35
[17] Lezzi G Aprile G Tripodi D Scarano A Piatelli A Perotti V Implant surface
topographies analyzed using fractal dimension Implant Dent 2012 20 131-138
[18] Guo CY Tang ATH Matinlinna JP Insights into surface treatment methods of titanium
dental implants Journal of Adhesion Science amp Technology 2012 26 189ndash205
[19] Kokubo T Takadama H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
Biomaterials 2006 27 2907-2915
[20] Theiller J Estimating fractal dimension J Opt Soc Am 1990 7 1055-1073
[21] P Jensen A-L Barabaacutesi H Larralde S Havlin H E Stanley Model incorporating
deposition diffusion and aggregation in submonolayer nanostructures Phys Rev E (1994)
50 618ndash621
25
REFEREcircNCIAS
BARROS NETO B SCHARMINIO I E BRUNS R E Como Fazer experimentos
Pesquisa e desenvolvimento na ciecircncia e na Induacutestria 2 ed- Campinas-SP Editora
Unicamp 2003
BASSINTHWAITGHT JB LIEBOVITCH LS BRUCE JW Fractal physiology New
York Oxford American Physiological Society 1994
BRAringNEMARK R et al Bone response to laser-induced micro- and nano-size titanium
surface features Nanomedicine v 7 n 2 p 220-227 2011
BRAringNEMARK PI et al Osseointegreated implants in the treatment of edentulous jaw
Experience from a 10- year period Scand J Plast Reconst Surg Suppl v 16 p 1-132
1977
CARNEIRO-CAMPOS LE et al The effect of titanium topography features on mesenchymal
human stromal cells adhesion Clin Oral Implants Res v 21 n 2 p 251-254 2010
CHUNG H-W HUANG Y-H Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the
Diagnosis of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology v 174 p
1055-1059 2000
EHRENFEST D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol v 37 p 506-509 2011
GAO L et al MicroNanostructural Porous Surface on Titanium and Bioactivity J Biomed
Mater Res Part B Appl Biomater v 89B n 2 p 335ndash341 2009
GOUVEIA DS Obtenccedilatildeo de poacutes nanomeacutetricos de hidroxiapatita sintetizados com
magneacutesio utilizando ultra-som Tese Instituto de Pesquisas Energeacuteticas e Nucleares S
Paulo 2008
HAMLET S et al The effect of hydrophilic titanium surface modification on macrophage
inflammatory cytokine gene expression Clin Oral Implants Res v 23 n 5 p 584-90
2012
IVANOV PCH et al Multifractality in Human Heartbeat Dynamics Nature v 399 p
461-465 1999
KAumlMMERER PW et al Early implant healing promotion of platelet activation and
cytokine release by topographical chemical and biomimetical titanium surface modifications
in vitro Clin Oral Implants Res v 23 n4 p 504-10 2012
26
KOKUBO TTAKADAMA H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
BIOMATERIALS v 27 n 15 p 2907-2915 2006
LEZZIG et al Implant surface topographies analyzed using fractal dimension Implant
Dent v 20 p 131-138 2012
MANDELBROT BB How long is the coast of Britain Statistical self-similarity and
fractional dimension Science 156 1967 636-638
MANDELBROT BB The Fractal Geometry of Nature New York 1983
MARQUES C Tratamento de superfiacutecies de implantes de titacircnio Dissertaccedilatildeo de
Mestrado apresentada ao Curso de Mestrado em Ciecircncia dos Materiais do Instituto Militar de
Engenharia (IME) 2007
MISCH CE Misch bone density classification In Misch CE ed Contemporary Implant
Densitry 113-114 St Luis Mosby Inc 2009
NOVAES ABJR et al Influence of Implant Surfaces on Osseointegration Braz Dent J v
21 n 6 p 471-481 2010
ORSINI E et al Early Healing Events around Titanium Implant Devices with Different
Surface Microtopography A Pilot Study in an In Vivo Rabbit Model The Scientific World
Journal 349042 2012
PARK S et al The Effect of Fluoride Treatment on Titanium Treated with Anodic Spark
Oxidation Metals and Materials International v 13 n 2 p 117-122 2007
PERROTTI V et al Fractal Analysis A Novel Method to Assess Roughness Organization of
Implant Surface Topography International Journal of Periodontics amp Restorative
Dentistry v 31 n 6 p 633-639 2011
SAacuteNCHEZ I UZCAacuteTEGUI G Fractals in dentistry Journal of Dentistry v 39 n 4 p
273-292 2011
STOSIC T STOSIC B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels IEEE
Transactions on Medical Imaging v 25 p 1101-1107 2006
SULTANA R et al Effects of heat treatment on the bioactivity of surface-modified titanium
in calcium solution Biomed Mater Eng v 19 n 2 p 193-204 2009
TAPASH RR NARAYANAN R KIM K-H Ion implantation of titanium based
biomaterials Progress in Materials Science v 56 n 8 p 1137-1177 2011
27
UPDIKE SX NOWZARI H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res v 43 n 6 p 658-664 2008
WENNERBERG A ALBREKTSSON T Effects of titanium surface topography on bone
integration a systematic review Clin Oral Implants Res v 20 n 4 p 172-84 2009
WUY-T et al Fractal dimension analysis for quantifying cerebellar morphological change
of multiple system atrophy of the cerebellar type (MSA-C) NeuroImage v 49 n 1 p 539-
551 2010
ZAIA A et al MR imaging and osteoporosis fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute
IEEE Trans Inf Technol Biomed v 10 n 3 p 484-489 2006
ZHANG F et al Cell response of titanium implant with a roughened surface containing
titanium hydride an in vitro study J Oral Maxillofac Surg v 68 n 5 p 1131-1139 2010
28
APEcircNDICE
Artigo submetido agrave publicaccedilatildeo na revista
Fractal measure and microscopic modeling of osseointegration
Leonardo Cavalcanti Bezerra dos Santos1 Alessandra de Albuquerque Tavares Carvalho
1
Borko Stosic2 Tatijana Stosic
2 Paulo Jose Duarte Neto
2
1Departamento de Cliacutenica e Odontologia Preventiva Universidade Federal de Pernambuco
Quarta Travessa Artur de Saacute sn Cidade Universitaacuteria 50670-901 Recife PE Brazil
2Departamento de Estatiacutestica e Informaacutetica Universidade Federal Rural de Pernambuco
Rua Dom Manoel de Medeiros sn Dois Irmatildeos 52171-900 Recife PE Brazil
Abstract
In this work the process of osseointegration on titanium implant surfaces with
different physicochemical treatment subjected to a simulated corporal fluid
submersion is evaluated using the concept of fractal dimension It is found that
different treatments lead to rather different calcium phosphate crystal growth
patterns with fractal dimension ranging from Df=168 to Df=193 The
observed crystal patterns may be explained by a general deposition- diffusion-
aggregation growth mechanism where diffusing particle sticking probability
plays a fundamental role
Key words dental implants osseointegration fractal dimension
Introduction
Practical techniques enhancing implant osseointegration represent a fundamental
research topic not only in dentistry but also in other diverse areas of medicine and veterinary
sciences where bone implants or bone restoration is applied [1-3] While great advances in
this direction have undoubtedly been made over the past decades the full understanding is
still lacking on the effects of different implant surface physicochemical treatments as well as
on the microscopic mechanisms of the posterior osseointegration process [4]
Fractal dimension is a novel concept that has been increasingly employed in diverse
areas of knowledge for quantifying the complexity of natural phenomena ranging from
coastlines [5] and shape of volcanic ash particles [6] bronchial tree [7] and neurons [8]
Fractals are in fact commonly found in nature being characterized by scale invariance and
29
self-similarity During the last decades fractal analysis was used in studying diverse
phenomena in physiology and medicine including pulmonary emphysema [9] osteoporoses
[10] retinal blood vessels [11] and heart rate [12] The potential of fractal analysis was also
explored in dentistry [1314] Recently fractal dimension was used to quantify the surface
roughness of dental implants and shown to be promising to differentiate between topological
properties of dental implant surfaces obtained with different treatments [151617]
In this work we follow up on recent studies [15-17] as to how one may employ fractal
analysis to assess roughness organization of implant surface topology Rather than
concentrating on the implant surface properties subject to different physicochemical treatment
processes [15] here we put the emphasis on the results of simulated body fluid submersion
representing a step forward in understanding of implant osseointegration
Materials and Methods
Machined titanium implant samples were first subjected to different combinations of
a) sand blasting with aluminum oxide b) treatment with hydrofluoric acid and c) treatment
with calcium phosphate [18] after which they were submersed in a simulated body fluid [19]
for thirty days Magnified images of these samples were then acquired through scanning
electron microscopy as shown in Fig1 and subjected to image analysis
As opposed to fractal analysis performed in [15] to find the fractal dimension here we
only binarize the images as shown in Fig2 without skeletonization since we are interested in
crystal formation and it was found that skeletonization introduces artefacts (local networks of
lines) not apparent in the original crystal structure There are various methods for fractal
dimension calculation among which the box-counting method is perhaps the most widely
used because of its simplicity and robustness [20] It proceeds as follows Cover the structure
with a grid of size r and count the number of nonempty grid boxes )(rn Repeat this
procedure for different grid size for fractal self-similar structures 0~)(D
rrn
Box-counting
dimension is defined as
)1log(
)(loglim
0 r
rnD
rf
and can be estimated as the slope of the linear regression of )(log rn versus )1log( r We
calculate fractal dimension using the box counting method implemented in the FracLac
Package of open source software ImageJ
30
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid
tre
atm
ent
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 1 Electron microscope images of samples with different treatment after
submersion in simulated body fluid
31
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid t
reat
men
t
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 2 Same images as in Fig1 after binarization
32
Results and Discussion
It is seen on Fig1 that different combinations of implant surface treatment lead to
rather different crystal pattern formation during the simulated body fluid submersion No clear
conclusions can be drawn as to the size of spatial distribution of formed crystals
corresponding to any single treatment rather it is the combinations of these procedures that
lead to specific resulting structures Large and small crystals uniformly or locally deposited
of simple or dendritic shape are found for different treatment combinations and further in
vivo studies are necessary to determine which of these provide more robust implants with
best mechanical properties
In line with the previous study [15] that has motivated the current work we calculate
the fractal dimension of binarized images shown in Fig2 with the results presented in Table
1 The obtained fractal dimension values vary between Df=168 and Df=193 indicating the
potential of this method to quantify spatial complexity of formed crystals for different implant
surface treatments It is seen from Table 1 that in general the fractal dimension of implant
surface after submersion in SBF tends to be greater in the cases of treatment with acid
(keeping the same combination of sand blasting and calcium phosphate coating) that reflects
the fact that acid etching produces micro pits on titanium surface that greatly enhance
osseointegration [4] The highest value of fractal dimension (193) is obtained for the implant
treated by sand blasting and acid etching indicating that the surface roughness produced by
this treatment results in more uniform and more space filling crystal deposits The fractal
dimension of surfaces treated only by sand blasting acid etching and calcium phosphate are
1903 1845 and 1881 respectively and they are significantly higher than the fractal
dimension of untreated surface (1687) confirming the role of implant surface chemistry and
topology in the process of osseointegration Although our results show that surface topology
of treated implants has higher fractal dimension than that of untreated implants it is still not
clear which treatment or combination of treatments produces the best surfaces for
osseointegration It is also seen from Table 1 that the fractal dimension is higher for all of the
treated surfaces in comparison with the surface without any treatments (with the smallest
fractal dimension value) which reflects the fact that all these treatments produce surface
effects that favorably influence the complexity of the final crystal structure On the other
hand there is no clear evidence as to how these values may be associated with the quality of
implants without further in vivo experiments
33
Table 1 Fractal dimension (standard deviation) of binarized images shown in Fig2
Acid treatment No acid
Calcium
phosphate
No calcium
phosphate
Calcium
phosphate
No calcium
Phosphate
Sand blasted 1859 (0014) 1930 (0015) 1693 (0011) 1903 (0014)
No sand blasting 1920 (0015) 1845 (0013) 1881 (0014) 1687 (0012)
The current study suggests that a general Deposition Difusion Aggregation (DDA)
model [21] may be used to describe crystal formation in the different scenarios covered in the
present work One may perceive that the molecules present in the solution deposit on the
implant surface and move along this surface until they reach other such molecules andor
already crystallized formations where they become incorporated into the crystal structure
The concentration of the (in the current experiment simulated corporal) fluid determines the
flux of deposition and the mobility of the molecules (and perhaps larger molecular
agglomerates) is governed by the topology (roughness) of the implant surface It is well
known [21] that the flux and mobility of aggregate particles lead to rather different deposition
patterns ranging from many uniformly distributed small DLA (Diffusion Limited
Aggregation) like crystals to large dendritic structures and the DDA model apparently
represents an excellent candidate to describe the diversity of observed crystal patterns seen
on the electron microscope images of Fig 1
Conclusion
We apply fractal analysis on binarized scanning electron microscopy images of the
surface of titanium implants that were first subjected to different treatment combinations of i)
sand blasting ii) acid etching and iii) exposition to calcium phosphate and were then
submersed in a simulated corporal fluid for thirty days The obtained fractal dimension values
vary between Df=168 to Df=193 reflecting the complexity and space filling property of the
final crystal structure characterized by large and small crystals uniformly or locally
deposited of simple or dendritic shape that were found for different treatment combinations
Further in vivo studies are necessary to determine how these values may be associated with
the quality of implants
34
References
[1] Albrektsson T Sennerby L Wennerberg A State of the art of oral implants Periodontol
2000 2008 47 15-26
[2] Wazen JJ Gupta R Ghossaini S Spitzer J Farrugia M Tjellstrom A
Osseointegration timing for Baha system loading Laryngoscope 2007 117 794-796
[3] Palmquist A Jarmar T Emanuelsson L Braringnemark R Engqvist H Thomsen P
Forearm bone-anchored amputationprosthesis a case study on the osseointegration Acta
Orthop 2008 79 78-85
[4] Le Gueacutehennec L Soueidan A Layrolle P Amouriq Y Surface treatments of titanium
dental implants for rapid osseointegration Dental Materiasl 2007 23 844-854
[5] Mandelbrot BB The Fractal Geometry of Nature New York Freeman 1983 25
[6]Dellino PLiotino G The fractal and multifractal dimension of volcanic ash particles
contour a test study on the utility and volcanological relevance Journal of Volcanology and
Geothermal Research 2002 113 1-18
[7] Majumdar A Alencar AM Buldyrev SV Hantos Z Lutchen KR Stanley HE Suki B
Relating airway diameter distributions to regular branching asymmetry in the lung Phys Rev Lett 2005 95 168101
[8] Jelinek HF Fernandez E Neurons and fractals how reliable and useful are calculations of
fractal dimensions Journal of Neuroscience Methods 1998 81 9 ndash 18
[9] Chung HW HUANG YH Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the Diagnosis
of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology 2000 174 1055-1059
[10] Zaia A Eleonori R Maponi P Rossi R Murri R MR imaging and osteoporosis
fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute IEEE Trans Inf Technol Biomed 2006 10
484-489
[11] Stosic T Stosic B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels EEE Transactions
on MIedical Imaging 2006 25 1101-1107
[12] Goldberger AL Amaral LAN Hausdorff JM Ivanov PCh Peng CK Stanley
HE Fractal dynamics in physiology Alterations with disease and aging PNAS 2002 99
2466-2472
[13] Saacutenchez I Uzcaacutetegui G Fractals in dentistry Journal of Dentistry 2011 39 273-292
[14] Updike SX Nowzari H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res 2008 43 658-664
[15] Perotti V Aprile G Degidi M Piatelli A Lezzi G Fractal analysis a novel method to
assess roughness organization of implant surface topography Int J Peridontic Restorative
Dent 2011 31 633-639
[16] Ehrenfest D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol 2011 37 506-509
35
[17] Lezzi G Aprile G Tripodi D Scarano A Piatelli A Perotti V Implant surface
topographies analyzed using fractal dimension Implant Dent 2012 20 131-138
[18] Guo CY Tang ATH Matinlinna JP Insights into surface treatment methods of titanium
dental implants Journal of Adhesion Science amp Technology 2012 26 189ndash205
[19] Kokubo T Takadama H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
Biomaterials 2006 27 2907-2915
[20] Theiller J Estimating fractal dimension J Opt Soc Am 1990 7 1055-1073
[21] P Jensen A-L Barabaacutesi H Larralde S Havlin H E Stanley Model incorporating
deposition diffusion and aggregation in submonolayer nanostructures Phys Rev E (1994)
50 618ndash621
26
KOKUBO TTAKADAMA H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
BIOMATERIALS v 27 n 15 p 2907-2915 2006
LEZZIG et al Implant surface topographies analyzed using fractal dimension Implant
Dent v 20 p 131-138 2012
MANDELBROT BB How long is the coast of Britain Statistical self-similarity and
fractional dimension Science 156 1967 636-638
MANDELBROT BB The Fractal Geometry of Nature New York 1983
MARQUES C Tratamento de superfiacutecies de implantes de titacircnio Dissertaccedilatildeo de
Mestrado apresentada ao Curso de Mestrado em Ciecircncia dos Materiais do Instituto Militar de
Engenharia (IME) 2007
MISCH CE Misch bone density classification In Misch CE ed Contemporary Implant
Densitry 113-114 St Luis Mosby Inc 2009
NOVAES ABJR et al Influence of Implant Surfaces on Osseointegration Braz Dent J v
21 n 6 p 471-481 2010
ORSINI E et al Early Healing Events around Titanium Implant Devices with Different
Surface Microtopography A Pilot Study in an In Vivo Rabbit Model The Scientific World
Journal 349042 2012
PARK S et al The Effect of Fluoride Treatment on Titanium Treated with Anodic Spark
Oxidation Metals and Materials International v 13 n 2 p 117-122 2007
PERROTTI V et al Fractal Analysis A Novel Method to Assess Roughness Organization of
Implant Surface Topography International Journal of Periodontics amp Restorative
Dentistry v 31 n 6 p 633-639 2011
SAacuteNCHEZ I UZCAacuteTEGUI G Fractals in dentistry Journal of Dentistry v 39 n 4 p
273-292 2011
STOSIC T STOSIC B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels IEEE
Transactions on Medical Imaging v 25 p 1101-1107 2006
SULTANA R et al Effects of heat treatment on the bioactivity of surface-modified titanium
in calcium solution Biomed Mater Eng v 19 n 2 p 193-204 2009
TAPASH RR NARAYANAN R KIM K-H Ion implantation of titanium based
biomaterials Progress in Materials Science v 56 n 8 p 1137-1177 2011
27
UPDIKE SX NOWZARI H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res v 43 n 6 p 658-664 2008
WENNERBERG A ALBREKTSSON T Effects of titanium surface topography on bone
integration a systematic review Clin Oral Implants Res v 20 n 4 p 172-84 2009
WUY-T et al Fractal dimension analysis for quantifying cerebellar morphological change
of multiple system atrophy of the cerebellar type (MSA-C) NeuroImage v 49 n 1 p 539-
551 2010
ZAIA A et al MR imaging and osteoporosis fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute
IEEE Trans Inf Technol Biomed v 10 n 3 p 484-489 2006
ZHANG F et al Cell response of titanium implant with a roughened surface containing
titanium hydride an in vitro study J Oral Maxillofac Surg v 68 n 5 p 1131-1139 2010
28
APEcircNDICE
Artigo submetido agrave publicaccedilatildeo na revista
Fractal measure and microscopic modeling of osseointegration
Leonardo Cavalcanti Bezerra dos Santos1 Alessandra de Albuquerque Tavares Carvalho
1
Borko Stosic2 Tatijana Stosic
2 Paulo Jose Duarte Neto
2
1Departamento de Cliacutenica e Odontologia Preventiva Universidade Federal de Pernambuco
Quarta Travessa Artur de Saacute sn Cidade Universitaacuteria 50670-901 Recife PE Brazil
2Departamento de Estatiacutestica e Informaacutetica Universidade Federal Rural de Pernambuco
Rua Dom Manoel de Medeiros sn Dois Irmatildeos 52171-900 Recife PE Brazil
Abstract
In this work the process of osseointegration on titanium implant surfaces with
different physicochemical treatment subjected to a simulated corporal fluid
submersion is evaluated using the concept of fractal dimension It is found that
different treatments lead to rather different calcium phosphate crystal growth
patterns with fractal dimension ranging from Df=168 to Df=193 The
observed crystal patterns may be explained by a general deposition- diffusion-
aggregation growth mechanism where diffusing particle sticking probability
plays a fundamental role
Key words dental implants osseointegration fractal dimension
Introduction
Practical techniques enhancing implant osseointegration represent a fundamental
research topic not only in dentistry but also in other diverse areas of medicine and veterinary
sciences where bone implants or bone restoration is applied [1-3] While great advances in
this direction have undoubtedly been made over the past decades the full understanding is
still lacking on the effects of different implant surface physicochemical treatments as well as
on the microscopic mechanisms of the posterior osseointegration process [4]
Fractal dimension is a novel concept that has been increasingly employed in diverse
areas of knowledge for quantifying the complexity of natural phenomena ranging from
coastlines [5] and shape of volcanic ash particles [6] bronchial tree [7] and neurons [8]
Fractals are in fact commonly found in nature being characterized by scale invariance and
29
self-similarity During the last decades fractal analysis was used in studying diverse
phenomena in physiology and medicine including pulmonary emphysema [9] osteoporoses
[10] retinal blood vessels [11] and heart rate [12] The potential of fractal analysis was also
explored in dentistry [1314] Recently fractal dimension was used to quantify the surface
roughness of dental implants and shown to be promising to differentiate between topological
properties of dental implant surfaces obtained with different treatments [151617]
In this work we follow up on recent studies [15-17] as to how one may employ fractal
analysis to assess roughness organization of implant surface topology Rather than
concentrating on the implant surface properties subject to different physicochemical treatment
processes [15] here we put the emphasis on the results of simulated body fluid submersion
representing a step forward in understanding of implant osseointegration
Materials and Methods
Machined titanium implant samples were first subjected to different combinations of
a) sand blasting with aluminum oxide b) treatment with hydrofluoric acid and c) treatment
with calcium phosphate [18] after which they were submersed in a simulated body fluid [19]
for thirty days Magnified images of these samples were then acquired through scanning
electron microscopy as shown in Fig1 and subjected to image analysis
As opposed to fractal analysis performed in [15] to find the fractal dimension here we
only binarize the images as shown in Fig2 without skeletonization since we are interested in
crystal formation and it was found that skeletonization introduces artefacts (local networks of
lines) not apparent in the original crystal structure There are various methods for fractal
dimension calculation among which the box-counting method is perhaps the most widely
used because of its simplicity and robustness [20] It proceeds as follows Cover the structure
with a grid of size r and count the number of nonempty grid boxes )(rn Repeat this
procedure for different grid size for fractal self-similar structures 0~)(D
rrn
Box-counting
dimension is defined as
)1log(
)(loglim
0 r
rnD
rf
and can be estimated as the slope of the linear regression of )(log rn versus )1log( r We
calculate fractal dimension using the box counting method implemented in the FracLac
Package of open source software ImageJ
30
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid
tre
atm
ent
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 1 Electron microscope images of samples with different treatment after
submersion in simulated body fluid
31
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid t
reat
men
t
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 2 Same images as in Fig1 after binarization
32
Results and Discussion
It is seen on Fig1 that different combinations of implant surface treatment lead to
rather different crystal pattern formation during the simulated body fluid submersion No clear
conclusions can be drawn as to the size of spatial distribution of formed crystals
corresponding to any single treatment rather it is the combinations of these procedures that
lead to specific resulting structures Large and small crystals uniformly or locally deposited
of simple or dendritic shape are found for different treatment combinations and further in
vivo studies are necessary to determine which of these provide more robust implants with
best mechanical properties
In line with the previous study [15] that has motivated the current work we calculate
the fractal dimension of binarized images shown in Fig2 with the results presented in Table
1 The obtained fractal dimension values vary between Df=168 and Df=193 indicating the
potential of this method to quantify spatial complexity of formed crystals for different implant
surface treatments It is seen from Table 1 that in general the fractal dimension of implant
surface after submersion in SBF tends to be greater in the cases of treatment with acid
(keeping the same combination of sand blasting and calcium phosphate coating) that reflects
the fact that acid etching produces micro pits on titanium surface that greatly enhance
osseointegration [4] The highest value of fractal dimension (193) is obtained for the implant
treated by sand blasting and acid etching indicating that the surface roughness produced by
this treatment results in more uniform and more space filling crystal deposits The fractal
dimension of surfaces treated only by sand blasting acid etching and calcium phosphate are
1903 1845 and 1881 respectively and they are significantly higher than the fractal
dimension of untreated surface (1687) confirming the role of implant surface chemistry and
topology in the process of osseointegration Although our results show that surface topology
of treated implants has higher fractal dimension than that of untreated implants it is still not
clear which treatment or combination of treatments produces the best surfaces for
osseointegration It is also seen from Table 1 that the fractal dimension is higher for all of the
treated surfaces in comparison with the surface without any treatments (with the smallest
fractal dimension value) which reflects the fact that all these treatments produce surface
effects that favorably influence the complexity of the final crystal structure On the other
hand there is no clear evidence as to how these values may be associated with the quality of
implants without further in vivo experiments
33
Table 1 Fractal dimension (standard deviation) of binarized images shown in Fig2
Acid treatment No acid
Calcium
phosphate
No calcium
phosphate
Calcium
phosphate
No calcium
Phosphate
Sand blasted 1859 (0014) 1930 (0015) 1693 (0011) 1903 (0014)
No sand blasting 1920 (0015) 1845 (0013) 1881 (0014) 1687 (0012)
The current study suggests that a general Deposition Difusion Aggregation (DDA)
model [21] may be used to describe crystal formation in the different scenarios covered in the
present work One may perceive that the molecules present in the solution deposit on the
implant surface and move along this surface until they reach other such molecules andor
already crystallized formations where they become incorporated into the crystal structure
The concentration of the (in the current experiment simulated corporal) fluid determines the
flux of deposition and the mobility of the molecules (and perhaps larger molecular
agglomerates) is governed by the topology (roughness) of the implant surface It is well
known [21] that the flux and mobility of aggregate particles lead to rather different deposition
patterns ranging from many uniformly distributed small DLA (Diffusion Limited
Aggregation) like crystals to large dendritic structures and the DDA model apparently
represents an excellent candidate to describe the diversity of observed crystal patterns seen
on the electron microscope images of Fig 1
Conclusion
We apply fractal analysis on binarized scanning electron microscopy images of the
surface of titanium implants that were first subjected to different treatment combinations of i)
sand blasting ii) acid etching and iii) exposition to calcium phosphate and were then
submersed in a simulated corporal fluid for thirty days The obtained fractal dimension values
vary between Df=168 to Df=193 reflecting the complexity and space filling property of the
final crystal structure characterized by large and small crystals uniformly or locally
deposited of simple or dendritic shape that were found for different treatment combinations
Further in vivo studies are necessary to determine how these values may be associated with
the quality of implants
34
References
[1] Albrektsson T Sennerby L Wennerberg A State of the art of oral implants Periodontol
2000 2008 47 15-26
[2] Wazen JJ Gupta R Ghossaini S Spitzer J Farrugia M Tjellstrom A
Osseointegration timing for Baha system loading Laryngoscope 2007 117 794-796
[3] Palmquist A Jarmar T Emanuelsson L Braringnemark R Engqvist H Thomsen P
Forearm bone-anchored amputationprosthesis a case study on the osseointegration Acta
Orthop 2008 79 78-85
[4] Le Gueacutehennec L Soueidan A Layrolle P Amouriq Y Surface treatments of titanium
dental implants for rapid osseointegration Dental Materiasl 2007 23 844-854
[5] Mandelbrot BB The Fractal Geometry of Nature New York Freeman 1983 25
[6]Dellino PLiotino G The fractal and multifractal dimension of volcanic ash particles
contour a test study on the utility and volcanological relevance Journal of Volcanology and
Geothermal Research 2002 113 1-18
[7] Majumdar A Alencar AM Buldyrev SV Hantos Z Lutchen KR Stanley HE Suki B
Relating airway diameter distributions to regular branching asymmetry in the lung Phys Rev Lett 2005 95 168101
[8] Jelinek HF Fernandez E Neurons and fractals how reliable and useful are calculations of
fractal dimensions Journal of Neuroscience Methods 1998 81 9 ndash 18
[9] Chung HW HUANG YH Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the Diagnosis
of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology 2000 174 1055-1059
[10] Zaia A Eleonori R Maponi P Rossi R Murri R MR imaging and osteoporosis
fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute IEEE Trans Inf Technol Biomed 2006 10
484-489
[11] Stosic T Stosic B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels EEE Transactions
on MIedical Imaging 2006 25 1101-1107
[12] Goldberger AL Amaral LAN Hausdorff JM Ivanov PCh Peng CK Stanley
HE Fractal dynamics in physiology Alterations with disease and aging PNAS 2002 99
2466-2472
[13] Saacutenchez I Uzcaacutetegui G Fractals in dentistry Journal of Dentistry 2011 39 273-292
[14] Updike SX Nowzari H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res 2008 43 658-664
[15] Perotti V Aprile G Degidi M Piatelli A Lezzi G Fractal analysis a novel method to
assess roughness organization of implant surface topography Int J Peridontic Restorative
Dent 2011 31 633-639
[16] Ehrenfest D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol 2011 37 506-509
35
[17] Lezzi G Aprile G Tripodi D Scarano A Piatelli A Perotti V Implant surface
topographies analyzed using fractal dimension Implant Dent 2012 20 131-138
[18] Guo CY Tang ATH Matinlinna JP Insights into surface treatment methods of titanium
dental implants Journal of Adhesion Science amp Technology 2012 26 189ndash205
[19] Kokubo T Takadama H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
Biomaterials 2006 27 2907-2915
[20] Theiller J Estimating fractal dimension J Opt Soc Am 1990 7 1055-1073
[21] P Jensen A-L Barabaacutesi H Larralde S Havlin H E Stanley Model incorporating
deposition diffusion and aggregation in submonolayer nanostructures Phys Rev E (1994)
50 618ndash621
27
UPDIKE SX NOWZARI H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res v 43 n 6 p 658-664 2008
WENNERBERG A ALBREKTSSON T Effects of titanium surface topography on bone
integration a systematic review Clin Oral Implants Res v 20 n 4 p 172-84 2009
WUY-T et al Fractal dimension analysis for quantifying cerebellar morphological change
of multiple system atrophy of the cerebellar type (MSA-C) NeuroImage v 49 n 1 p 539-
551 2010
ZAIA A et al MR imaging and osteoporosis fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute
IEEE Trans Inf Technol Biomed v 10 n 3 p 484-489 2006
ZHANG F et al Cell response of titanium implant with a roughened surface containing
titanium hydride an in vitro study J Oral Maxillofac Surg v 68 n 5 p 1131-1139 2010
28
APEcircNDICE
Artigo submetido agrave publicaccedilatildeo na revista
Fractal measure and microscopic modeling of osseointegration
Leonardo Cavalcanti Bezerra dos Santos1 Alessandra de Albuquerque Tavares Carvalho
1
Borko Stosic2 Tatijana Stosic
2 Paulo Jose Duarte Neto
2
1Departamento de Cliacutenica e Odontologia Preventiva Universidade Federal de Pernambuco
Quarta Travessa Artur de Saacute sn Cidade Universitaacuteria 50670-901 Recife PE Brazil
2Departamento de Estatiacutestica e Informaacutetica Universidade Federal Rural de Pernambuco
Rua Dom Manoel de Medeiros sn Dois Irmatildeos 52171-900 Recife PE Brazil
Abstract
In this work the process of osseointegration on titanium implant surfaces with
different physicochemical treatment subjected to a simulated corporal fluid
submersion is evaluated using the concept of fractal dimension It is found that
different treatments lead to rather different calcium phosphate crystal growth
patterns with fractal dimension ranging from Df=168 to Df=193 The
observed crystal patterns may be explained by a general deposition- diffusion-
aggregation growth mechanism where diffusing particle sticking probability
plays a fundamental role
Key words dental implants osseointegration fractal dimension
Introduction
Practical techniques enhancing implant osseointegration represent a fundamental
research topic not only in dentistry but also in other diverse areas of medicine and veterinary
sciences where bone implants or bone restoration is applied [1-3] While great advances in
this direction have undoubtedly been made over the past decades the full understanding is
still lacking on the effects of different implant surface physicochemical treatments as well as
on the microscopic mechanisms of the posterior osseointegration process [4]
Fractal dimension is a novel concept that has been increasingly employed in diverse
areas of knowledge for quantifying the complexity of natural phenomena ranging from
coastlines [5] and shape of volcanic ash particles [6] bronchial tree [7] and neurons [8]
Fractals are in fact commonly found in nature being characterized by scale invariance and
29
self-similarity During the last decades fractal analysis was used in studying diverse
phenomena in physiology and medicine including pulmonary emphysema [9] osteoporoses
[10] retinal blood vessels [11] and heart rate [12] The potential of fractal analysis was also
explored in dentistry [1314] Recently fractal dimension was used to quantify the surface
roughness of dental implants and shown to be promising to differentiate between topological
properties of dental implant surfaces obtained with different treatments [151617]
In this work we follow up on recent studies [15-17] as to how one may employ fractal
analysis to assess roughness organization of implant surface topology Rather than
concentrating on the implant surface properties subject to different physicochemical treatment
processes [15] here we put the emphasis on the results of simulated body fluid submersion
representing a step forward in understanding of implant osseointegration
Materials and Methods
Machined titanium implant samples were first subjected to different combinations of
a) sand blasting with aluminum oxide b) treatment with hydrofluoric acid and c) treatment
with calcium phosphate [18] after which they were submersed in a simulated body fluid [19]
for thirty days Magnified images of these samples were then acquired through scanning
electron microscopy as shown in Fig1 and subjected to image analysis
As opposed to fractal analysis performed in [15] to find the fractal dimension here we
only binarize the images as shown in Fig2 without skeletonization since we are interested in
crystal formation and it was found that skeletonization introduces artefacts (local networks of
lines) not apparent in the original crystal structure There are various methods for fractal
dimension calculation among which the box-counting method is perhaps the most widely
used because of its simplicity and robustness [20] It proceeds as follows Cover the structure
with a grid of size r and count the number of nonempty grid boxes )(rn Repeat this
procedure for different grid size for fractal self-similar structures 0~)(D
rrn
Box-counting
dimension is defined as
)1log(
)(loglim
0 r
rnD
rf
and can be estimated as the slope of the linear regression of )(log rn versus )1log( r We
calculate fractal dimension using the box counting method implemented in the FracLac
Package of open source software ImageJ
30
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid
tre
atm
ent
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 1 Electron microscope images of samples with different treatment after
submersion in simulated body fluid
31
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid t
reat
men
t
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 2 Same images as in Fig1 after binarization
32
Results and Discussion
It is seen on Fig1 that different combinations of implant surface treatment lead to
rather different crystal pattern formation during the simulated body fluid submersion No clear
conclusions can be drawn as to the size of spatial distribution of formed crystals
corresponding to any single treatment rather it is the combinations of these procedures that
lead to specific resulting structures Large and small crystals uniformly or locally deposited
of simple or dendritic shape are found for different treatment combinations and further in
vivo studies are necessary to determine which of these provide more robust implants with
best mechanical properties
In line with the previous study [15] that has motivated the current work we calculate
the fractal dimension of binarized images shown in Fig2 with the results presented in Table
1 The obtained fractal dimension values vary between Df=168 and Df=193 indicating the
potential of this method to quantify spatial complexity of formed crystals for different implant
surface treatments It is seen from Table 1 that in general the fractal dimension of implant
surface after submersion in SBF tends to be greater in the cases of treatment with acid
(keeping the same combination of sand blasting and calcium phosphate coating) that reflects
the fact that acid etching produces micro pits on titanium surface that greatly enhance
osseointegration [4] The highest value of fractal dimension (193) is obtained for the implant
treated by sand blasting and acid etching indicating that the surface roughness produced by
this treatment results in more uniform and more space filling crystal deposits The fractal
dimension of surfaces treated only by sand blasting acid etching and calcium phosphate are
1903 1845 and 1881 respectively and they are significantly higher than the fractal
dimension of untreated surface (1687) confirming the role of implant surface chemistry and
topology in the process of osseointegration Although our results show that surface topology
of treated implants has higher fractal dimension than that of untreated implants it is still not
clear which treatment or combination of treatments produces the best surfaces for
osseointegration It is also seen from Table 1 that the fractal dimension is higher for all of the
treated surfaces in comparison with the surface without any treatments (with the smallest
fractal dimension value) which reflects the fact that all these treatments produce surface
effects that favorably influence the complexity of the final crystal structure On the other
hand there is no clear evidence as to how these values may be associated with the quality of
implants without further in vivo experiments
33
Table 1 Fractal dimension (standard deviation) of binarized images shown in Fig2
Acid treatment No acid
Calcium
phosphate
No calcium
phosphate
Calcium
phosphate
No calcium
Phosphate
Sand blasted 1859 (0014) 1930 (0015) 1693 (0011) 1903 (0014)
No sand blasting 1920 (0015) 1845 (0013) 1881 (0014) 1687 (0012)
The current study suggests that a general Deposition Difusion Aggregation (DDA)
model [21] may be used to describe crystal formation in the different scenarios covered in the
present work One may perceive that the molecules present in the solution deposit on the
implant surface and move along this surface until they reach other such molecules andor
already crystallized formations where they become incorporated into the crystal structure
The concentration of the (in the current experiment simulated corporal) fluid determines the
flux of deposition and the mobility of the molecules (and perhaps larger molecular
agglomerates) is governed by the topology (roughness) of the implant surface It is well
known [21] that the flux and mobility of aggregate particles lead to rather different deposition
patterns ranging from many uniformly distributed small DLA (Diffusion Limited
Aggregation) like crystals to large dendritic structures and the DDA model apparently
represents an excellent candidate to describe the diversity of observed crystal patterns seen
on the electron microscope images of Fig 1
Conclusion
We apply fractal analysis on binarized scanning electron microscopy images of the
surface of titanium implants that were first subjected to different treatment combinations of i)
sand blasting ii) acid etching and iii) exposition to calcium phosphate and were then
submersed in a simulated corporal fluid for thirty days The obtained fractal dimension values
vary between Df=168 to Df=193 reflecting the complexity and space filling property of the
final crystal structure characterized by large and small crystals uniformly or locally
deposited of simple or dendritic shape that were found for different treatment combinations
Further in vivo studies are necessary to determine how these values may be associated with
the quality of implants
34
References
[1] Albrektsson T Sennerby L Wennerberg A State of the art of oral implants Periodontol
2000 2008 47 15-26
[2] Wazen JJ Gupta R Ghossaini S Spitzer J Farrugia M Tjellstrom A
Osseointegration timing for Baha system loading Laryngoscope 2007 117 794-796
[3] Palmquist A Jarmar T Emanuelsson L Braringnemark R Engqvist H Thomsen P
Forearm bone-anchored amputationprosthesis a case study on the osseointegration Acta
Orthop 2008 79 78-85
[4] Le Gueacutehennec L Soueidan A Layrolle P Amouriq Y Surface treatments of titanium
dental implants for rapid osseointegration Dental Materiasl 2007 23 844-854
[5] Mandelbrot BB The Fractal Geometry of Nature New York Freeman 1983 25
[6]Dellino PLiotino G The fractal and multifractal dimension of volcanic ash particles
contour a test study on the utility and volcanological relevance Journal of Volcanology and
Geothermal Research 2002 113 1-18
[7] Majumdar A Alencar AM Buldyrev SV Hantos Z Lutchen KR Stanley HE Suki B
Relating airway diameter distributions to regular branching asymmetry in the lung Phys Rev Lett 2005 95 168101
[8] Jelinek HF Fernandez E Neurons and fractals how reliable and useful are calculations of
fractal dimensions Journal of Neuroscience Methods 1998 81 9 ndash 18
[9] Chung HW HUANG YH Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the Diagnosis
of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology 2000 174 1055-1059
[10] Zaia A Eleonori R Maponi P Rossi R Murri R MR imaging and osteoporosis
fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute IEEE Trans Inf Technol Biomed 2006 10
484-489
[11] Stosic T Stosic B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels EEE Transactions
on MIedical Imaging 2006 25 1101-1107
[12] Goldberger AL Amaral LAN Hausdorff JM Ivanov PCh Peng CK Stanley
HE Fractal dynamics in physiology Alterations with disease and aging PNAS 2002 99
2466-2472
[13] Saacutenchez I Uzcaacutetegui G Fractals in dentistry Journal of Dentistry 2011 39 273-292
[14] Updike SX Nowzari H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res 2008 43 658-664
[15] Perotti V Aprile G Degidi M Piatelli A Lezzi G Fractal analysis a novel method to
assess roughness organization of implant surface topography Int J Peridontic Restorative
Dent 2011 31 633-639
[16] Ehrenfest D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol 2011 37 506-509
35
[17] Lezzi G Aprile G Tripodi D Scarano A Piatelli A Perotti V Implant surface
topographies analyzed using fractal dimension Implant Dent 2012 20 131-138
[18] Guo CY Tang ATH Matinlinna JP Insights into surface treatment methods of titanium
dental implants Journal of Adhesion Science amp Technology 2012 26 189ndash205
[19] Kokubo T Takadama H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
Biomaterials 2006 27 2907-2915
[20] Theiller J Estimating fractal dimension J Opt Soc Am 1990 7 1055-1073
[21] P Jensen A-L Barabaacutesi H Larralde S Havlin H E Stanley Model incorporating
deposition diffusion and aggregation in submonolayer nanostructures Phys Rev E (1994)
50 618ndash621
28
APEcircNDICE
Artigo submetido agrave publicaccedilatildeo na revista
Fractal measure and microscopic modeling of osseointegration
Leonardo Cavalcanti Bezerra dos Santos1 Alessandra de Albuquerque Tavares Carvalho
1
Borko Stosic2 Tatijana Stosic
2 Paulo Jose Duarte Neto
2
1Departamento de Cliacutenica e Odontologia Preventiva Universidade Federal de Pernambuco
Quarta Travessa Artur de Saacute sn Cidade Universitaacuteria 50670-901 Recife PE Brazil
2Departamento de Estatiacutestica e Informaacutetica Universidade Federal Rural de Pernambuco
Rua Dom Manoel de Medeiros sn Dois Irmatildeos 52171-900 Recife PE Brazil
Abstract
In this work the process of osseointegration on titanium implant surfaces with
different physicochemical treatment subjected to a simulated corporal fluid
submersion is evaluated using the concept of fractal dimension It is found that
different treatments lead to rather different calcium phosphate crystal growth
patterns with fractal dimension ranging from Df=168 to Df=193 The
observed crystal patterns may be explained by a general deposition- diffusion-
aggregation growth mechanism where diffusing particle sticking probability
plays a fundamental role
Key words dental implants osseointegration fractal dimension
Introduction
Practical techniques enhancing implant osseointegration represent a fundamental
research topic not only in dentistry but also in other diverse areas of medicine and veterinary
sciences where bone implants or bone restoration is applied [1-3] While great advances in
this direction have undoubtedly been made over the past decades the full understanding is
still lacking on the effects of different implant surface physicochemical treatments as well as
on the microscopic mechanisms of the posterior osseointegration process [4]
Fractal dimension is a novel concept that has been increasingly employed in diverse
areas of knowledge for quantifying the complexity of natural phenomena ranging from
coastlines [5] and shape of volcanic ash particles [6] bronchial tree [7] and neurons [8]
Fractals are in fact commonly found in nature being characterized by scale invariance and
29
self-similarity During the last decades fractal analysis was used in studying diverse
phenomena in physiology and medicine including pulmonary emphysema [9] osteoporoses
[10] retinal blood vessels [11] and heart rate [12] The potential of fractal analysis was also
explored in dentistry [1314] Recently fractal dimension was used to quantify the surface
roughness of dental implants and shown to be promising to differentiate between topological
properties of dental implant surfaces obtained with different treatments [151617]
In this work we follow up on recent studies [15-17] as to how one may employ fractal
analysis to assess roughness organization of implant surface topology Rather than
concentrating on the implant surface properties subject to different physicochemical treatment
processes [15] here we put the emphasis on the results of simulated body fluid submersion
representing a step forward in understanding of implant osseointegration
Materials and Methods
Machined titanium implant samples were first subjected to different combinations of
a) sand blasting with aluminum oxide b) treatment with hydrofluoric acid and c) treatment
with calcium phosphate [18] after which they were submersed in a simulated body fluid [19]
for thirty days Magnified images of these samples were then acquired through scanning
electron microscopy as shown in Fig1 and subjected to image analysis
As opposed to fractal analysis performed in [15] to find the fractal dimension here we
only binarize the images as shown in Fig2 without skeletonization since we are interested in
crystal formation and it was found that skeletonization introduces artefacts (local networks of
lines) not apparent in the original crystal structure There are various methods for fractal
dimension calculation among which the box-counting method is perhaps the most widely
used because of its simplicity and robustness [20] It proceeds as follows Cover the structure
with a grid of size r and count the number of nonempty grid boxes )(rn Repeat this
procedure for different grid size for fractal self-similar structures 0~)(D
rrn
Box-counting
dimension is defined as
)1log(
)(loglim
0 r
rnD
rf
and can be estimated as the slope of the linear regression of )(log rn versus )1log( r We
calculate fractal dimension using the box counting method implemented in the FracLac
Package of open source software ImageJ
30
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid
tre
atm
ent
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 1 Electron microscope images of samples with different treatment after
submersion in simulated body fluid
31
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid t
reat
men
t
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 2 Same images as in Fig1 after binarization
32
Results and Discussion
It is seen on Fig1 that different combinations of implant surface treatment lead to
rather different crystal pattern formation during the simulated body fluid submersion No clear
conclusions can be drawn as to the size of spatial distribution of formed crystals
corresponding to any single treatment rather it is the combinations of these procedures that
lead to specific resulting structures Large and small crystals uniformly or locally deposited
of simple or dendritic shape are found for different treatment combinations and further in
vivo studies are necessary to determine which of these provide more robust implants with
best mechanical properties
In line with the previous study [15] that has motivated the current work we calculate
the fractal dimension of binarized images shown in Fig2 with the results presented in Table
1 The obtained fractal dimension values vary between Df=168 and Df=193 indicating the
potential of this method to quantify spatial complexity of formed crystals for different implant
surface treatments It is seen from Table 1 that in general the fractal dimension of implant
surface after submersion in SBF tends to be greater in the cases of treatment with acid
(keeping the same combination of sand blasting and calcium phosphate coating) that reflects
the fact that acid etching produces micro pits on titanium surface that greatly enhance
osseointegration [4] The highest value of fractal dimension (193) is obtained for the implant
treated by sand blasting and acid etching indicating that the surface roughness produced by
this treatment results in more uniform and more space filling crystal deposits The fractal
dimension of surfaces treated only by sand blasting acid etching and calcium phosphate are
1903 1845 and 1881 respectively and they are significantly higher than the fractal
dimension of untreated surface (1687) confirming the role of implant surface chemistry and
topology in the process of osseointegration Although our results show that surface topology
of treated implants has higher fractal dimension than that of untreated implants it is still not
clear which treatment or combination of treatments produces the best surfaces for
osseointegration It is also seen from Table 1 that the fractal dimension is higher for all of the
treated surfaces in comparison with the surface without any treatments (with the smallest
fractal dimension value) which reflects the fact that all these treatments produce surface
effects that favorably influence the complexity of the final crystal structure On the other
hand there is no clear evidence as to how these values may be associated with the quality of
implants without further in vivo experiments
33
Table 1 Fractal dimension (standard deviation) of binarized images shown in Fig2
Acid treatment No acid
Calcium
phosphate
No calcium
phosphate
Calcium
phosphate
No calcium
Phosphate
Sand blasted 1859 (0014) 1930 (0015) 1693 (0011) 1903 (0014)
No sand blasting 1920 (0015) 1845 (0013) 1881 (0014) 1687 (0012)
The current study suggests that a general Deposition Difusion Aggregation (DDA)
model [21] may be used to describe crystal formation in the different scenarios covered in the
present work One may perceive that the molecules present in the solution deposit on the
implant surface and move along this surface until they reach other such molecules andor
already crystallized formations where they become incorporated into the crystal structure
The concentration of the (in the current experiment simulated corporal) fluid determines the
flux of deposition and the mobility of the molecules (and perhaps larger molecular
agglomerates) is governed by the topology (roughness) of the implant surface It is well
known [21] that the flux and mobility of aggregate particles lead to rather different deposition
patterns ranging from many uniformly distributed small DLA (Diffusion Limited
Aggregation) like crystals to large dendritic structures and the DDA model apparently
represents an excellent candidate to describe the diversity of observed crystal patterns seen
on the electron microscope images of Fig 1
Conclusion
We apply fractal analysis on binarized scanning electron microscopy images of the
surface of titanium implants that were first subjected to different treatment combinations of i)
sand blasting ii) acid etching and iii) exposition to calcium phosphate and were then
submersed in a simulated corporal fluid for thirty days The obtained fractal dimension values
vary between Df=168 to Df=193 reflecting the complexity and space filling property of the
final crystal structure characterized by large and small crystals uniformly or locally
deposited of simple or dendritic shape that were found for different treatment combinations
Further in vivo studies are necessary to determine how these values may be associated with
the quality of implants
34
References
[1] Albrektsson T Sennerby L Wennerberg A State of the art of oral implants Periodontol
2000 2008 47 15-26
[2] Wazen JJ Gupta R Ghossaini S Spitzer J Farrugia M Tjellstrom A
Osseointegration timing for Baha system loading Laryngoscope 2007 117 794-796
[3] Palmquist A Jarmar T Emanuelsson L Braringnemark R Engqvist H Thomsen P
Forearm bone-anchored amputationprosthesis a case study on the osseointegration Acta
Orthop 2008 79 78-85
[4] Le Gueacutehennec L Soueidan A Layrolle P Amouriq Y Surface treatments of titanium
dental implants for rapid osseointegration Dental Materiasl 2007 23 844-854
[5] Mandelbrot BB The Fractal Geometry of Nature New York Freeman 1983 25
[6]Dellino PLiotino G The fractal and multifractal dimension of volcanic ash particles
contour a test study on the utility and volcanological relevance Journal of Volcanology and
Geothermal Research 2002 113 1-18
[7] Majumdar A Alencar AM Buldyrev SV Hantos Z Lutchen KR Stanley HE Suki B
Relating airway diameter distributions to regular branching asymmetry in the lung Phys Rev Lett 2005 95 168101
[8] Jelinek HF Fernandez E Neurons and fractals how reliable and useful are calculations of
fractal dimensions Journal of Neuroscience Methods 1998 81 9 ndash 18
[9] Chung HW HUANG YH Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the Diagnosis
of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology 2000 174 1055-1059
[10] Zaia A Eleonori R Maponi P Rossi R Murri R MR imaging and osteoporosis
fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute IEEE Trans Inf Technol Biomed 2006 10
484-489
[11] Stosic T Stosic B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels EEE Transactions
on MIedical Imaging 2006 25 1101-1107
[12] Goldberger AL Amaral LAN Hausdorff JM Ivanov PCh Peng CK Stanley
HE Fractal dynamics in physiology Alterations with disease and aging PNAS 2002 99
2466-2472
[13] Saacutenchez I Uzcaacutetegui G Fractals in dentistry Journal of Dentistry 2011 39 273-292
[14] Updike SX Nowzari H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res 2008 43 658-664
[15] Perotti V Aprile G Degidi M Piatelli A Lezzi G Fractal analysis a novel method to
assess roughness organization of implant surface topography Int J Peridontic Restorative
Dent 2011 31 633-639
[16] Ehrenfest D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol 2011 37 506-509
35
[17] Lezzi G Aprile G Tripodi D Scarano A Piatelli A Perotti V Implant surface
topographies analyzed using fractal dimension Implant Dent 2012 20 131-138
[18] Guo CY Tang ATH Matinlinna JP Insights into surface treatment methods of titanium
dental implants Journal of Adhesion Science amp Technology 2012 26 189ndash205
[19] Kokubo T Takadama H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
Biomaterials 2006 27 2907-2915
[20] Theiller J Estimating fractal dimension J Opt Soc Am 1990 7 1055-1073
[21] P Jensen A-L Barabaacutesi H Larralde S Havlin H E Stanley Model incorporating
deposition diffusion and aggregation in submonolayer nanostructures Phys Rev E (1994)
50 618ndash621
29
self-similarity During the last decades fractal analysis was used in studying diverse
phenomena in physiology and medicine including pulmonary emphysema [9] osteoporoses
[10] retinal blood vessels [11] and heart rate [12] The potential of fractal analysis was also
explored in dentistry [1314] Recently fractal dimension was used to quantify the surface
roughness of dental implants and shown to be promising to differentiate between topological
properties of dental implant surfaces obtained with different treatments [151617]
In this work we follow up on recent studies [15-17] as to how one may employ fractal
analysis to assess roughness organization of implant surface topology Rather than
concentrating on the implant surface properties subject to different physicochemical treatment
processes [15] here we put the emphasis on the results of simulated body fluid submersion
representing a step forward in understanding of implant osseointegration
Materials and Methods
Machined titanium implant samples were first subjected to different combinations of
a) sand blasting with aluminum oxide b) treatment with hydrofluoric acid and c) treatment
with calcium phosphate [18] after which they were submersed in a simulated body fluid [19]
for thirty days Magnified images of these samples were then acquired through scanning
electron microscopy as shown in Fig1 and subjected to image analysis
As opposed to fractal analysis performed in [15] to find the fractal dimension here we
only binarize the images as shown in Fig2 without skeletonization since we are interested in
crystal formation and it was found that skeletonization introduces artefacts (local networks of
lines) not apparent in the original crystal structure There are various methods for fractal
dimension calculation among which the box-counting method is perhaps the most widely
used because of its simplicity and robustness [20] It proceeds as follows Cover the structure
with a grid of size r and count the number of nonempty grid boxes )(rn Repeat this
procedure for different grid size for fractal self-similar structures 0~)(D
rrn
Box-counting
dimension is defined as
)1log(
)(loglim
0 r
rnD
rf
and can be estimated as the slope of the linear regression of )(log rn versus )1log( r We
calculate fractal dimension using the box counting method implemented in the FracLac
Package of open source software ImageJ
30
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid
tre
atm
ent
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 1 Electron microscope images of samples with different treatment after
submersion in simulated body fluid
31
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid t
reat
men
t
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 2 Same images as in Fig1 after binarization
32
Results and Discussion
It is seen on Fig1 that different combinations of implant surface treatment lead to
rather different crystal pattern formation during the simulated body fluid submersion No clear
conclusions can be drawn as to the size of spatial distribution of formed crystals
corresponding to any single treatment rather it is the combinations of these procedures that
lead to specific resulting structures Large and small crystals uniformly or locally deposited
of simple or dendritic shape are found for different treatment combinations and further in
vivo studies are necessary to determine which of these provide more robust implants with
best mechanical properties
In line with the previous study [15] that has motivated the current work we calculate
the fractal dimension of binarized images shown in Fig2 with the results presented in Table
1 The obtained fractal dimension values vary between Df=168 and Df=193 indicating the
potential of this method to quantify spatial complexity of formed crystals for different implant
surface treatments It is seen from Table 1 that in general the fractal dimension of implant
surface after submersion in SBF tends to be greater in the cases of treatment with acid
(keeping the same combination of sand blasting and calcium phosphate coating) that reflects
the fact that acid etching produces micro pits on titanium surface that greatly enhance
osseointegration [4] The highest value of fractal dimension (193) is obtained for the implant
treated by sand blasting and acid etching indicating that the surface roughness produced by
this treatment results in more uniform and more space filling crystal deposits The fractal
dimension of surfaces treated only by sand blasting acid etching and calcium phosphate are
1903 1845 and 1881 respectively and they are significantly higher than the fractal
dimension of untreated surface (1687) confirming the role of implant surface chemistry and
topology in the process of osseointegration Although our results show that surface topology
of treated implants has higher fractal dimension than that of untreated implants it is still not
clear which treatment or combination of treatments produces the best surfaces for
osseointegration It is also seen from Table 1 that the fractal dimension is higher for all of the
treated surfaces in comparison with the surface without any treatments (with the smallest
fractal dimension value) which reflects the fact that all these treatments produce surface
effects that favorably influence the complexity of the final crystal structure On the other
hand there is no clear evidence as to how these values may be associated with the quality of
implants without further in vivo experiments
33
Table 1 Fractal dimension (standard deviation) of binarized images shown in Fig2
Acid treatment No acid
Calcium
phosphate
No calcium
phosphate
Calcium
phosphate
No calcium
Phosphate
Sand blasted 1859 (0014) 1930 (0015) 1693 (0011) 1903 (0014)
No sand blasting 1920 (0015) 1845 (0013) 1881 (0014) 1687 (0012)
The current study suggests that a general Deposition Difusion Aggregation (DDA)
model [21] may be used to describe crystal formation in the different scenarios covered in the
present work One may perceive that the molecules present in the solution deposit on the
implant surface and move along this surface until they reach other such molecules andor
already crystallized formations where they become incorporated into the crystal structure
The concentration of the (in the current experiment simulated corporal) fluid determines the
flux of deposition and the mobility of the molecules (and perhaps larger molecular
agglomerates) is governed by the topology (roughness) of the implant surface It is well
known [21] that the flux and mobility of aggregate particles lead to rather different deposition
patterns ranging from many uniformly distributed small DLA (Diffusion Limited
Aggregation) like crystals to large dendritic structures and the DDA model apparently
represents an excellent candidate to describe the diversity of observed crystal patterns seen
on the electron microscope images of Fig 1
Conclusion
We apply fractal analysis on binarized scanning electron microscopy images of the
surface of titanium implants that were first subjected to different treatment combinations of i)
sand blasting ii) acid etching and iii) exposition to calcium phosphate and were then
submersed in a simulated corporal fluid for thirty days The obtained fractal dimension values
vary between Df=168 to Df=193 reflecting the complexity and space filling property of the
final crystal structure characterized by large and small crystals uniformly or locally
deposited of simple or dendritic shape that were found for different treatment combinations
Further in vivo studies are necessary to determine how these values may be associated with
the quality of implants
34
References
[1] Albrektsson T Sennerby L Wennerberg A State of the art of oral implants Periodontol
2000 2008 47 15-26
[2] Wazen JJ Gupta R Ghossaini S Spitzer J Farrugia M Tjellstrom A
Osseointegration timing for Baha system loading Laryngoscope 2007 117 794-796
[3] Palmquist A Jarmar T Emanuelsson L Braringnemark R Engqvist H Thomsen P
Forearm bone-anchored amputationprosthesis a case study on the osseointegration Acta
Orthop 2008 79 78-85
[4] Le Gueacutehennec L Soueidan A Layrolle P Amouriq Y Surface treatments of titanium
dental implants for rapid osseointegration Dental Materiasl 2007 23 844-854
[5] Mandelbrot BB The Fractal Geometry of Nature New York Freeman 1983 25
[6]Dellino PLiotino G The fractal and multifractal dimension of volcanic ash particles
contour a test study on the utility and volcanological relevance Journal of Volcanology and
Geothermal Research 2002 113 1-18
[7] Majumdar A Alencar AM Buldyrev SV Hantos Z Lutchen KR Stanley HE Suki B
Relating airway diameter distributions to regular branching asymmetry in the lung Phys Rev Lett 2005 95 168101
[8] Jelinek HF Fernandez E Neurons and fractals how reliable and useful are calculations of
fractal dimensions Journal of Neuroscience Methods 1998 81 9 ndash 18
[9] Chung HW HUANG YH Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the Diagnosis
of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology 2000 174 1055-1059
[10] Zaia A Eleonori R Maponi P Rossi R Murri R MR imaging and osteoporosis
fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute IEEE Trans Inf Technol Biomed 2006 10
484-489
[11] Stosic T Stosic B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels EEE Transactions
on MIedical Imaging 2006 25 1101-1107
[12] Goldberger AL Amaral LAN Hausdorff JM Ivanov PCh Peng CK Stanley
HE Fractal dynamics in physiology Alterations with disease and aging PNAS 2002 99
2466-2472
[13] Saacutenchez I Uzcaacutetegui G Fractals in dentistry Journal of Dentistry 2011 39 273-292
[14] Updike SX Nowzari H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res 2008 43 658-664
[15] Perotti V Aprile G Degidi M Piatelli A Lezzi G Fractal analysis a novel method to
assess roughness organization of implant surface topography Int J Peridontic Restorative
Dent 2011 31 633-639
[16] Ehrenfest D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol 2011 37 506-509
35
[17] Lezzi G Aprile G Tripodi D Scarano A Piatelli A Perotti V Implant surface
topographies analyzed using fractal dimension Implant Dent 2012 20 131-138
[18] Guo CY Tang ATH Matinlinna JP Insights into surface treatment methods of titanium
dental implants Journal of Adhesion Science amp Technology 2012 26 189ndash205
[19] Kokubo T Takadama H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
Biomaterials 2006 27 2907-2915
[20] Theiller J Estimating fractal dimension J Opt Soc Am 1990 7 1055-1073
[21] P Jensen A-L Barabaacutesi H Larralde S Havlin H E Stanley Model incorporating
deposition diffusion and aggregation in submonolayer nanostructures Phys Rev E (1994)
50 618ndash621
30
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid
tre
atm
ent
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 1 Electron microscope images of samples with different treatment after
submersion in simulated body fluid
31
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid t
reat
men
t
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 2 Same images as in Fig1 after binarization
32
Results and Discussion
It is seen on Fig1 that different combinations of implant surface treatment lead to
rather different crystal pattern formation during the simulated body fluid submersion No clear
conclusions can be drawn as to the size of spatial distribution of formed crystals
corresponding to any single treatment rather it is the combinations of these procedures that
lead to specific resulting structures Large and small crystals uniformly or locally deposited
of simple or dendritic shape are found for different treatment combinations and further in
vivo studies are necessary to determine which of these provide more robust implants with
best mechanical properties
In line with the previous study [15] that has motivated the current work we calculate
the fractal dimension of binarized images shown in Fig2 with the results presented in Table
1 The obtained fractal dimension values vary between Df=168 and Df=193 indicating the
potential of this method to quantify spatial complexity of formed crystals for different implant
surface treatments It is seen from Table 1 that in general the fractal dimension of implant
surface after submersion in SBF tends to be greater in the cases of treatment with acid
(keeping the same combination of sand blasting and calcium phosphate coating) that reflects
the fact that acid etching produces micro pits on titanium surface that greatly enhance
osseointegration [4] The highest value of fractal dimension (193) is obtained for the implant
treated by sand blasting and acid etching indicating that the surface roughness produced by
this treatment results in more uniform and more space filling crystal deposits The fractal
dimension of surfaces treated only by sand blasting acid etching and calcium phosphate are
1903 1845 and 1881 respectively and they are significantly higher than the fractal
dimension of untreated surface (1687) confirming the role of implant surface chemistry and
topology in the process of osseointegration Although our results show that surface topology
of treated implants has higher fractal dimension than that of untreated implants it is still not
clear which treatment or combination of treatments produces the best surfaces for
osseointegration It is also seen from Table 1 that the fractal dimension is higher for all of the
treated surfaces in comparison with the surface without any treatments (with the smallest
fractal dimension value) which reflects the fact that all these treatments produce surface
effects that favorably influence the complexity of the final crystal structure On the other
hand there is no clear evidence as to how these values may be associated with the quality of
implants without further in vivo experiments
33
Table 1 Fractal dimension (standard deviation) of binarized images shown in Fig2
Acid treatment No acid
Calcium
phosphate
No calcium
phosphate
Calcium
phosphate
No calcium
Phosphate
Sand blasted 1859 (0014) 1930 (0015) 1693 (0011) 1903 (0014)
No sand blasting 1920 (0015) 1845 (0013) 1881 (0014) 1687 (0012)
The current study suggests that a general Deposition Difusion Aggregation (DDA)
model [21] may be used to describe crystal formation in the different scenarios covered in the
present work One may perceive that the molecules present in the solution deposit on the
implant surface and move along this surface until they reach other such molecules andor
already crystallized formations where they become incorporated into the crystal structure
The concentration of the (in the current experiment simulated corporal) fluid determines the
flux of deposition and the mobility of the molecules (and perhaps larger molecular
agglomerates) is governed by the topology (roughness) of the implant surface It is well
known [21] that the flux and mobility of aggregate particles lead to rather different deposition
patterns ranging from many uniformly distributed small DLA (Diffusion Limited
Aggregation) like crystals to large dendritic structures and the DDA model apparently
represents an excellent candidate to describe the diversity of observed crystal patterns seen
on the electron microscope images of Fig 1
Conclusion
We apply fractal analysis on binarized scanning electron microscopy images of the
surface of titanium implants that were first subjected to different treatment combinations of i)
sand blasting ii) acid etching and iii) exposition to calcium phosphate and were then
submersed in a simulated corporal fluid for thirty days The obtained fractal dimension values
vary between Df=168 to Df=193 reflecting the complexity and space filling property of the
final crystal structure characterized by large and small crystals uniformly or locally
deposited of simple or dendritic shape that were found for different treatment combinations
Further in vivo studies are necessary to determine how these values may be associated with
the quality of implants
34
References
[1] Albrektsson T Sennerby L Wennerberg A State of the art of oral implants Periodontol
2000 2008 47 15-26
[2] Wazen JJ Gupta R Ghossaini S Spitzer J Farrugia M Tjellstrom A
Osseointegration timing for Baha system loading Laryngoscope 2007 117 794-796
[3] Palmquist A Jarmar T Emanuelsson L Braringnemark R Engqvist H Thomsen P
Forearm bone-anchored amputationprosthesis a case study on the osseointegration Acta
Orthop 2008 79 78-85
[4] Le Gueacutehennec L Soueidan A Layrolle P Amouriq Y Surface treatments of titanium
dental implants for rapid osseointegration Dental Materiasl 2007 23 844-854
[5] Mandelbrot BB The Fractal Geometry of Nature New York Freeman 1983 25
[6]Dellino PLiotino G The fractal and multifractal dimension of volcanic ash particles
contour a test study on the utility and volcanological relevance Journal of Volcanology and
Geothermal Research 2002 113 1-18
[7] Majumdar A Alencar AM Buldyrev SV Hantos Z Lutchen KR Stanley HE Suki B
Relating airway diameter distributions to regular branching asymmetry in the lung Phys Rev Lett 2005 95 168101
[8] Jelinek HF Fernandez E Neurons and fractals how reliable and useful are calculations of
fractal dimensions Journal of Neuroscience Methods 1998 81 9 ndash 18
[9] Chung HW HUANG YH Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the Diagnosis
of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology 2000 174 1055-1059
[10] Zaia A Eleonori R Maponi P Rossi R Murri R MR imaging and osteoporosis
fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute IEEE Trans Inf Technol Biomed 2006 10
484-489
[11] Stosic T Stosic B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels EEE Transactions
on MIedical Imaging 2006 25 1101-1107
[12] Goldberger AL Amaral LAN Hausdorff JM Ivanov PCh Peng CK Stanley
HE Fractal dynamics in physiology Alterations with disease and aging PNAS 2002 99
2466-2472
[13] Saacutenchez I Uzcaacutetegui G Fractals in dentistry Journal of Dentistry 2011 39 273-292
[14] Updike SX Nowzari H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res 2008 43 658-664
[15] Perotti V Aprile G Degidi M Piatelli A Lezzi G Fractal analysis a novel method to
assess roughness organization of implant surface topography Int J Peridontic Restorative
Dent 2011 31 633-639
[16] Ehrenfest D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol 2011 37 506-509
35
[17] Lezzi G Aprile G Tripodi D Scarano A Piatelli A Perotti V Implant surface
topographies analyzed using fractal dimension Implant Dent 2012 20 131-138
[18] Guo CY Tang ATH Matinlinna JP Insights into surface treatment methods of titanium
dental implants Journal of Adhesion Science amp Technology 2012 26 189ndash205
[19] Kokubo T Takadama H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
Biomaterials 2006 27 2907-2915
[20] Theiller J Estimating fractal dimension J Opt Soc Am 1990 7 1055-1073
[21] P Jensen A-L Barabaacutesi H Larralde S Havlin H E Stanley Model incorporating
deposition diffusion and aggregation in submonolayer nanostructures Phys Rev E (1994)
50 618ndash621
31
With sand blasting Without sand blasting
Tre
atm
ent
wit
h a
cid
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
No a
cid t
reat
men
t
wit
h c
alci
um
phosp
hat
e no c
alci
um
phosp
hat
e
Figure 2 Same images as in Fig1 after binarization
32
Results and Discussion
It is seen on Fig1 that different combinations of implant surface treatment lead to
rather different crystal pattern formation during the simulated body fluid submersion No clear
conclusions can be drawn as to the size of spatial distribution of formed crystals
corresponding to any single treatment rather it is the combinations of these procedures that
lead to specific resulting structures Large and small crystals uniformly or locally deposited
of simple or dendritic shape are found for different treatment combinations and further in
vivo studies are necessary to determine which of these provide more robust implants with
best mechanical properties
In line with the previous study [15] that has motivated the current work we calculate
the fractal dimension of binarized images shown in Fig2 with the results presented in Table
1 The obtained fractal dimension values vary between Df=168 and Df=193 indicating the
potential of this method to quantify spatial complexity of formed crystals for different implant
surface treatments It is seen from Table 1 that in general the fractal dimension of implant
surface after submersion in SBF tends to be greater in the cases of treatment with acid
(keeping the same combination of sand blasting and calcium phosphate coating) that reflects
the fact that acid etching produces micro pits on titanium surface that greatly enhance
osseointegration [4] The highest value of fractal dimension (193) is obtained for the implant
treated by sand blasting and acid etching indicating that the surface roughness produced by
this treatment results in more uniform and more space filling crystal deposits The fractal
dimension of surfaces treated only by sand blasting acid etching and calcium phosphate are
1903 1845 and 1881 respectively and they are significantly higher than the fractal
dimension of untreated surface (1687) confirming the role of implant surface chemistry and
topology in the process of osseointegration Although our results show that surface topology
of treated implants has higher fractal dimension than that of untreated implants it is still not
clear which treatment or combination of treatments produces the best surfaces for
osseointegration It is also seen from Table 1 that the fractal dimension is higher for all of the
treated surfaces in comparison with the surface without any treatments (with the smallest
fractal dimension value) which reflects the fact that all these treatments produce surface
effects that favorably influence the complexity of the final crystal structure On the other
hand there is no clear evidence as to how these values may be associated with the quality of
implants without further in vivo experiments
33
Table 1 Fractal dimension (standard deviation) of binarized images shown in Fig2
Acid treatment No acid
Calcium
phosphate
No calcium
phosphate
Calcium
phosphate
No calcium
Phosphate
Sand blasted 1859 (0014) 1930 (0015) 1693 (0011) 1903 (0014)
No sand blasting 1920 (0015) 1845 (0013) 1881 (0014) 1687 (0012)
The current study suggests that a general Deposition Difusion Aggregation (DDA)
model [21] may be used to describe crystal formation in the different scenarios covered in the
present work One may perceive that the molecules present in the solution deposit on the
implant surface and move along this surface until they reach other such molecules andor
already crystallized formations where they become incorporated into the crystal structure
The concentration of the (in the current experiment simulated corporal) fluid determines the
flux of deposition and the mobility of the molecules (and perhaps larger molecular
agglomerates) is governed by the topology (roughness) of the implant surface It is well
known [21] that the flux and mobility of aggregate particles lead to rather different deposition
patterns ranging from many uniformly distributed small DLA (Diffusion Limited
Aggregation) like crystals to large dendritic structures and the DDA model apparently
represents an excellent candidate to describe the diversity of observed crystal patterns seen
on the electron microscope images of Fig 1
Conclusion
We apply fractal analysis on binarized scanning electron microscopy images of the
surface of titanium implants that were first subjected to different treatment combinations of i)
sand blasting ii) acid etching and iii) exposition to calcium phosphate and were then
submersed in a simulated corporal fluid for thirty days The obtained fractal dimension values
vary between Df=168 to Df=193 reflecting the complexity and space filling property of the
final crystal structure characterized by large and small crystals uniformly or locally
deposited of simple or dendritic shape that were found for different treatment combinations
Further in vivo studies are necessary to determine how these values may be associated with
the quality of implants
34
References
[1] Albrektsson T Sennerby L Wennerberg A State of the art of oral implants Periodontol
2000 2008 47 15-26
[2] Wazen JJ Gupta R Ghossaini S Spitzer J Farrugia M Tjellstrom A
Osseointegration timing for Baha system loading Laryngoscope 2007 117 794-796
[3] Palmquist A Jarmar T Emanuelsson L Braringnemark R Engqvist H Thomsen P
Forearm bone-anchored amputationprosthesis a case study on the osseointegration Acta
Orthop 2008 79 78-85
[4] Le Gueacutehennec L Soueidan A Layrolle P Amouriq Y Surface treatments of titanium
dental implants for rapid osseointegration Dental Materiasl 2007 23 844-854
[5] Mandelbrot BB The Fractal Geometry of Nature New York Freeman 1983 25
[6]Dellino PLiotino G The fractal and multifractal dimension of volcanic ash particles
contour a test study on the utility and volcanological relevance Journal of Volcanology and
Geothermal Research 2002 113 1-18
[7] Majumdar A Alencar AM Buldyrev SV Hantos Z Lutchen KR Stanley HE Suki B
Relating airway diameter distributions to regular branching asymmetry in the lung Phys Rev Lett 2005 95 168101
[8] Jelinek HF Fernandez E Neurons and fractals how reliable and useful are calculations of
fractal dimensions Journal of Neuroscience Methods 1998 81 9 ndash 18
[9] Chung HW HUANG YH Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the Diagnosis
of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology 2000 174 1055-1059
[10] Zaia A Eleonori R Maponi P Rossi R Murri R MR imaging and osteoporosis
fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute IEEE Trans Inf Technol Biomed 2006 10
484-489
[11] Stosic T Stosic B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels EEE Transactions
on MIedical Imaging 2006 25 1101-1107
[12] Goldberger AL Amaral LAN Hausdorff JM Ivanov PCh Peng CK Stanley
HE Fractal dynamics in physiology Alterations with disease and aging PNAS 2002 99
2466-2472
[13] Saacutenchez I Uzcaacutetegui G Fractals in dentistry Journal of Dentistry 2011 39 273-292
[14] Updike SX Nowzari H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res 2008 43 658-664
[15] Perotti V Aprile G Degidi M Piatelli A Lezzi G Fractal analysis a novel method to
assess roughness organization of implant surface topography Int J Peridontic Restorative
Dent 2011 31 633-639
[16] Ehrenfest D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol 2011 37 506-509
35
[17] Lezzi G Aprile G Tripodi D Scarano A Piatelli A Perotti V Implant surface
topographies analyzed using fractal dimension Implant Dent 2012 20 131-138
[18] Guo CY Tang ATH Matinlinna JP Insights into surface treatment methods of titanium
dental implants Journal of Adhesion Science amp Technology 2012 26 189ndash205
[19] Kokubo T Takadama H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
Biomaterials 2006 27 2907-2915
[20] Theiller J Estimating fractal dimension J Opt Soc Am 1990 7 1055-1073
[21] P Jensen A-L Barabaacutesi H Larralde S Havlin H E Stanley Model incorporating
deposition diffusion and aggregation in submonolayer nanostructures Phys Rev E (1994)
50 618ndash621
32
Results and Discussion
It is seen on Fig1 that different combinations of implant surface treatment lead to
rather different crystal pattern formation during the simulated body fluid submersion No clear
conclusions can be drawn as to the size of spatial distribution of formed crystals
corresponding to any single treatment rather it is the combinations of these procedures that
lead to specific resulting structures Large and small crystals uniformly or locally deposited
of simple or dendritic shape are found for different treatment combinations and further in
vivo studies are necessary to determine which of these provide more robust implants with
best mechanical properties
In line with the previous study [15] that has motivated the current work we calculate
the fractal dimension of binarized images shown in Fig2 with the results presented in Table
1 The obtained fractal dimension values vary between Df=168 and Df=193 indicating the
potential of this method to quantify spatial complexity of formed crystals for different implant
surface treatments It is seen from Table 1 that in general the fractal dimension of implant
surface after submersion in SBF tends to be greater in the cases of treatment with acid
(keeping the same combination of sand blasting and calcium phosphate coating) that reflects
the fact that acid etching produces micro pits on titanium surface that greatly enhance
osseointegration [4] The highest value of fractal dimension (193) is obtained for the implant
treated by sand blasting and acid etching indicating that the surface roughness produced by
this treatment results in more uniform and more space filling crystal deposits The fractal
dimension of surfaces treated only by sand blasting acid etching and calcium phosphate are
1903 1845 and 1881 respectively and they are significantly higher than the fractal
dimension of untreated surface (1687) confirming the role of implant surface chemistry and
topology in the process of osseointegration Although our results show that surface topology
of treated implants has higher fractal dimension than that of untreated implants it is still not
clear which treatment or combination of treatments produces the best surfaces for
osseointegration It is also seen from Table 1 that the fractal dimension is higher for all of the
treated surfaces in comparison with the surface without any treatments (with the smallest
fractal dimension value) which reflects the fact that all these treatments produce surface
effects that favorably influence the complexity of the final crystal structure On the other
hand there is no clear evidence as to how these values may be associated with the quality of
implants without further in vivo experiments
33
Table 1 Fractal dimension (standard deviation) of binarized images shown in Fig2
Acid treatment No acid
Calcium
phosphate
No calcium
phosphate
Calcium
phosphate
No calcium
Phosphate
Sand blasted 1859 (0014) 1930 (0015) 1693 (0011) 1903 (0014)
No sand blasting 1920 (0015) 1845 (0013) 1881 (0014) 1687 (0012)
The current study suggests that a general Deposition Difusion Aggregation (DDA)
model [21] may be used to describe crystal formation in the different scenarios covered in the
present work One may perceive that the molecules present in the solution deposit on the
implant surface and move along this surface until they reach other such molecules andor
already crystallized formations where they become incorporated into the crystal structure
The concentration of the (in the current experiment simulated corporal) fluid determines the
flux of deposition and the mobility of the molecules (and perhaps larger molecular
agglomerates) is governed by the topology (roughness) of the implant surface It is well
known [21] that the flux and mobility of aggregate particles lead to rather different deposition
patterns ranging from many uniformly distributed small DLA (Diffusion Limited
Aggregation) like crystals to large dendritic structures and the DDA model apparently
represents an excellent candidate to describe the diversity of observed crystal patterns seen
on the electron microscope images of Fig 1
Conclusion
We apply fractal analysis on binarized scanning electron microscopy images of the
surface of titanium implants that were first subjected to different treatment combinations of i)
sand blasting ii) acid etching and iii) exposition to calcium phosphate and were then
submersed in a simulated corporal fluid for thirty days The obtained fractal dimension values
vary between Df=168 to Df=193 reflecting the complexity and space filling property of the
final crystal structure characterized by large and small crystals uniformly or locally
deposited of simple or dendritic shape that were found for different treatment combinations
Further in vivo studies are necessary to determine how these values may be associated with
the quality of implants
34
References
[1] Albrektsson T Sennerby L Wennerberg A State of the art of oral implants Periodontol
2000 2008 47 15-26
[2] Wazen JJ Gupta R Ghossaini S Spitzer J Farrugia M Tjellstrom A
Osseointegration timing for Baha system loading Laryngoscope 2007 117 794-796
[3] Palmquist A Jarmar T Emanuelsson L Braringnemark R Engqvist H Thomsen P
Forearm bone-anchored amputationprosthesis a case study on the osseointegration Acta
Orthop 2008 79 78-85
[4] Le Gueacutehennec L Soueidan A Layrolle P Amouriq Y Surface treatments of titanium
dental implants for rapid osseointegration Dental Materiasl 2007 23 844-854
[5] Mandelbrot BB The Fractal Geometry of Nature New York Freeman 1983 25
[6]Dellino PLiotino G The fractal and multifractal dimension of volcanic ash particles
contour a test study on the utility and volcanological relevance Journal of Volcanology and
Geothermal Research 2002 113 1-18
[7] Majumdar A Alencar AM Buldyrev SV Hantos Z Lutchen KR Stanley HE Suki B
Relating airway diameter distributions to regular branching asymmetry in the lung Phys Rev Lett 2005 95 168101
[8] Jelinek HF Fernandez E Neurons and fractals how reliable and useful are calculations of
fractal dimensions Journal of Neuroscience Methods 1998 81 9 ndash 18
[9] Chung HW HUANG YH Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the Diagnosis
of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology 2000 174 1055-1059
[10] Zaia A Eleonori R Maponi P Rossi R Murri R MR imaging and osteoporosis
fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute IEEE Trans Inf Technol Biomed 2006 10
484-489
[11] Stosic T Stosic B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels EEE Transactions
on MIedical Imaging 2006 25 1101-1107
[12] Goldberger AL Amaral LAN Hausdorff JM Ivanov PCh Peng CK Stanley
HE Fractal dynamics in physiology Alterations with disease and aging PNAS 2002 99
2466-2472
[13] Saacutenchez I Uzcaacutetegui G Fractals in dentistry Journal of Dentistry 2011 39 273-292
[14] Updike SX Nowzari H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res 2008 43 658-664
[15] Perotti V Aprile G Degidi M Piatelli A Lezzi G Fractal analysis a novel method to
assess roughness organization of implant surface topography Int J Peridontic Restorative
Dent 2011 31 633-639
[16] Ehrenfest D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol 2011 37 506-509
35
[17] Lezzi G Aprile G Tripodi D Scarano A Piatelli A Perotti V Implant surface
topographies analyzed using fractal dimension Implant Dent 2012 20 131-138
[18] Guo CY Tang ATH Matinlinna JP Insights into surface treatment methods of titanium
dental implants Journal of Adhesion Science amp Technology 2012 26 189ndash205
[19] Kokubo T Takadama H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
Biomaterials 2006 27 2907-2915
[20] Theiller J Estimating fractal dimension J Opt Soc Am 1990 7 1055-1073
[21] P Jensen A-L Barabaacutesi H Larralde S Havlin H E Stanley Model incorporating
deposition diffusion and aggregation in submonolayer nanostructures Phys Rev E (1994)
50 618ndash621
33
Table 1 Fractal dimension (standard deviation) of binarized images shown in Fig2
Acid treatment No acid
Calcium
phosphate
No calcium
phosphate
Calcium
phosphate
No calcium
Phosphate
Sand blasted 1859 (0014) 1930 (0015) 1693 (0011) 1903 (0014)
No sand blasting 1920 (0015) 1845 (0013) 1881 (0014) 1687 (0012)
The current study suggests that a general Deposition Difusion Aggregation (DDA)
model [21] may be used to describe crystal formation in the different scenarios covered in the
present work One may perceive that the molecules present in the solution deposit on the
implant surface and move along this surface until they reach other such molecules andor
already crystallized formations where they become incorporated into the crystal structure
The concentration of the (in the current experiment simulated corporal) fluid determines the
flux of deposition and the mobility of the molecules (and perhaps larger molecular
agglomerates) is governed by the topology (roughness) of the implant surface It is well
known [21] that the flux and mobility of aggregate particles lead to rather different deposition
patterns ranging from many uniformly distributed small DLA (Diffusion Limited
Aggregation) like crystals to large dendritic structures and the DDA model apparently
represents an excellent candidate to describe the diversity of observed crystal patterns seen
on the electron microscope images of Fig 1
Conclusion
We apply fractal analysis on binarized scanning electron microscopy images of the
surface of titanium implants that were first subjected to different treatment combinations of i)
sand blasting ii) acid etching and iii) exposition to calcium phosphate and were then
submersed in a simulated corporal fluid for thirty days The obtained fractal dimension values
vary between Df=168 to Df=193 reflecting the complexity and space filling property of the
final crystal structure characterized by large and small crystals uniformly or locally
deposited of simple or dendritic shape that were found for different treatment combinations
Further in vivo studies are necessary to determine how these values may be associated with
the quality of implants
34
References
[1] Albrektsson T Sennerby L Wennerberg A State of the art of oral implants Periodontol
2000 2008 47 15-26
[2] Wazen JJ Gupta R Ghossaini S Spitzer J Farrugia M Tjellstrom A
Osseointegration timing for Baha system loading Laryngoscope 2007 117 794-796
[3] Palmquist A Jarmar T Emanuelsson L Braringnemark R Engqvist H Thomsen P
Forearm bone-anchored amputationprosthesis a case study on the osseointegration Acta
Orthop 2008 79 78-85
[4] Le Gueacutehennec L Soueidan A Layrolle P Amouriq Y Surface treatments of titanium
dental implants for rapid osseointegration Dental Materiasl 2007 23 844-854
[5] Mandelbrot BB The Fractal Geometry of Nature New York Freeman 1983 25
[6]Dellino PLiotino G The fractal and multifractal dimension of volcanic ash particles
contour a test study on the utility and volcanological relevance Journal of Volcanology and
Geothermal Research 2002 113 1-18
[7] Majumdar A Alencar AM Buldyrev SV Hantos Z Lutchen KR Stanley HE Suki B
Relating airway diameter distributions to regular branching asymmetry in the lung Phys Rev Lett 2005 95 168101
[8] Jelinek HF Fernandez E Neurons and fractals how reliable and useful are calculations of
fractal dimensions Journal of Neuroscience Methods 1998 81 9 ndash 18
[9] Chung HW HUANG YH Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the Diagnosis
of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology 2000 174 1055-1059
[10] Zaia A Eleonori R Maponi P Rossi R Murri R MR imaging and osteoporosis
fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute IEEE Trans Inf Technol Biomed 2006 10
484-489
[11] Stosic T Stosic B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels EEE Transactions
on MIedical Imaging 2006 25 1101-1107
[12] Goldberger AL Amaral LAN Hausdorff JM Ivanov PCh Peng CK Stanley
HE Fractal dynamics in physiology Alterations with disease and aging PNAS 2002 99
2466-2472
[13] Saacutenchez I Uzcaacutetegui G Fractals in dentistry Journal of Dentistry 2011 39 273-292
[14] Updike SX Nowzari H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res 2008 43 658-664
[15] Perotti V Aprile G Degidi M Piatelli A Lezzi G Fractal analysis a novel method to
assess roughness organization of implant surface topography Int J Peridontic Restorative
Dent 2011 31 633-639
[16] Ehrenfest D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol 2011 37 506-509
35
[17] Lezzi G Aprile G Tripodi D Scarano A Piatelli A Perotti V Implant surface
topographies analyzed using fractal dimension Implant Dent 2012 20 131-138
[18] Guo CY Tang ATH Matinlinna JP Insights into surface treatment methods of titanium
dental implants Journal of Adhesion Science amp Technology 2012 26 189ndash205
[19] Kokubo T Takadama H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
Biomaterials 2006 27 2907-2915
[20] Theiller J Estimating fractal dimension J Opt Soc Am 1990 7 1055-1073
[21] P Jensen A-L Barabaacutesi H Larralde S Havlin H E Stanley Model incorporating
deposition diffusion and aggregation in submonolayer nanostructures Phys Rev E (1994)
50 618ndash621
34
References
[1] Albrektsson T Sennerby L Wennerberg A State of the art of oral implants Periodontol
2000 2008 47 15-26
[2] Wazen JJ Gupta R Ghossaini S Spitzer J Farrugia M Tjellstrom A
Osseointegration timing for Baha system loading Laryngoscope 2007 117 794-796
[3] Palmquist A Jarmar T Emanuelsson L Braringnemark R Engqvist H Thomsen P
Forearm bone-anchored amputationprosthesis a case study on the osseointegration Acta
Orthop 2008 79 78-85
[4] Le Gueacutehennec L Soueidan A Layrolle P Amouriq Y Surface treatments of titanium
dental implants for rapid osseointegration Dental Materiasl 2007 23 844-854
[5] Mandelbrot BB The Fractal Geometry of Nature New York Freeman 1983 25
[6]Dellino PLiotino G The fractal and multifractal dimension of volcanic ash particles
contour a test study on the utility and volcanological relevance Journal of Volcanology and
Geothermal Research 2002 113 1-18
[7] Majumdar A Alencar AM Buldyrev SV Hantos Z Lutchen KR Stanley HE Suki B
Relating airway diameter distributions to regular branching asymmetry in the lung Phys Rev Lett 2005 95 168101
[8] Jelinek HF Fernandez E Neurons and fractals how reliable and useful are calculations of
fractal dimensions Journal of Neuroscience Methods 1998 81 9 ndash 18
[9] Chung HW HUANG YH Fractal Analysis of Nuclear Medicine Images for the Diagnosis
of Pulmonary Emphysema American Journal of Roentgenology 2000 174 1055-1059
[10] Zaia A Eleonori R Maponi P Rossi R Murri R MR imaging and osteoporosis
fractal lacunarity analysis of trabecular boneacute IEEE Trans Inf Technol Biomed 2006 10
484-489
[11] Stosic T Stosic B Multifractal Analysis of Human Retinal Vessels EEE Transactions
on MIedical Imaging 2006 25 1101-1107
[12] Goldberger AL Amaral LAN Hausdorff JM Ivanov PCh Peng CK Stanley
HE Fractal dynamics in physiology Alterations with disease and aging PNAS 2002 99
2466-2472
[13] Saacutenchez I Uzcaacutetegui G Fractals in dentistry Journal of Dentistry 2011 39 273-292
[14] Updike SX Nowzari H Fractal analysis of dental radiographs to detect periodontitis-
induced trabecular changes J Periodontal Res 2008 43 658-664
[15] Perotti V Aprile G Degidi M Piatelli A Lezzi G Fractal analysis a novel method to
assess roughness organization of implant surface topography Int J Peridontic Restorative
Dent 2011 31 633-639
[16] Ehrenfest D Fractal patterns applied to implant surface definitions and perspectives J
Oral Implantol 2011 37 506-509
35
[17] Lezzi G Aprile G Tripodi D Scarano A Piatelli A Perotti V Implant surface
topographies analyzed using fractal dimension Implant Dent 2012 20 131-138
[18] Guo CY Tang ATH Matinlinna JP Insights into surface treatment methods of titanium
dental implants Journal of Adhesion Science amp Technology 2012 26 189ndash205
[19] Kokubo T Takadama H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
Biomaterials 2006 27 2907-2915
[20] Theiller J Estimating fractal dimension J Opt Soc Am 1990 7 1055-1073
[21] P Jensen A-L Barabaacutesi H Larralde S Havlin H E Stanley Model incorporating
deposition diffusion and aggregation in submonolayer nanostructures Phys Rev E (1994)
50 618ndash621
35
[17] Lezzi G Aprile G Tripodi D Scarano A Piatelli A Perotti V Implant surface
topographies analyzed using fractal dimension Implant Dent 2012 20 131-138
[18] Guo CY Tang ATH Matinlinna JP Insights into surface treatment methods of titanium
dental implants Journal of Adhesion Science amp Technology 2012 26 189ndash205
[19] Kokubo T Takadama H How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity
Biomaterials 2006 27 2907-2915
[20] Theiller J Estimating fractal dimension J Opt Soc Am 1990 7 1055-1073
[21] P Jensen A-L Barabaacutesi H Larralde S Havlin H E Stanley Model incorporating
deposition diffusion and aggregation in submonolayer nanostructures Phys Rev E (1994)
50 618ndash621
