Progettazione e deposizione di rivestimenti per il miglioramento superficiale di monconi in protesi dentali

Dental prosthesis are medical devices designed to replace missing teeth, typically fabricated from titanium (Ti6Al4V) or sintered stabilized zirconia. These prostheses are composed of three primary components: the implant, the abutment and the crown. This research focuses on the surface functionalization of the abutment, which interfaces directly with the gingival tissue, to enhance its biocompatibility. The objective of this study is the development of a surface functionalization to prevent implant rejection caused by post-operative infections. This is achieved through the application of a specialized coating designed to promote rapid cell adhesion and proliferation, thereby facilitating the rapid regeneration of gingival tissue around the abutment before infections can occur, ultimately reducing the risk of implant rejection. If deposited on a titanium-based abutment, the coating has a bi-layer architecture, composed by a Yttria-Stabilized Zirconia film and Collagen-based Biopolymer layer, each serving a specific purpose. Yttria-Stabilized Zirconia (YSZ) layer guarantees inertization, avoiding the risk of allergic reactions in patients sensitive to titanium, and a tooth-like appearance in terms of colour, improving the overall aesthetic outcome. Collagen-based biopolymer layer is applied to promote cell adhesion and proliferation. In fact, collagen, being the most abundant protein in the human body, is widely used in tissue engineering for creating scaffolds that support cell regeneration. In case of a zirconia-based abutment, the collagen layer is deposited directly on the ceramic abutment, without a zirconia underlayer. In this thesis, the zirconia layer is applied by using Magnetron Sputtering – Physical Vapour Deposition (MS-PVD). Reactive deposition is used, by employing an Yttrium-doped Zirconium (93:7 wt.%) target and oxygen as reactive gas in a Centurion deposition chamber (Duralar, USA). Aiming to determine the optimal potential values for the reactive deposition, the hysteresis cycle was employed. An initial set of screening depositions was conducted to establish the parameters for subsequent optimization deposition, ultimately leading to the identification of the optimal set of parameters. The produced coatings were characterized using electron microscopy, revealing nanostructured and free of defects coatings. Additionally, the thickness of these coatings ranged from 100 nm to 900 nm. Raman analysis indicated that the cubic phase was predominant in the YSZ coatings confirming the objective deposit a YZS layer was achieved. The tooth-like appearance was evaluated using the CIELAB colour space, identifying a group of coatings as suitable for this purpose. The second step of the study involved the production of the collagen-based biopolymer layer. This layer was custom-designed by developing specific formulations of the solution and a step-by-step deposition method through an iterative process. The formulations of the solution were designed to improve the structure and stiffness of the collagen aiming to promote cellular activity. Additionally, the deposited biopolymeric solution resulted in a homogeneous hydrogel after gelling at optimal parameters in terms of temperature and time and the adhesion to the zirconia substrate was found to be adequate for the application. This research outlines a strategy to enhance the biocompatibility and performance of abutment in dental prostheses through advanced surface functionalization, potentially leading to improved clinical outcomes and greater patient satisfaction.

Le protesi dentali sono dispositivi medici progettati per sostituire i denti mancanti, tipicamente fabbricati in titanio (Ti6Al4V) o zirconia stabilizzata sinterizzata. Queste protesi sono composte da tre componenti principali: l’impianto, il moncone e la corona. Questa ricerca si concentra sulla funzionalizzazione superficiale del moncone, che interfaccia direttamente con il tessuto gengivale, per migliorarne la biocompatibilità. L’obiettivo di questo studio è lo sviluppo di una funzionalizzazione superficiale per prevenire il rigetto dell’impianto causato da infezioni post-operatorie. Questo viene ottenuto attraverso l’applicazione di un rivestimento progettato per promuovere una rapida adesione e proliferazione cellulare, facilitando così la rapida rigenerazione del tessuto gengivale attorno al moncone prima che possano verificarsi infezioni, riducendo infine il rischio di rigetto dell’impianto. Se depositato su un moncone a base di titanio, il rivestimento ha un’architettura a doppio strato, composta da un film di zirconia stabilizzata con ittria e uno strato di biopolimero a base di collagene. Lo strato di zirconia stabilizzata con ittria (YSZ) garantisce l’inertizzazione, evitando il rischio di reazioni allergiche nei pazienti sensibili al titanio, e un aspetto simile a quello del dente in termini di colore, migliorando l’estetica complessiva. Lo strato di biopolimero a base di collagene viene applicato per promuovere l’adesione e la proliferazione cellulare. Infatti, il collagene, essendo la proteina più abbondante nel corpo umano, è ampiamente utilizzato nell’ingegneria tissutale per creare impalcature che supportano la rigenerazione cellulare. Nel caso di un moncone a base di zirconia, lo strato di collagene viene depositato direttamente sul moncone ceramico, senza uno strato sottostante di zirconia. In questa tesi, lo strato di zirconia viene applicato utilizzando la tecnologia Magnetron Sputtering – Physical Vapour Deposition (MS-PVD). Viene utilizzata la deposizione reattiva, impiegando un target di zirconio drogato con ittrio (93:7 wt.%) e ossigeno come gas reattivo in una camera di deposizione Centurion (Duralar, USA). Per determinare i valori di potenziale ottimali per la deposizione reattiva, è stato impiegato il ciclo di isteresi. È stato condotto un set iniziale di deposizioni di screening per stabilire i parametri per la successiva deposizione di ottimizzazione, conducendo all’identificazione del set ottimale di parametri. I rivestimenti prodotti sono stati caratterizzati utilizzando la microscopia elettronica, rivelando rivestimenti nanostrutturati e privi di difetti. Lo spessore di questi rivestimenti variava da 100 nm a 900 nm. L’analisi Raman ha indicato che la fase cubica era predominante nei rivestimenti YSZ, confermando che l’obiettivo di depositare uno strato YZS è stato raggiunto. L’aspetto simile a quello del dente è stato valutato utilizzando lo spazio colore CIELAB, identificando un gruppo di rivestimenti come adatti a questo scopo. Il secondo passo dello studio ha coinvolto la produzione dello strato di biopolimero a base di collagene. Questo strato è stato progettato su misura sviluppando formulazioni specifiche della soluzione e un metodo di deposizione step-by-step attraverso un processo iterativo. Le formulazioni della soluzione sono state progettate per migliorare la struttura e la rigidità del collagene promuovendo l’attività cellulare. La soluzione biopolimerica depositata è risultata in un idrogel omogeneo dopo la gelificazione a parametri ottimali in termini di temperatura e tempo e l’adesione al substrato di zirconia è risultata adeguata all’applicazione. Questa ricerca delinea una strategia per migliorare la biocompatibilità e le prestazioni del moncone nelle protesi dentali attraverso una funzionalizzazione superficiale avanzata, potenzialmente portando a migliori risultati clinici e maggiore soddisfazione del paziente.