33 Laser Surface Pattering of Titanium for Improving the Biological Performance of Dental Implants en pt

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Patterização de superfície a laser de titânio para melhorar o 
desempenho biológico de implantes dentários
Christoph Zwahr, Denise Günther, Tina Brinkmann, Nikolai Gulow, Steffen Oswald, 
Marzellus Grosse Holthaus e Andrés Fabián Lasagni *
validar a influência da rugosidade do material no 
progresso da cura. Depois de um tempo de 20 
semanas, 500µm foi medido como crescimento 
ósseo em aluminato de cálcio em um tamanho de 
poro de 100-150 µm enquanto para tamanhos de 
poro entre 150 e 200 µm, 1500 µm foi observado 
crescimento interno.[5]
A influência da rugosidade da superfície no 
progresso da cicatrização também foi estudada 
através da análise da resistência ao rasgo de uma 
conexão entre o osso de coelho e as topografias 
do implante (Ti6Al4V) com variação média de pico 
a altura do vale. Após 84 d, a resistência ao rasgo 
era 18 vezes maior em uma superfície áspera 
com um pico médio de altura de vale deRuma = 50 
µm em comparação com superfícies mais planas 
com Ruma = 10 µm.[6]
No passado, diferentes métodos de modificação 
de superfície foram usados para controlar a 
topografia da superfície de implantes dentários de 
titânio. O processo mais comumente usado para 
implantes de titânio é areia / grão
jateamento com diferentes materiais de distribuição de tamanho controlado 
seguido de ataque ácido para ajustar a topografia da superfície. A rugosidade 
da superfície resultante (Suma) é geralmente entre 1 e 2 µm, porque esta 
rugosidade moderada mostrou uma resposta óssea mais forte do que as 
superfícies ásperas (Suma = 2 µm) em alguns estudos.[7,8] Uma desvantagem 
deste método é que as superfícies tratadas precisam de uma etapa de limpeza 
adicional para se livrar das partículas usadas e da solução de corrosão tóxica.
Outras tecnologias capazes de controlar a superfície topográfica de 
ligas de Ti e Ti são a corrosão ácida autônoma com uma rugosidade 
superficial final de 0,3-1,0 µm; anodização para criar camadas de óxido 
poroso com poros abertos no submicrometro e na faixa de micrômetro 
inferior; pulverização de plasma para aplicação de revestimentos porosos 
com espessura entre 30 e 50µm; e tratamentos seletivos de ablação a 
laser (principalmente escrita direta a laser) para produzir estruturas 2D 
em escala micrométrica e submicrométrica.[5-10]
Um novo método que se mostrou capaz de produzir padrões de 
superfície em metais na faixa do micro e submicrométrico é o padrão de 
interferência direta do laser (DLIP).[11-14] Comparado a um processo de 
gravação direta a laser, o DLIP permite velocidades de processamento 
mais altas (até 0,36 m2 min-1 para metais), bem como resolução mesmo 
na faixa submicrométrica.[15] Durante o DLIP, dois ou mais feixes de laser 
são sobrepostos na superfície do material onde um padrão de 
interferência é criado. A distribuição de intensidade resultante (eu) 
depende do número de feixes de laser usados, o comprimento de onda 
do laser (λ) e o ângulo dos feixes de laser individuais. Para
O padrão de interferência direta de laser (DLIP) é usado para produzir padrões lineares 
periódicos em superfícies de titânio. Um laser Nd: YAG operando em comprimento de 
onda de 532 nm com duração de pulso de 8 ns é usado para o processo de padronização 
de laser. Os padrões periódicos gerados com períodos espaciais de 5, 10 e 20µm são 
produzidos com densidades de energia entre 0,44 e 2,6 J cm-2 com um único pulso de 
laser. Com a variação da densidade de energia, diferentes formas da topografia 
emergente são observadas devido ao desenvolvimento da solidificação frontal do 
material fundido nas posições máximas. A caracterização da química de superfície 
mostra que o tratamento DLIP aumenta o teor de nitrogênio da camada reativa de 
titânio de 3,9% para 23,4%. A análise estrutural próxima à superfície do titânio não 
mostra alterações na microestrutura após o tratamento a laser. Ângulos de contato 
entre 65° e 79° são medidos em superfícies de referência estruturadas e torneadas. A 
viabilidade celular de osteoblastos humanos em superfícies padronizadas em linha após 
7 dias em meio de cultivo é 16% maior em comparação com as referências jateadas e 
gravadas com ácido. finalmente, o
possibilidade de padronizar implantes dentários 3D complexos é mostrada.
1. Introdução
A topografia de superfície tem um alto impacto no comportamento das células 
em implantes dentários de titânio. A rugosidade da superfície na faixa do 
micrômetro e submicrométrica geralmente leva a uma maior proliferação de 
células, bem como à síntese de proteínas melhorada em comparação com uma 
superfície plana.[1] Em conseqüência, o progresso da cicatrização e a 
estabilidade a longo prazo foram influenciados positivamente por superfícies 
ásperas ou porosas.[2-4]
Neste conteúdo, a distância de crescimento para dentro do osso em aluminato de 
cálcio em função do tamanho do poro do material foi analisada para
C. Zwahr, Dr. D. Günther, Prof. AF Lasagni 
Institute of Manufacturing Technology
TU Dresden, George-Bähr Str. 3c 
01069 Dresden, Alemanha
E-mail: andres_fabian.lasagni@tu-dresden.de
C. Zwahr, Dr. D. Günther, Prof. AF Lasagni Fraunhofer 
Instituto de Tecnologia de Materiais e Vigas Winterbergstr. 
28, 01277 Dresden, Alemanha
T. Brinkmann, N. Gulow, Dr. M. Grosse Holthaus 
BEGO Implant Systems GmbH & Co. KG Wilhelm-
Herbst-Str. 1, 28359 Bremen, Alemanha
Dr. S. Oswald
Instituto Leibniz de Estado Sólido e Pesquisa de Materiais Dresden 
Helmholtzstr. 20, 01069 Dresden, Alemanha
DOI: 10.1002 / adhm.201600858
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uma configuração de dois feixes, uma distribuição de 
intensidade periódica semelhante a uma linha é obtida e 
pode ser descrita pela Equação (1)
eu = 2eu0 cos ( kx pecado α)2 (1)
Onde eu0 é a intensidade do laser de cada feixe 
secundário, α é o ângulo entre as vigas, e k é o 
número da onda definido como 2π/λ.
Em conseqüência, o período espacial Λ, 
definido como a distância repetitiva entre dois 
máximos ou mínimos de intensidade, pode ser 
calculado usando a Equação (2)
λ
2sin (α/ 2)Λ = (2)
A última equação mostra que o menor 
período teórico possível é λ/ 2 para um ângulo de 
interceptação de 180°.
Neste estudo, os implantes em branco e em forma de 
parafuso produzidos a partir de titânio puro (grau 4) 
foram padronizados usando DLIP de dois feixes. Este 
grau foi selecionado devido à sua alta resistência 
mecânica (≈550 MPa), em comparação com outros 
materiais de Ti puro disponíveis comercialmente e sua 
excelente biocompatibilidade.[16]
Além disso, ligas de Ti com maior resistência 
mecânica usadas anteriormente em odontologia 
foram relatadas como tóxicas, devido a alguns 
elementos de liga, como vanádio e alumínio.[17] O 
ângulo entre os feixes de laser foi variado para 
obter padrões lineares com períodos espaciais 
variando de 5 a 20 µm.
A topografia e morfologia resultantes são analisadas por microscopia con 
focal e microscopia eletrônica de varredura (MEV). Para verificar o 
potencial desta tecnologia para melhorar a cicatrização em tecido ósseo 
humano, a proliferação e a viabilidade de células de osteoblastos 
humanos foram avaliadas em ambas as superfícies tratadas com laser e 
em superfícies de referência jateadas e gravadas. Possíveis mudanças na 
energia de superfície no material a granel resultante do processo de 
padronização de laser foram avaliadas medindo ângulos de contato 
estáticos (CAs) das superfícies com um método de queda séssil.
Figura 1. Imagens de SEM de várias superfícies tratadas de titânio grau 4. a) A superfície do material básico 
torneado comSuma = 0,15µm. b – d) Superfícies estruturadas DLIP semelhantes a linhas com o seguinte 
tamanho de recurso: b) Λ = 5µm (F = 1,64 J cm-2), c) Λ = 10 µm (F = 0,87 J cm-2) e d) Λ = 20 µm (F =
1,32 J cm-2) As inserções em (b) e (d) representam modelos dos perfis morfológicos de 5 e 20µperíodos de m, 
respectivamente. A inserção em (b) mostra um modelo de uma estrutura monoperiódica fechada, enquanto a 
inserção em (d) mostra uma estrutura dupla periódica aberta.
de Λ = 5 µm @ F = 1,64 J cm-2 (Figura 1b), Λ = 10 µm @F = 0,87 
J cm-2 (Figura 1c), e Λ = 20 µm @ F = 1,32 J cm-2
(Figura 1d) foram fabricados. Como as amostras não foram polidas 
antes do tratamento a laser, a morfologia em forma de sulco 
causada pelo torneamento ainda é visível após o processo de 
irradiação. Por exemplo, na Figura 1c, as marcas de giro podem ser 
observadas com um ângulo de orientação de≈80° no que diz 
respeito à estrutura DLIP linear. Por outro lado, a geometria linear 
da estrutura produzida pode ser reconhecida para todos os períodos 
espaciais estudados.
Um dos parâmetros de processamento de laser mais importantes que 
controlam a morfologia dos padrões periódicos é a fluência do laser.[11-14] 
Este efeito pode ser observado, por exemplo, emFigura 2 para um 10 µ
período espacial m. As imagens do microscópio confocal foram obtidas 
de superfícies de Ti tratadas emF = 0,44 J cm-2
(Figura 2a), F = 0,87 J cm-2 (Figura 2b), e F = 1,32 J cm-2
(Figura 2c). Como pode ser observado que a morfologia dos padrões 
produzidos muda fortemente em função da fluência do laser. Na 
Figura 2a, o material acumulado (cristas) é visível em ambos os lados 
das posições máximas de interferência, o que não é o caso na Figura 
2b. Além disso, para a baixa fluência do laser, a característica inicial 
da superfície ainda é visível nas regiões correspondentes aos 
mínimos de interferência. Na Figura 2b, uma quantidade maior de 
material está derretida. Para fluências de laser mais altas (Figura 2c), 
a característica linear do
2. Resultados e discussão
figura 1 mostra espaços em branco de Ti que foram padronizados com 5, 
10 e 20 µperíodos espaciais m e diferentes fluências de laser (F) A fluência 
do laser é definida como a energia do laser por área irradiada (também 
chamada de densidade de energia). Na Figura 1a, a superfície original 
dos substratos de Ti usados é mostrada como referência. A morfologia 
em forma de sulco espiral foi causada pelo processo de torneamento 
com altura máxima de pico a vale de aproximadamenteSz = 2,4 µm (Suma = 
0,15 µm). O DLIP foi conduzido diretamente nessas superfícies sem 
qualquer etapa de polimento adicional. Ao alterar o ângulo entre as vigas 
sobrepostas, o período espacial foi ajustado de acordo com a Equação (2). 
Através da variação do ângulo de interferência porα = 6,10°, α = 3,04°, e α 
= 1,52° padrões semelhantes a linhas
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Padrões lineares em material metálico são formados devido à 
interação fototérmica da luz laser, bem como à convecção de 
Marangoni.[18] A luz do laser irradiado é absorvida pelo material do 
substrato e a temperatura da superfície aumenta até atingir o ponto 
de fusão nas posições dos máximos de interferência. A diferença de 
alta temperatura entre as piscinas fundidas quentes nos máximos e 
o material não aquecido nos mínimos de interferência gera um 
gradiente de tensão superficial que faz com que a força acionada 
induza o fluxo do metal fundido em direção aos mínimos.[18] Em 
baixas fluências de laser, o derretimento resolve nos lados das 
posições máximas de interferência produzindo uma topografia de 
superfície caracterizada por um padrão periódico duplo aberto 
(Figuras 1d e 2a). Em outras palavras, o derretimento produzido nos 
máximos não tem tempo suficiente para cobrir totalmente as 
regiões mínimas e, portanto, a superfície não tratada inicial ainda é 
visível seguida por duas colinas de derretimento a partir das 
posições máximas (ver a inserção na Figura 1d).
Com densidades de energia mais altas, o volume de fusão 
aumenta e as frentes de solidificação se fundem nas regiões 
mínimas de interferência (Figuras 1b e 2b). Em conseqüência, uma 
estrutura monoperiódica fechada é formada (veja a inserção na 
Figura 1b). Para fluências mais altas (Figura 2c), o material também é 
vaporizado no máximo e o plasma resultante causa deterioração do 
padrão de superfície, bem como das gotículas.[18]
Uma análise quantitativa da formação do padrão em função 
da fluência do laser e as características da estrutura resultante é 
apresentada em Figura 3. A Figura 3a-c mostra a altura da 
estrutura obtida em função da intensidade do laser para os 
períodos espaciais 5, 10 e 20µm, respectivamente. A altura total 
da estrutura (ht) foi definida como a distância absoluta entre os 
pontos mais baixo e mais alto da topografia (veja a inserção na 
Figura 3a). Além disso, a distância vertical dos máximos de 
interferência (ponto mais baixo) ao vale entre a estrutura dupla 
e os picos da estrutura dupla foi definida comohr e hd, 
respectivamente (consulte a inserção na Figura 3a).
Dois regimes topográficos diferentes (R) são observados. No 
primeiro regime (R1) o fundido solidificado se acumula em ambos os 
lados dos máximos de interferência, produzindo o padrão periódico 
duplo aberto. Dentro deste regime, a altura total da estrutura 
aumenta até 0,24± 0,04, 0,96 ± 0,08 e 0,78 ± 0,18 µm para 5, 10 e 20 
µm períodos espaciais, respectivamente. Para 5 e 10µm períodos 
espaciais, esses valores correspondem à maior fluência do laser 
usado neste regime (0,94 e 0,87 J cm-2 para 5 e 10 µm períodos 
espaciais, respectivamente). Da mesma forma, a altura do mínimo 
ao vale de dupla estrutura (hr) também aumenta com o aumento da 
fluência do laser. As alturas máximas de dupla estrutura foram 
observadas para os 10 e 20µm estruturas periódicas (0,36 ± 0,08 e 
0,37 ± 0,06 µm, respectivamente). Para os 5µpadrão m, a altura 
máxima da estrutura dupla foi de 0,13 ± 0,01 µm.
No segundo regime (R2), a altura total da estrutura (ht) é igual à 
altura do mínimo ao vale da estrutura dupla (hr), uma vez que uma 
estrutura monoperiódica fechada é obtida. Pelos 20µperíodo 
espacial m, este regime não existe, pois mesmo em alta fluência (2,6 
J cm-2) nenhuma estrutura fechada surge. Além disso, a altura total 
da estrutura diminui para 0,63± 0,08 µm, significando que a maior 
fluência causa deterioração da morfologia. A distância entre as 
frentes de solidificação é muito alta dentro das posições mínimas de 
interferência, então elas não podem
Figura 2. Imagens microscópicas confocais de padrões semelhantes a 
linhas em titânio com um 10 µPeríodo m e fluência de laser variável: a) 
estrutura aberta dupla periódica (F = 0,44 J cm-2), b) estrutura 
monoperiódica fechada (F = 0,87 J cm-2), ec) estrutura monoperiódica 
deteriorada (F = 1,32 J cm-2)
padrão ainda é reconhecível. No entanto, as cristas topográficas 
começam a se fundir e, assim, a homogeneidade do padrão é 
reduzida.
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Figura 3. a – c) A altura da estrutura resultante dependendo da fluência do laser para três tamanhos de recursos diferentes: a) Λ = 5 µm, b) Λ = 10 µm e c) Λ = 20 µm. No 
intervalo R1 surgem estruturas duplas periódicas abertas e no intervalo R2 estruturas mono periódicas fechadas. (d) O desenvolvimento da inclinação da estrutura para três 
tamanhos de recursos, dependendo da fluência do laser.
fundir-se um no outro. Como resultado, nenhuma estrutura 
monoperiódica fechada foi obtida para os 20µperíodo de m, 
diferente de 10 e 5 µm. Para os 10µNo período espacial, a altura 
total da estrutura diminuiu ligeiramente com a fluência do laser no 
segundo regime. Para os 5µNoperíodo espacial, a altura total 
máxima da estrutura foi alcançada para a fluência de laser máxima 
usada (F = 1,87 J cm-2 com ht = 0,95 ± 0,18 µm). Porém, a aplicação de 
fluências mais baixas resultou na formação de uma topografia mais 
homogênea, o que é indicado pelas barras de erro mais baixas. Com 
base no último comentário, o parâmetro de processamento de laser 
ideal, permitindo maiores alturas de estrutura com uma alta 
homogeneidade, foiF = 1,64 J cm-2. Para este valor a altura total foi 
de 0,77± 0,02 µm. Para os 10µperíodo espacial m, a fluência de laser 
ideal foi F = 0,87 J cm-2 (ht = 0,95 ± 0,12 µm). Uma vez que nenhuma 
estrutura monoperiódica foi alcançada para os 20µperíodo espacial 
m, o parâmetro de processamento ideal foi F = 1,32 J cm-2
resultando em altura total da estrutura de 0,78 ± 0,21 µm. As 
investigações a seguir foram feitas nessas amostras.
Um parâmetro adicional que pode ser usado para descrever a 
morfologia das superfícies tratadas com DLIP é a inclinação (S) do 
flanco. Este parâmetro foi calculado conforme mostrado na Figura 
3d para os diferentes períodos espaciais usados em função da 
fluência do laser. A inclinação é definida como a razão entre a 
largura do fundo da ranhurac1 (0,1 × ht) e a largura do topo da 
ranhura c2 (0.9 × ht) Assim, um padrão com inclinação de 100% tem a 
morfologia de uma função degrau.
Para o 10 e 20 µm períodos espaciais, pode-se observar que a 
razão de declividade diminui com o aumento da fluência do laser, 
enquanto a morfologia da superfície segue a estrutura dupla 
periódica aberta (até 41% por 10 µm @ F = 1,32 J cm-2 e 30% por 20 µ
m @ F = 2,6 J cm-2) Com o aumento da intensidade do laser, uma 
área maior é fundida nas posições máximas. Isso induz que o 
material situado perto dos máximos pode fluir para os mínimos de 
intensidade formando as cristas fechadas e, portanto, a largura do 
sulcoc2 aumenta enquanto, ao mesmo tempo, o valor para c1 
permanece quase constante. No entanto, para o 5µm período 
espacial, a taxa de inclinação provavelmente permanece constante 
em ≈30% enquanto a estrutura periódica dupla aberta é visível. 
Assim que a estrutura monoperiódica é formada, o material fundido 
adicional é depositado no flanco da crista. Em conseqüência, a 
largura da ranhurac2 diminui, resultando em um aumento da 
inclinação (até 51% para 5 µm @ F = 1,87 J cm-2 e 51% por 10 µm @ F 
= 2,0 J cm-²). Uma vez que nenhuma estrutura monoperiódica 
fechada foi observada para os 20µperíodo espacial m, nenhum 
aumento na inclinação é visível.
Além da caracterização topográfica dos padrões produzidos por 
DLIP, investigação transversal utilizando o método de feixe de íons 
reativos foi realizada para determinar possíveis alterações 
microestruturais nas regiões tratadas. Figura 4 mostra a seção 
transversal de uma superfície de Ti irradiada em F = 1,32 J cm-2
com um período espacial Λ de 20 µm. As imagens SEM mostram um 
crescimento epi-taxial de material fundido seguindo o material inicial
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Figura 4. Investigações transversais de feixe de íons reativos em um 20 µperíodo espacial m. a) A seção transversal com uma inserção onde a posição da seção 
transversal é indicada. b – d) Ampliações da seção transversal nas posições indicadas em (a).
morfologia (Figura 4c). Além disso, na Figura 4b microporos em posições 
mínimas de intensidade são visíveis que resultam do fundido 
transportado das posições máximas para as posições mínimas, conforme 
descrito anteriormente por D'Alessandria et al.[19] Além disso, as áreas 
mais brilhantes correspondentes à superfície dos substratos de Ti 
tratados (Figura 4d) denotam a presença de uma fina camada reativa de 
titânio (<20 nm).
Com relação ao desempenho mecânico de superfícies metálicas 
tratadas com este método, investigações anteriores em diferentes metais 
mostraram que as estruturas produzidas são estáveis em tensões de 
contato relativamente altas (> 600 MPa). Além disso, essas superfícies são 
utilizadas para melhorar o desempenho tribológico de metais comuns.
[20-22]
O comportamento de umedecimento das amostras de Ti foi 
analisado medindo-se os ângulos de contato (CA) da água 
deionizada na referência virada e nas superfícies de Ti tratadas. Esta 
medição é relevante uma vez que a afinidade dos osteoblastos com 
a superfície é determinada pela interação entre a matriz extracelular 
das células e a camada de proteína em uma superfície e é 
melhorada no caso de uma interação hidrofílica.[23-25]
Devido à característica anisotrópica do padrão linear, o 
ângulo de contato foi medido perpendicular e paralelo às 
microlinhas nas amostras de Ti tratadas a laser (Figura 5)
No substrato de referência, a água desenvolveu um CA de 79 ± 1°.
Na literatura, é descrito que superfícies limpas de titânio possuem 
CAs menores que 40°, que é muito menor do que as CAs medidas 
em nosso experimento.[26] Após o tratamento a laser, as superfícies 
foram limpas em álcool etílico puro e posteriormente armazenadas. 
A medição do CA foi realizada mais de 100 d após o tratamento com 
laser. Durante este período de tempo, um revestimento hidrofóbico 
de hidrocarbonetos é formado nas superfícies de Ti.[26] Como as 
superfícies foram limpas com álcool etílico puro novamente antes da 
medição de CA, poeira ou outras partículas não influenciaram a 
medição.
Para as amostras tratadas a laser, o CA medido da água 
deionizada foi entre 7% e 23% menor do que no transformado
referência. Para a superfície de Ti tratada com 5µm período 
espacial, qualquer diferença significativa foi observada na AC 
em função da direção (perpendicular ou paralelo às linhas). Pelo 
contrário, o CA medido perpendicularmente às microlinhas 
aumentou com períodos espaciais mais elevados, enquanto o 
CA medido na direção paralela diminuiu.
Para estimar a influência da topografia no comportamento de 
umedecimento, o modelo de Wenzel foi usado para descrever o regime 
de umedecimento homogêneo.[27] O modelo requer o cálculo do fator de 
rugosidade da superfície Rf e sua correlação com o ângulo de contato θ é 
descrito pela Equação (3)
cos (θ ) = Rf cos (θ0 ) (3)
Onde θ0 é o ângulo de contato medido na superfície lisa.
Figura 5. Perpendicular e paralelo à estrutura linear medido ângulos de contato 
estáticos na superfície plana. Comparação entre substratos de Ti não tratados com 
ranhuras em espiral e arranjos em linha com um período espacial diferente.
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O fator de rugosidade Rf é definido como a razão entre a área de 
contato sólido-líquido sobre sua projeção e o plano horizontal. Seguindo 
este modelo, o fator de rugosidade amplifica o comportamento de 
umedecimento da superfície lisa original, por exemplo, as superfícies 
hidrofílicas se tornam mais hidrofílicas e as superfícies hidrofóbicas se 
tornam mais hidrofóbicas.
Para as superfícies estruturadas DLIP, Rf pode ser calculado usando a 
Equação (4)
no ≈35%. Em relação à fração de O e N, a situação nas 
superfícies de referência e tratadas a laser é diferente. Enquanto 
a fração de O diminui de 61,7% na referência para 46,1± 2,3% 
nas superfícies tratadas com DLIP, a fração de N aumenta de 
3,9% para 20,2 ± 2,9%. Em conseqüência, o tratamento com 
laser é responsável por um aumento no teor de N na camada 
reativa de titânio. Esses resultados também são apoiados por 
estudos de pesquisa anteriores. Por exemplo, Lavisse et al. 
mostraram a possibilidade de aumentar a quantidade de N em 
uma matriz de titânio usando radiação laser pulsada.[28] Além 
disso, a indução de nitrogênio pode ser suportada por um 
plasma de dissociação de nitrogênio e titânio fundido.[28]
Levando em consideração que a difusão de N em TiO2é 
responsável por um comportamento hidrofílico mais elevado,[29] as 
diferenças observadas entre os valores previstos pelo modelo de 
Wenzel e os resultados experimentais podem ser explicadas.
Finalmente, os testes de proliferação celular in vitro com osteoblastos 
humanos foram conduzidos em superfícies tratadas a laser com padrão 
de linha e 20 µm periodicidade para verificar o potencial do método DLIP 
para osseointegração. Como superfície de referência, amostras padrão 
jateadas e gravadas (TiPureMais, Bego Implant Systems) com uma 
rugosidade de superfície de Suma = 1,26 µm foram usados (veja a 
inserção em Figura 7uma). Em comparação, as superfícies tratadas com 
DLIP exibiram menor rugosidade superficial média deSuma = 0,29 µm 
(para Λ = 20 µm). A Figura 7 mostra imagens microscópicas de fluo 
rescence de adesão celular após 7 d em superfície jateada e com ácido e 
DLIP estruturada (Λ = 20µm @ F = 1,32 J cm-2) Como pode ser visto, as 
células cresceram e se espalharam aleatoriamente nas superfícies de 
referência (Figura 7a) enquanto nas superfícies tratadas com DLIP as 
células alinhadas paralelamente à direção das microlinhas (Figura 7b). 
Esse efeito (orientação por contato) já foi relatado e, neste caso, não 
influenciou significativamente o processo de osteogênese.[30,31] No 
entanto, uma diferença considerável foi observada no metabolismo e 
proliferação de células entre as duas condições tratadas. Figura 8a 
mostra a viabilidade celular normalizada WST1 (Reagente de Proliferação 
Celular) após 7 d em meio de cultura para Λ = 20 µTi estruturado tipo m 
linear e superfícies jateadas e acidificadas. As células mostraram 16% a 
mais de viabilidade
ht
Λ
R = 1 + 2f (4)
Onde ht é a altura total da estrutura do perfil e Λ é o 
respectivo período espacial.[14]
Usando os valores de altura e períodos espaciais dos padrões 
estudados (ht = 0,77 µm @ Λ = 5 µm, ht = 0,95 µm @ Λ = 10 µm,ht = 0,78 µ
m @ Λ = 20 µm) fatores de rugosidade Rf de 1,29, 1,19 e 1,08 foram 
determinados para os 5, 10 e 20 µperíodos de m, respectivamente. 
Usando a Equação (3) (comθ0 = 79°), ângulos de contato θde 76°, 77°, e 78
° foram determinados (para os 5, 10 e 20 µm períodos espaciais, 
respectivamente). Esses valores se ajustam à tendência dos ângulos de 
contato medidos perpendicular aos ângulos de contato medidos da 
estrutura semelhante a uma linha. No entanto, os valores medidos são 
ligeiramente inferiores aos calculados.
Uma vez que o comportamento de umedecimento também é afetado pela 
composição química de uma superfície,[23-25] Foi realizada espectroscopia de 
fotoelétrons de raio X (XPS) nas superfícies tratadas e não tratadas.
Para as medições, a superfície foi primeiro pulverizada por 5 
min e depois o conteúdo de O, Ti e N foi determinado. Isso foi 
feito para garantir que os sinais obtidos não viessem de 
camadas aderidas na superfície, mas de elementos integrados 
na camada reativa de titânio.Figura 6 mostra o conteúdo 
relativo de O, Ti e N na camada reativa de titânio da referência 
não tratada e as superfícies DLIP tratadas a laser (5, 10 e 20 µm 
períodos espaciais), bem como seus espectros na área de 
detecção de O e N.
Os resultados mostram que óxidos e nitretos de titânio estão 
presentes tanto na camada natural de passivação quanto nas superfícies 
tratadas a laser. A fração de Ti em todas as camadas é constante
Figura 6. Medição XPS da camada reativa de titânio em amostras tratadas a laser (5, 10 e 20 µm tamanho do recurso espacial) e na referência não tratada após 5 
min de pulverização catódica. a) A fração de O, Ti e N para cada superfície. b) O espectro XP das superfícies na área de detecção de oxigênio ec) na área de 
detecção de nitrogênio.
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Figura 7. Imagem microscópica de fluorescência de cultura de células de osteoblastos humanos em a) superfície jateada e atacada com ácido eb) superfície estruturada DLIPΛ = 
20 µm após 7 dias em meio de cultivo.
na superfície tratada a laser em comparação com a referência. Isso pode 
ser explicado por um maior número de células na superfície estruturada 
a laser ou por um aumento da atividade metabólica celular. Assim, o 
número de células por unidade de área foi determinado como mostrado 
na Figura 8b. Em nosso caso, nenhuma alteração estatisticamente 
relevante do número de células foi observada para a referência 
estruturada em linha e com jato de areia e ácido. Consequentemente, a 
maior viabilidade pode resultar de um metabolismo aprimorado de 
células nas superfícies tratadas com DLIP.
Finalmente, os implantes dentários 3D foram padronizados usando DLIP 
considerando as condições de processamento observadas para os substratos 
2D (Figura 9uma). Neste caso, um 5µFoi escolhido um período espacial m.
Levar em consideração o ângulo entre os feixes de laser 
nos obrigou a produzir o padrão de interferência (α), a altura 
do volume onde ocorre a interferência (Heu; VejoFigura 10a) 
pode ser calculado usando a Equação (5)
Portanto, a razão entre as alturas de dois padrões de 
interferência produzidos em ângulos α1 e α2 é aproximadamente α1/
α2. Considerandoα1 = 6,10° e α2 = 1,52° para os 5 e 20 µperíodos 
espaciais, respectivamente, uma proporção de ≈4 pode ser calculado 
determinando que a altura Heu para os 5 µo padrão m é quatro 
vezes menor do que o de 20 µm um. Esta condição representa a 
situação mais desfavorável para o processo DLIP, uma vez que a 
alturaHeu é o mais curto dos parâmetros usados neste estudo.
A Figura 9a mostra um modelo 3D do implante dentário 
usado, indicando as posições onde as imagens de MEV das 
amostras tratadas foram tiradas. O diâmetro do núcleo e da 
rosca do implante foi de 3,05 e 3,67 mm, respectivamente. O 
implante foi padronizado sem alterar a distância de trabalho 
entre a óptica DLIP e o implante. As imagens SEM na Figura 9b, c 
indicam que o padrão de interferência foi fabricado na aresta de 
corte, no flanco do fio e até mesmo na ranhura do fio. Isso pode 
ser explicado pelo grande volume em que o padrão de 
interferência é obtido e que permite a padronização de 
geometrias curvas sem rastrear a ótica ou amostra (Figura 10a). 
A altura total da estrutura no flanco da rosca era 1,04± 0,17 µm, 
demonstrando o potencial deste método para obter superfícies 
funcionalizadas em implantes dentários.
-α -Heu = 2cos- - σ (5)
- 2 -
Onde σ é o diâmetro do feixe.
Figura 8. Comportamento de proliferação de osteoblastos humanos em superfície jateada e atacada com ácido e superfície estruturada com DLIP (Λ = 20 µm). a) Viabilidade 
celular padronizada após 7 dias em meio de cultivo. O valor para a viabilidade celular na superfície jateada e atacada com ácido foi estabelecido em 100%. b) A quantidade de 
células após 7 dias em meio de cultivo.
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Figura 9. a) Um modelo CAD de um implante dentário com posições de imagens SEM tiradas. b – d) Imagens SEM de uma superfície de implante dentário estruturado em 3D: b) 
aresta de corte, c) flanco da rosca ed) imagem ampliada do flanco da rosca.
3. Conclusões tecnologia, os implantes podem ser padronizados nas posições de ponta 
e de flanco da rosca sem óptica de rastreamento ou amostra.
O material a granel de titânio foi padronizado usando DLIP com períodos 
espaciais semelhantes a linhas no intervalo entre 5 e 20 µm. Diferentes 
intensidades de laser entre 0,44 J cm-2 e 2,60 J cm-2 resultou na formação 
diferente da morfologia do padrão. Enquanto na fluência do laser mais baixa, 
estruturas heterogêneas duplas foram formadas, na fluência mais alta 
surgiram estruturas monoperiódicas fechadas. As medições XPS mostraram 
que o tratamento a laser aumentou o conteúdo denitrogênio na camada 
reativa de titânio. Além disso, a seção transversal do feixe de íons reativos 
indicou o desenvolvimento de uma fina camada reativa na superfície e 
pequena microporosidade na morfologia da microestrutura. Os ângulos de 
contato medidos foram ligeiramente mais baixos nas superfícies tratadas com 
laser do que na referência e podem ser explicados pelo modelo de Wenzel, 
bem como pelas mudanças na química da superfície. Avançar, foi demonstrado 
que a viabilidade celular após 7 dias em meio de cultivo em amostras com 
padrão linear foi 16% maior do que em amostras jateadas e acidificadas, 
enquanto o número de células não mudou significativamente. Finalmente, as 
superfícies dos implantes dentários foram padronizadas com 5µperíodo 
espacial m. Com DLIP
4. Seção Experimental
Preparação de amostra: Como substrato, foram usados blanks torneados 
de titânio grau 4 com um diâmetro de 11 mm e uma espessura de 1,6 mm. As 
amostras foram cortadas pelo processo de torneamento usando um 
refrigerante biocompatível e, em seguida, limpas em álcool etílico puro e 
enxaguadas duas vezes com água desmineralizada usando limpeza 
ultrassônica por 10 min cada. Para verificar a remoção do refrigerante, 
medidas de espectroscopia de energia dispersiva de raios-X foram feitas nas 
superfícies de titânio. Para protegê-los de contaminação e danos mecânicos, as 
amostras foram embaladas com película de poliéster-polipropileno 
termosselável MELAfol (EN 868-5) da MELAG Medizintechnik, à prova de 
bactérias. Antes e depois do tratamento a laser, todos os substratos foram 
limpos em álcool etílico puro (C2H5OH) por 5 min em banho ultrassônico.
Padrões de interferência direta de laser: Um esquema da configuração experimental 
usada para tratar os substratos de Ti é mostrado na Figura 10b. Um sistema de laser de 
estado sólido Nd: YAG pulsado (Quanta Ray, Spectra Physics) com um comprimento de onda 
de 532 nm (frequência duplicada), uma duração de pulso de 8 ns e
Figura 10. a) A formação de um volume de interferência pela sobreposição de dois feixes em um implante dentário em forma de parafuso. b) A configuração experimental para 
experimentos de interferência de nanossegundos (configuração do divisor de feixe). O feixe de laser principal é dividido para obter dois feixes de laser individuais interferindo 
na amostra com um ânguloθ.
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foi utilizada uma taxa de repetição de pulso de 10 Hz. O feixe de laser primário 
foi dividido em dois feixes por uma configuração de divisor de feixe e ambos os 
feixes foram sobrepostos na superfície do substrato, gerando matrizes 
semelhantes a linhas. O período espacial variou entre 5 e 20µm. A 
profundidade e morfologia da estrutura foram controladas pela fluência do 
laser, que variou entre 0,44 e 2,6 J cm-2. Informações detalhadas sobre a 
configuração experimental foram publicadas em outro lugar.[18]
Caracterização de Amostra - Topografia de Superfície: A morfologia da 
superfície das amostras tratadas foi analisada usando microscopia 
eletrônica de varredura e microscopia confocal. Para a caracterização do 
SEM, a voltagem do elétron foi ajustada entre 15 e 20 keV para visualizar 
as superfícies de titânio (JSM 6300, Jeol GmbH). O perfil topográfico foi 
medido com o microscópio confocal Sensofar S Neox (Sensofar) com 150× 
objetiva de ampliação e resolução lateral e vertical de 140 e 2 nm, 
respectivamente.
Química de Superfície: A composição química dos substratos de Ti tratados 
e não tratados foi analisada usando XPS. Foi usado um XPS System-PHI 5600-CI 
da Physical Electronics. As amostras foram pulverizadas primeiro durante 5 
min.
Análise transversal: A microestrutura de uma amostra de titânio tratada a 
laser (Λ = 20 µm) foi exibida realizando corrosão iônica reativa com um polidor 
IB-09101 CP da Jeol GmbH. Uma tensão de aceleração de 6 kV e uma corrente 
de íon máxima de 186µA foram usados para polir transversalmente as 
amostras de Ti. Um SEM Camscan Series 2 de alta resolução (Cambridge 
Instruments) foi usado para visualizar a seção transversal.
Medições do ângulo de contato: As medições estáticas do ângulo de contato 
foram realizadas usando um sistema OCA20 (DataPhysics Instruments GmbH). Uma 
gota de água desionizada com um volume de 5µL foi colocado nas superfícies de Ti 
limpas com álcool etílico com uma cânula de 0,25 mm de diâmetro. Inicialmente, a 
gota se constituía no topo da cânula e a seguir colocada na superfície plana. A análise 
foi feita com o módulo de software de ângulo de contato SCA 20 e o método 
“inclinação tangente”.
Proliferação Celular e Testes de Viabilidade: Os testes de proliferação celular e viabilidade 
foram feitos em dez amostras estruturadas a laser com um período espacial(Λ) de 20 µm. 
Como referência, dez TiPure com jato de areia e ataque ácidoMais
(BEGO Implant Systems GmbH & Co. KG) substratos foram utilizados. Como 
células, foram usados osteoblastos humanos (criotubo, Cat. No. 121 0311, 
Provitro GmbH, Berlin, Germany). Eles têm uma taxa de divisão celular de 72 he 
a quarta passagem celular foi usada para o teste. Após 7 dias em meio de 
cultivo (meio de Eagle modificado por Dulbecco (DMEM) com 10% de soro fetal 
de vitela e antibióticos), as amostras foram retiradas. Em seguida, três 
amostras foram analisadas microscopicamente e sete foram utilizadas para 
testes de viabilidade. Os testes de viabilidade foram realizados com WST-1-
Assay em um ELISA-Plate Reader. Primeiro, o meio de cultivo foi removido da 
superfície do substrato e, em seguida, novo meio e WST-1 foram adicionados. 
Após 2,5 h na incubadora, 100µL do líquido foi colocado em tigelas e medido 
por um leitor de placas a 450 e 650 nm. Para microscopia de fluorescência, as 
amostras foram lavadas com solução salina tamponada com fosfato à base de 
água e as células fixadas com paraformaldeído. Triton X-100 foi adicionado 
para tornar a membrana celular permeável aos marcadores de fluorescência. 
Como microscópio, foi usado o microscópio de fluorescência Axio Imager M. 1 
(Carl Zeiss GmbH, Jena Germany). O número de células por unidade de área foi 
determinado com um 10× objetiva correspondente a uma área de 0,587 mm2.
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Reconhecimentos
Este trabalho foi apoiado pela Fundação Alemã de Pesquisa (DFG), Iniciativa de 
Excelência dos governos federal e estadual da Alemanha para promover pesquisa de 
alto nível em universidades alemãs (Grant No. F-003661-553-41A-1132104). 
Agradecimentos especiais são devidos à Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf 
pelos testes de proliferação e viabilidade celular e a Cindy Steiner da Fraunhofer FEP 
pela medição do ângulo de contato.
Recebido: 2 de agosto de 2016 
Revisado: 4 de novembro de 2016
Publicado online:
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