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Osteokonduktive und -induktive Knochenersatzmaterialien – Teil 4

Drucken Von Dr. Dr. Ralf Smeets, Dr. Dr. Andreas Kolk    aktualisiert am 06.07.2010

Abb. 6: Rasterelektronenmikroskopie von NanoBone-Partikeln und NanoBone®.
Abb. 6: Rasterelektronenmikroskopie von NanoBone-Partikeln und NanoBone®.
Beiträge zum Thema

3. Kompositmaterialien



Komposite biosynthetischer Transplantate be-stehen aus einem Trägermaterial, das als osteokonduktives Gerüst dient, kombiniert mit osteogenen Zellen und/oder Wachstumsfaktoren48,81. Im idealen Fall weist ein Komposit sowohl osteokonduktive als auch osteogene und/oder osteoinduktive Aktivitäten auf19,75,76.

Aufgrund der unzähligen Kombinationsmöglichkeiten zwischen anorganischen und organischen Komponenten ist keine Unterteilung der Komposite möglich67,74. Nach zahlreichen bisher entwickelten und ständig neu entstehenden Kompositen ist man immer noch auf der Suche nach einem geeigneten, vollständigen Ersatz für das autogene Knochentransplantat67,81.

Cornell und Lane17 entwickelten ein Komposit aus einer Kombination aus Kollagen, Knochenmark und Keramiken, mit dem 90 % der Defekte überbrückt werden konnten. Erste klinische Ergebnisse lassen vermuten, dass dieses Konstrukt ein hocheffektives Knochenersatzmaterial darstellt12,13. Dieses Komposit wird als eine Alternative zu autogenem Transplantat bei frischen Frakturen des Menschen untersucht81.

NanoBone® (Artoss GmbH; Abb. 6) ist ein relativ neues Kompositmaterial, das im Gegensatz zu konventionellen Hydroxylapatitkeramiken, welche durch Sinterung bei Temperaturen zwischen 1.100–1.500 °C erzeugt werden (wodurch ein sehr dichtes, kaum poröses, nicht abbaubares Material entsteht), im sogenannten Sol-Gel-Verfahren ohne Sinterungsprozess hergestellt wird. NanoBone® besteht zu 76 Gew.-% aus nanokristallinem Hydroxylapatit (HA) und zu 24 Gew.-% aus Siliziumdioxid (SiO2). Siliziumdioxid bewirkt ein Anheften körpereigener Proteine an die große Oberfläche, wodurch die Kollagen- und Knochenbildung, also das Remodelling, gefördert werden. Das Siliziumdioxid ist ein wichtiger Aufbaustoff für Kollagen und Knochen. Durch die hohe Porosität („Tannenzapfenstruktur“) und die dadurch bedingte lockere Packung des Granulats beträgt der Feststoffgehalt nur ca. 20 Vol.-%. Trotz der hohen Porosität besitzt NanoBone eine relativ hohe mechanische Bruchfestigkeit von ca. 40 MPa. Dieses rein synthetische Material nimmt sofort körpereigene Proteine in die Nanoporen auf und wird osteoklastär abgebaut. Tierexperimentell konnte nach 5 Wochen die Bildung von neuem trabekulärem Knochen beobachtet werden, wo- hingegen nach 8 Monaten das Material nahezu vollständig durch Osteoklasten abgebaut war1,6.

Fortoss Vital™ stellt ein resorbierbares, vollsynthetisches, osteokonduktives KEM aus porösem Calciumphosphat und Calciumsulfat dar. Das biphasische Komposit besitzt eine visköse formbare Konsistenz. Die Resorption des Calciumsulfates (führt zu Makroporositäten) zieht Zellen und interstitielle Flüssigkeit an. Dies führt zur Freilegung von Calciumphosphatpartikeln, die durch Osteoblasten umgebaut werden75,76. easy-graft™ (Degradable Solutions; Abb. 7) besteht aus zwei Komponenten: einem Granulat (Spritze) und einem BioLinker™. Nach dem Anmischen ist easy-graft™ pastös und lässt sich direkt aus der Spritze in den Defekt einbringen. Im Kontakt mit Körperflüssigkeiten härtet easygraft ™ innerhalb von Minuten aus und bildet einen stabilen, aber dennoch porösen Formkörper. easygraft ™ ist biokompatibel und osteoregenerativ. Für phasenreines ß-TCP und PLGA in geeigneter Darreichungsform sind Entzündungsreaktionen oder immunologische Abwehrreaktionen bekannt. Die Reinheit der ß-Phase des TCP erlaubt einen vollständigen Abbau des Implantatmaterials im Körper30. Nach dem Einbringen in den angefrischten Knochendefekt füllt sich das Porenvolumen mit Blut, wodurch für die Heilung förderliche Faktoren bereitgestellt werden. Gewebe und Knochen können in das Augmentationsmaterial einwachsen. Parallel zur Ossifikation wird easygraft ™ langsam resorbiert, wodurch Calcium und Phosphat lokal freigesetzt werden. Nach Herstellerangaben soll das Material innerhalb von 9 bis 15 Monaten vollständig durch Knochen ersetzt werden. Erste tierexperimentelle Ergebnisse an Calvariadefekten von Kaninchen können die Effizienz dieses Kompositmaterials auch im Vergleich mit klassischen, xenogenen Materialien bestätigen73.

Mittlerweile gibt es ein easy-graft® CRYSTAL, pastös und mittels einer Spritze applizierbar. Es ist ebenfalls zu 100 % synthetisch, enthält aber nun zusätzlich eine Hydroxylapatitkomponente (60 % HA, 40 % ß-TCP), wodurch die Resorptionseigenschaften verbessert werden sollen. Für easygraft®CRYSTAL liegen keine kontrollierten Studienergebnisse vor, weshalb zur Wirksamkeit bisher noch keine Aussagen getroffen werden können.
Abschließende Bewertung der KEM-Indikation


Abb. 7: Das Füllmaterial easy-graft™.
Abb. 7: Das Füllmaterial easy-graft™.
Knochenersatzmaterialien können in Kombination mit autologem Knochen ein ausreichendes Knochenlager schaffen, sind aber allein nur indikationsabhängig klinisch einsetzbar. Insbesondere im Rahmen der Sinusbodenaugmentation sowie zur Augmentation mehrwandiger Defekte können sie erfolgreich verwendet werden. Im Bereich absoluter vertikaler oder horizontaler Kieferkammaugmentationen sollten sie nur zur quantitativen Ergänzung von körpereigenem Material Einsatz finden.

Fazit und Ausblick



Für notwendige Augmentationen z. B. zur Schaffung eines suffizienten periimplantären Knochenlagers werden autologer Knochen und bei geeigneter Indikation auch Knochenersatzmaterialien eingesetzt. Humane allogene Materialien gehen bei guter Biokompatibilität mit dem Risiko von HIV-, HCV- und Prionentransmission einher. Die aktuell verfügbaren osteokonduktiven Materialien auf Hydroxylapatit-  und Tricalciumphosphat- Basis weisen eine vergleichbar gute Biokompatibilität, jedoch eine unterschiedliche mechanische Stabilität auf und lassen eine osteoinduktive Wirksamkeit vermissen. Die Modifikation von Knochenersatzmaterialien durch bioaktive Oberflächen beschleunigt die ossäre Integration und erweitert das Einsatzspektrum. Hochgradig wirksame osteoinduktive Wachstumsfaktoren, z. B. aus der BMP-Familie, können zu einer schnellen Defektregeneration führen, allerdings entspricht die kurzfristig induzierte Knochenqualität aufgrund nicht ausreichender Vaskularisation nicht immer den mechanischen Ansprüchen der Defektregion. Klinische Studien zur Dosis-Wirkungs-Beziehung und damit zur Optimierung der notwendigen Zytokinkonzentration stehen noch aus. Mögliche zukünftige Lösungswege stellen deshalb Kombinationen verschiedener osteogener und gefäßbildender Wachstumsfaktoren dar. Andere Ansätze verfolgen die Verwendung von Plasmiden, also der DNA der gewünschten Zytokine24. Um sämtliche Sicherheitsbedenken hinsichtlich der Integration ins Zellengenom mit potenzieller Mutagenese auszuräumen, kann zukünftig auch siRNA anstelle der DNA verwendet werden. Das Tissue Engineering von Knochen unter Einsatz osteogen differenzierter mesenchymaler Stammzellen stellt auch in Verbindung mit mikrochirurgischen Transplantaten eine Perspektive für die Zukunft dar. Zur erfolgreichen Invitro- Knochendifferenzierung und Maturation fehlen allerdings derzeit noch aussagekräftige Grundlagenarbeiten insbesondere mit Berücksichtigung des Einflusses pleiotroper Zytokine, spezifischer Transkriptionsfaktoren und Osteoprogenitorzellen.

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Abb. 7: Das Füllmaterial easy-graft™.  

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Dr. Dr. Ralf Smeets

Dr. Dr. Ralf Smeets

Klinik für Zahn-, Mund-, Kiefer- und Plastische Gesichtschirurgie Universitätsklinikum der RWTH Aachen

Interdisziplinäres Zentrum für klinische Forschung „BIOMAT.“

Tel.: 0241 80-89929

E-Mail: rasmeets@ukaachen.de

Dr. Dr. Andreas Kolk

Klinik und Poliklinik für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie der Technischen Universität München Klinikum rechts der Isar

Ismaninger Straße 22

81675 Münche

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