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Implantatoberflächen – Stand der Technik – Teil 1

Drucken Von Dr. Falko Schlottig    aktualisiert am 31.01.2011

Für die Implantatverankerung und die Implantatverträglichkeit an der Grenzfläche Implantat/angrenzendes Gewebe hat die Implantatoberfläche eine große Bedeutung. Der Erfolg und die Geschwindigkeit der Osseointegration werden maßgeblich durch die Oberfläche des Implantates beeinflusst. Mithilfe einer idealen Implantatoberfläche können die biologischen Reaktionen zwischen Implantat und Knochen optimiert und damit eine frühzeitigere funktionelle Belastung der Implantate erreicht werden.

Abb. 1: Verankerung eines Fibrinnetzwerks (weiß gefärbt) mit Erythtozyten (rötlich gefärbt) auf einer moderat rauen (sandgestrahlt, thermisch säuregeätzt) Oberfläche (Thommen Medical), © Martin Oeggerli 2008.
Abb. 1: Verankerung eines Fibrinnetzwerks (weiß gefärbt) mit Erythtozyten (rötlich gefärbt) auf einer moderat rauen (sandgestrahlt, thermisch säuregeätzt) Oberfläche (Thommen Medical), © Martin Oeggerli 2008.
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Nach dem Einbringen eines Implantates werden sofort komplexe biologische Vorgänge zwischen dem umgebenden Gewebe und der Implantatoberfläche ausgelöst. Die ablaufende Wund- und Knochenheilung kann nach einem Vorschlag von Davies1,2 in drei Phasen eingeteilt werden. Während der ersten und wichtigsten Heilungsphase bildet sich beim initialen Blutkontakt ein Fibrinnetzwerk (Abb. 1) auf der Implantatoberfläche aus. Damit ist die Thrombozytenaggregation und Blutgerinnung verbunden. Das dabei entstehende Blutkoagulum ist eine wichtige Matrix für die Invasion und Migration osteogener Zellen an die Implantatoberfläche und spielt damit eine entscheidende Rolle bei der Wundheilung und Osseointegration3. Die osteogenen Zellen differenzieren an der Oberfläche des Implantates und regen nach Davies – durch die Bildung einer knochenspezifischen extrazellulären Matrix (Kollagen) auf der Implantatoberfläche – die Bildung von neuen Knochen an. Im nächsten Schritt bildet sich eine mineralisierte Grenzfläche aus. Diese ist nach Davies äquivalent zur dünnen, kollagenfreien Schicht auf der Außenseite eines Osteons im natürlichen Knochengewebe. In der dritten, langsamen Heilungsphase wird der Knochen umgebaut, bis er seine finalen lasttragenden Eigenschaften erreicht hat. Die für die drei Heilungsphasen benötigte Zeit wird als Osseointegrationszeit bezeichnet und beschreibt die Zeit, in welcher sich die Knochensubstanz dauerhaft und in genügender Stärke mit der Implantatoberfläche verbindet.

Stand der Technik



Implantatoberflächen können über ihre topografischen, chemischen und biologischen Eigenschaften beschrieben werden. Die kommerziell erfolgreichen Implantatsysteme verfügen meist über eine optimierte und reproduzierbare Oberflächentopografie. Nur wenige kommerzielle Implantatsysteme besitzen dagegen eine optimierte und reproduzierbare Oberflächenchemie. Biologisierte oder pharmazeutisch modifizierte Oberflächen sind ein Schwerpunkt vieler Forschungsarbeiten und Studien, aber bisher noch nicht kommerziell erhältlich.

Abb. 2: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen einer sandgestrahlten, thermisch säuregeätzten Oberfläche in steigender Vergrößerung (Thommen Medical).
Abb. 2: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen einer sandgestrahlten, thermisch säuregeätzten Oberfläche in steigender Vergrößerung (Thommen Medical).
Der Zusammenhang zwischen Oberflächentopografie und erfolgreicher Osseointegration wurde in den letzten drei Jahrzehnten intensiv untersucht und ist heute gut beschrieben. Wennerberg und Albrektsson zeigen in einer grundlegenden Arbeit4 und einer aktuellen Vereinbarung der European Association of Osseointegration (EAO)5, dass Implantate mit glatten (Sa < 0,5 μm) oder leicht rauen Oberflächen (Sa = 0,5–1 μm) eine schlechtere Osseointegration aufweisen als Implantate mit moderat rauen (Sa = 1–2 μm) und rauen Oberflächen (Sa > 2 μm). Moderat raue Oberflächen führen im Vergleich zu Implantaten mit rauen Oberflächen zu einer besseren Knochenanlagerung. Ein Review von klinischen und Tierstudien von Shalabi et alvi6 bestätigt diese Aussagen.

Aufgrund von Resultaten aus klinischen Studien und Erfahrungen haben moderat raue Implantatoberflächen fast komplett die maschinierten Oberflächen ersetzt. Unter den Technologien zur Modifikation der Oberflächentopografie werden subtraktive Verfahren, wie Sandstrahlen, Säureätzen oder eine Kombination von beiden, gegenüber den additiven Verfahren, wie Titan-, Plasma- oder Hydroxylapatit- Beschichtungen, bevorzugt. Mehrheitlich wird die moderat raue Oberfläche, welche durch Sandstrahlen und thermisches Säureätzen hergestellt wird (Abb. 2), als „Goldstandard“ für die Modifikation von Dentalimplantatoberflächen bezeichnet7,8,9.

Der direkte Vergleich verschiedener Implantatoberflächen bei gleicher Implantatgeometrie bestätigt den Vorteil sandgestrahlter und thermisch säuregeätzter Oberflächen im Vergleich zu anderen moderat mikrorauen Oberflächen10,11. Neben der Oberflächentopografie kann die Osseointegration des Implantates durch chemische Modifizierungen oder Beschichtungen der Oberfläche verändert werden. Dabei werden die chemischen Eigenschaften der meisten Implantatoberflächen durch die chemischen Eigenschaften von Titandioxid bestimmt, da Reintitan eines der am häufigsten verwendeten
Abb. 3: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von einer mit Calciumphosphatphasen (Brushit) beschichteten Oberfläche in steigender Vergrößerung.
Abb. 3: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von einer mit Calciumphosphatphasen (Brushit) beschichteten Oberfläche in steigender Vergrößerung.
Materialien für Dentalimplantate ist und eine stabile Oxidschicht an der Oberfläche bildet. Die bei der Produktion der Implantate angewendeten Oberflächenbearbeitungsprozesse hinterlassen oft chemische Rückstände auf der eigentlichen Implantatoberfläche, wie beispielsweise vom Ätzen12, vom Sandstrahlen oder von bei Reinigungsprozessen verwendeten Waschmitteln. So zeigen Massaro et al. mithilfe von oberflächensensitiven analytischen Methoden an fünf kommerziellen Implantatsystemen verschieden starke chemische Oberflächenverunreinigungen auf13. Derartige Rückstände können das Einwachsen der Implantate negativ beeinflussen und zu vermehrten Implantatverlusten beitragen14.

Mit Beschichtungen kann die Oberflächenchemie gezielt verändert werden. Verschiedene organische und anorganische Beschichtungen wurden mit dem Ziel entwickelt, die chemische Zusammensetzung der Implantatoberfläche zu optimieren. So können Implantate beispielsweise mit verschiedenen Calciumphosphat-Phasen beschichtet werden. Diese Calciumphosphat-Phasen (Abb. 3) werden innerhalb von 6–10 Wochen postoperativ durch jungen Knochen ersetzt15. Im Vergleich zu sandgestrahlten und thermisch säuregeätzten Oberflächen ist für diese Beschichtungen jedoch kein Vorteil erkennbar16,17.

 

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Implantatoberflächen – Stand der Technik – Teil 2

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Abb. 2: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen einer sandgestrahlten, thermisch säuregeätzten Oberfläche in steigender Vergrößerung (Thommen Medical).   Abb. 3: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von einer mit Calciumphosphatphasen (Brushit) beschichteten Oberfläche in steigender Vergrößerung.  

Literaturverzeichnis

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Dr. Falko Schlottig

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