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Implantatoberflächen – Stand der Technik – Teil 2

Drucken Von Dr. Falko Schlottig    aktualisiert am 10.05.2010

Abb. 4: Applikator zur Oberflächenkonditionierung (Apliquiq – Thommen Medical).
Abb. 4: Applikator zur Oberflächenkonditionierung (Apliquiq – Thommen Medical).
Beiträge zum Thema

Veränderte Oberflächenchemie verändert Osseointegration



Bei der Verwendung von Beschichtungen ist häufig nicht klar, ob das veränderte Osseointegrationsverhalten durch die mit der Beschichtung verbundene
Abb. 5: Schematische Darstellung und Einteilung des Wasserkontaktwinkels auf moderat rauen Oberflächen.
Abb. 5: Schematische Darstellung und Einteilung des Wasserkontaktwinkels auf moderat rauen Oberflächen.
Abb. 6: Benetzungsexperiment mit einem Implantat mit sandgestrahlter und thermisch säuregeätzter Oberfläche im Vergleich zu einem Implantat mit konditionierter, sandgestrahlter und thermisch säuregeätzter Oberfläche.
Abb. 6: Benetzungsexperiment mit einem Implantat mit sandgestrahlter und thermisch säuregeätzter Oberfläche im Vergleich zu einem Implantat mit konditionierter, sandgestrahlter und thermisch säuregeätzter Oberfläche.
Veränderung in der Topografie oder durch die veränderte Oberflächenchemie verursacht wird18. Daher wird versucht, die Oberflächenchemie zu optimieren respektive leicht zu modifizieren, ohne die Topografie der klinisch bewährten, durch Sandstrahlen und thermisches Säureätzen hergestellten „Goldstandard“-oberflächen zu verändern.

Ein dazu kommerziell angewendeter Weg ist die Lagerung der Oberfläche in einer Lösung aus Natriumchlorid. Durch diesen sehr aufwendigen Herstellungs- und Lagerungsprozess wird eine gut benetzbare Implantatoberfläche bei gleicher Oberflächentopografie konserviert. Die Osseointegration kann durch diese verbesserte Benetzbarkeit beschleunigt und eine höhere Implantatstabilität in der frühen Phase der Osseointegration erhalten werden19, wie Tierstudien und erste klinische Daten zeigen20,21. Allerdings verschlechtern sich die Benetzungseigenschaften der Implantatoberfläche bei längerem Luftkontakt. Um diesen Nachteil zu umgehen, wurde eine andere Variante zur chemischen Oberflächenmodifikation, für eine bessere Benetzbarkeit der Implantatoberfläche, bis zur Marktreife entwickelt. Dabei wird die Implantatoberfläche direkt vor der Implantation in einer schwach basischen Lösung in einem Applikator (Abb. 4) konditioniert, ohne die bewährte Oberflächentopografie zu modifizieren. Durch die Konditionierung wird die Oberflächenenergie erhöht und damit eine sehr gut benetzbare – superhydrophile – Oberfläche erhalten. Superhydrophile Oberflächen zeigen einen Wasserkontaktwinkel von weniger als 5 Grad. Eine hydrophile Oberfläche wird im Vergleich dazu über einen Kontaktwinkel von 90 Grad oder weniger beschrieben (Abb. 5 u. 6). Die Oberflächenenergie und die in Verbindung mit der Topografie daraus resultierenden Benetzungseigenschaften spielen eine entscheidende Rolle in der primären Interaktion eines Implantats mit dem physiologischen Umfeld22. Eine durch präoperative Konditionierung des Implantates erzeugte superhydrophile Oberfläche bildet spontan einen kompletten Primärkontakt mit der physiologischen Umgebung. Dies kann über Proteinadsorption auf den Oberflächen simuliert und untersucht werden. So zeigen fluoreszenzmikroskopische Aufnahmen eines Modellsubstrats den Primärkontakt nach Zugabe einer Proteinlösung. Der auf der superhydrophilen Oberfläche gebildete Proteinfilm ist homogen und vollständig ausgebildet. Im Gegensatz dazu zeigt die nicht konditionierte, sandgestrahlte und thermisch säuregeätzte Oberfläche aufgrund von nicht benetzten Oberflächenbereichen einen unvollständigen und inhomogenen Proteinfilm (Abb. 7). Die verbesserte und homogene Adsorption von Proteinen an einer superhydrophilen Oberfläche
Abb. 7: Fluoreszenzmikroskopische Aufnahme eines Proteinfilms auf Modellsubstraten (links – sandgestrahlt, thermisch säuregeätzte Oberfläche, im Vergleich zu einer – rechts – konditionierten, sandgestrahlten, thermisch säuregeätzten Oberfläche), fünf Minuten nach Primärkontakt mit Proteinlösung.
Abb. 7: Fluoreszenzmikroskopische Aufnahme eines Proteinfilms auf Modellsubstraten (links – sandgestrahlt, thermisch säuregeätzte Oberfläche, im Vergleich zu einer – rechts – konditionierten, sandgestrahlten, thermisch säuregeätzten Oberfläche), fünf Minuten nach Primärkontakt mit Proteinlösung.
führt zu einer schnelleren Osseointegration, wie verschiedene Studien zeigen23,24.

Weitere Möglichkeiten zur Erhöhung der Oberflächenenergie, um die Benetzbarkeit von Implantatoberflächen zu verbessern, sind die Plasmabehandlung25 und die Bestrahlung der Oberfläche mit UV-Licht26. Beide Verfahren werden im Moment kommerziell nicht angewendet.

Die Forschungsarbeiten und Studien zu biologisierten und pharmazeutisch modifizierten Oberflächen, zur Verbesserung der Osseointegration, zeigen tierexperimentell vorteilhafte Ergebnisse, welche in weiteren Studien in den nächsten Jahren noch belegt werden müssen. So zeigen Studien an mit Komponenten der extrazellulären Matrix beschichteten Implantaten (Abb. 8) bessere Einheilungstendenzen im Vergleich zu unbeschichteten Implantaten27,28. Dies scheint in Übereinstimmung mit der von Davies
Abb. 8: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von einer mit Komponenten der extrazellulären Matrix (Kollagen I + Chondroitinsulfat) beschichteten Oberfläche in steigender Vergrößerung.
Abb. 8: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von einer mit Komponenten der extrazellulären Matrix (Kollagen I + Chondroitinsulfat) beschichteten Oberfläche in steigender Vergrößerung.
aufgezeigten Theorie zum Einheilverhalten zu stehen. Pharmazeutische Modifizierungen mit Wachstumsfaktoren, wie Bone Morphogenic Protein (BMP-2), zeigen sowohl verbessertes als auch verschlechtertes Einwachsverhalten von Implantaten29,30. Da BMP-2 zusätzlich den Knochenabbau aktiviert, kann eine derartige Beschichtung sogar die Osseointegration reduzieren31. Neben den potenziell hohen Kosten solcher Oberflächenmodifizierungen sind noch viele präklinische Arbeiten zum Verständnis der Wirkungsweise und zur Optimierung notwendig.

Fazit



Die kommerziell erfolgreichen Implantatsysteme haben heute meistens eine optimierte und reproduzierbare Oberflächentopografie. Im Gegensatz dazu verfügen nur zwei kommerziell erhältliche Implantatsysteme (der Firmen Thommen Medical AG und Straumann AG) über eine optimierte und reproduzierbare Oberflächenchemie, welche zu einer verbesserten Benetzung und damit einem homogeneren Blutkontakt der Implantatoberfläche führt. Daraus ergibt sich eine beschleunigte Osseointegration dieser Implantate mit der Möglichkeit einer früheren Belastung.

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Implantatoberflächen – Stand der Technik – Teil 1

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Abb. 5: Schematische Darstellung und Einteilung des Wasserkontaktwinkels auf moderat rauen Oberflächen.   Abb. 6: Benetzungsexperiment mit einem Implantat mit sandgestrahlter und thermisch säuregeätzter Oberfläche im Vergleich zu einem Implantat mit konditionierter, sandgestrahlter und thermisch säuregeätzter Oberfläche.   Abb. 7: Fluoreszenzmikroskopische Aufnahme eines Proteinfilms auf Modellsubstraten (links – sandgestrahlt, thermisch säuregeätzte Oberfläche, im Vergleich zu einer – rechts – konditionierten, sandgestrahlten, thermisch säuregeätzten Oberfläche), fünf Minuten nach Primärkontakt mit Proteinlösung.   Abb. 8: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von einer mit Komponenten der extrazellulären Matrix (Kollagen I + Chondroitinsulfat) beschichteten Oberfläche in steigender Vergrößerung.  

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Dr. Falko Schlottig

Dr. Falko Schlottig

Thommen Medical AG

Hauptstrasse 26d

CH-4437 Waldenburg

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