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Osteokonduktive und -induktive Knochenersatzmaterialien – Teil 1

Drucken Von Dr. Dr. Ralf Smeets, Dr. Dr. Andreas Kolk    aktualisiert am 06.05.2011

Autologer Knochen ist aufgrund seiner speziellen Eigenschaften als Transplantationsmaterial unbestritten. Dennoch hat sich im Kopf-Hals-Bereich die Alternative „Knochenersatzmaterial“ mit ihren bestimmten Vorzügen in so großem Maße etabliert, dass der Überblick angesichts der Fülle der auf dem Markt erhältlichen Knochenersatzmaterialien beinahe verloren geht. Mit der Erläuterung der Einteilung wichtiger Materialien nach den 3 Hauptgruppen schafft PD Dr. Dr. Ralf Smeets nachfolgend eine Übersicht, erläutert Vor- und Nachteile der einzelnen Gruppen und stellt gängige Produkte vor. Gleichzeitig werden die Anforderungen an die modernen Knochenersatzmaterialien beschrieben, ohne deren Wissen der Einsatz als Füllstoff bzw. Gerüstmaterial für die Knochenheilung nicht gelingen kann.

Abb. 1: maxgraft® Granulat und Blöcke (oben) und Rasterelektronenmikroskopie maxgraft® (unten).
Abb. 1: maxgraft® Granulat und Blöcke (oben) und Rasterelektronenmikroskopie maxgraft® (unten).
Beiträge zum Thema


In der zahnärztlichen Chirurgie, Implantologie und Parodontologie nehmen die Knochenersatzmaterialien (KEM) einen hohen Stellenwert ein, da sie eine attraktive Alternative zum körpereigenen (autologen) Knochen darstellen. Die Entnahmemorbidität soll vermieden werden, wobei gleichzeitig ein beinahe unbegrenztes Volumen zur Verfügung steht. So werden heute die unterschiedlichsten Defekte mit KEM versorgt10,36,38,63,71,72,86. Im Rahmen von Augmentationen gilt nach wie vor autologer Knochen als Goldstandard. Bei geeigneter Indikationsstellung können jedoch eine Kombination mit KEM mit Eigenknochen oder auch Knochenersatzmaterialien allein vorhersagbare Ergebnisse erzielen. Die Funktionen derzeitig eingesetzter Knochenersatzmaterialien:
  • Platzhalter für Knochenneubildung
  • Vorgabe der aufzubauenden anatomischen Form
  • Stützfunktion für Periost/Membranen
  • Beschleunigung der Knochenneubildung
  • osteokonduktive Leitstruktur für regenerierendes Knochengewebe
  • Trägersubstanz für Antibiotika68, Wachstumsfaktoren55,75,76 oder gentherapeutische Ansätze24,45

Anforderungen an KEM



Den Grundstein für die heutige Entwicklung der Knochenersatzmaterialien legten Barth und Ollier, die um 1890 parallel zueinander tierexperimentelle Untersuchungen zum Thema Knochenersatz mit verschiedenen Materialien durchführten5. Die Anforderungen an ein ideales Knochenersatzmaterial sind jedoch hoch. Dies sind:
  • Biokompatibilität
  • Osteoinduktion (-promotion)/ Osteokonduktion
  • Porosität
  • Belastungsstabilität
  • Resorbierbarkeit
  • Formbarkeit Sterilität
  • stabile, langfristige Integration von Implantaten

Die Biokompatibilität gewährleistet, dass von dem Material keine Toxizität, Teratogenität oder Kanzerogenität ausgeht. Fehlende antigene Eigenschaften verhindern eine immunogene Reaktion. Proinflammatorische Reaktionen oder Abstoßungsreaktionen sollen unterbleiben. Diese Forderungen sind die Basis für eine gute Langzeitverträglichkeit36,70 und werden bevorzugt von synthetischen (alloplastischen) Materialien erfüllt.

Darüber hinaus sollen die Knochenersatzmaterialien die Osteogenese möglichst fördern, das Koagulum stabilisieren, den Defekt auffüllen und zur mechanischen Festigkeit beitragen. Sie fungieren als künstliche extrazelluläre Matrix, um die Neogenese des eigenen Knochens zu unterstützen und den Defektraum zu stabilisieren (osteokonduktive Wirkung)40. Überdies ist eine stimulierende Wirkung auf die osteogenen Zellen wünschenswert, die die Neubildung des Knochens fördert (osteopromotive Wirkung) oder als Optimum sogar die Knochenneubildung dort ermöglicht, wo spontan keine zu erwarten ist (Osteoinduktion). Dies bewirken Zytokine wie z. B. Bone Morphogenic Protein (BMP), die einen Reiz auf die undifferenzierten Mesenchymzellen ausüben. Die Zielsetzung ist hier die Schaffung einer Knochenneubildung, die mit einem direkten Knochenverbund einhergeht.

Die Porosität des Materials ist Voraussetzung für eine durchgängige Vaskularisation des Defektes. Die interkonnektierenden Porositäten sind für Aufbau- und Abbauvorgänge (Resorption) von großer Wichtigkeit21,33. Poren vergrößern die Oberfläche um ein Vielfaches und können bei ausreichendem Durchmesser (> ca. 100 μm) vaskularisiert werden18,43,60. Kleinere Porendurchmesser dienen vorwiegend dem An- und Einwachsen von mineralisiertem Gewebe, Zell-Implantat- Kontakten, sowie der Absorption von extrazellulärer Flüssigkeit14,32. Eine unvollständige Durchbauung des Materials mit Gefäßen kann in bindegewebig umschlossenen Partikeln resultieren. Die Verdichtung des Materials kann zu einer Reduktion bis hin zum Verlust der positiven Eigenschaften der Porosität führen55.
Es werden dem körpereigenen Knochen gleiche biomechanische Eigenschaften und eine einfach zu realisierende Verarbeitung gefordert70. Insbesondere die Formstabilität ist dabei für größere Defekte von entscheidender Bedeutung.
Die Resorbierbarkeit des Materials muss sichergestellt und innerhalb eines nachvollziehbaren Zeitraums der Ersatz mit körpereigenem Knochen vollzogen sein. Dies geschieht entweder zellvermittelt biologisch oder durch chemisch-physikalische Lösungsvorgänge57. Resorption des Knochenersatzmaterials und Aufbau des körpereigenen Knochens sollten im Idealfall hierbei mit gleicher Geschwindigkeit erfolgen, da es sonst zur Ausbildung von bindegewebigen, biomechanisch minderwertigen Strukturen kommt40.
Das Knochenersatzmaterial sollte dem Anwender eine möglichst einfache Verarbeitung bieten, sterilisierbar sein und in einem ausreichenden Maße zur Verfügung stehen. In Zeiten der globalen Finanzkrise gewinnt die Kosteneffizienz einen zunehmenden Stellenwert für die Anwendung in der täglichen Praxis.
Ein dem autogenen Knochen gleichwertiges Knochenersatzmaterial ist aktuell noch nicht realisierbar2. Daher dienen derzeit die KEMs in erster Linie als Füllstoff bzw. Gerüstmaterial (Osteokonduktivität) für die Knochenheilung36,70,77. Idealerweise resultiert die Ausheilung des Defektes mit regeneriertem, vitalem Knochen, ohne dass Fremdkörper verbleiben.

Verschiedene Knochenersatzmaterialien



Die für den Gebrauch im Kopf-Hals-Bereich wichtigen Biomaterialien werden heute in 3 Hauptgruppen entsprechend ihrer Herkunft unterteilt (Tab. 1).
Die 1. Gruppe stellt die der biologisch gewonnenen Materialien dar, welche sich nach ihrer Herkunft weiter in autogen (vom selben Individuum)29,42, 61,71,78, allogen (von derselben Spezies)47 und xenogen (von einer anderen Spezies)84 unterteilen lassen.
Die 2. Gruppe stellt die der synthetischen (alloplastischen) Materialien dar3,13,36,53, welche drei Werkstoffgruppen umfasst: Keramiken, Metalle und Polymere.
Die 3. Gruppe repräsentiert die Verbundmaterialien, die auch als Kompositmaterialien bezeichnet werden7,14,87.

1. Biologische Materialien



Prinzipiell besteht bei biologischen Materialien, mit Ausnahme der autogenen Transplantate, die Gefahr der Krankheitsübertragung und der Antigenität, die sich durch Abstoßung oder Allergie äußern kann.
Autogene Transplantate


Als autogene Transplantate werden körpereigene Transplantate bezeichnet, wobei verschiedenste Spenderregionen zur Verfügung stehen. Man unterscheidet vaskularisierte von avaskulären Transplantaten.
Allogene Knochenersatzmaterialien werden aus Leichen- oder Lebendspenderknochen gewonnen. Dabei wird entweder die mineralische Komponente entfernt, um eine bessere Wirksamkeit der enthaltenen Wachstumsfaktoren zu erzielen. Oder die Aufbereitung beschränkt sich auf die Entfernung potentiell allergener und infektiöser Bestandteile, so dass ein mineralisiertes Grundgerüst verbleibt.
Mineralisierte Knochenmatrix


Bei Maxgraft® (botiss dental; Abb. 1) erfolgt die Entnahme des menschlichen Gewebes nach einem vorgegebenen Entnahmeprotokoll, das alle menschlichen medizinischen, pharmazeutischen und vor allem ethischen Aspekte berücksichtigt. Die Aufbereitung des Gewebes erfolgt unter Einhaltung der höchsten Qualitätsstandards unter Reinraumbedingungen. Bei Maxgraft® handelt es sich nicht um Leichenknochen, sondern um Lebendspender, daher wird jeder Spender per Blutprobe auf mögliche übertragbare Krankheiten (z. B. Hepatitis B und C; HIV; Syphilis) überprüft. Die Freigabe des Gewebes wird von Spender und Kliniker schriftlich bestätigt und somit der höchste Grad an Sicherheit gewährleistet. Maxgraft®-Produkte sind als Granulat oder in Blockform erhältlich. Die natürliche Struktur des mineralisierten Gewebes wird durch den gewebeschonenden Prozess nicht beeinträchtigt. Weitere Anbieter von Allografts sind Zimmer Dental (Puros/Tutoplast) oder das Deutsche Institut für Zell- und Gewebeersatz (DIZG). Diese Anbieter unterscheiden sich durch Herstellverfahren oder durch die Spendergewebe (Leichenknochen).
Demineralisierte Knochenmatrix (DBM)


Demineralisierte Knochenmatrix besteht aus schwammartigem Kollagen humaner Spender, welches dekalzifiziert und sterilisiert wurde. Die trabekuläre Struktur des Originalgewebes bleibt hierbei erhalten und dient als biologisches Gerüst80. Die Wachstumsfaktoren sind nach Entfernung der Knochenmineralien besser verfügbar, daher ist die Osteoinduktivität von DBM höher als die mineralisierter allogener Transplantate25,69. Ein auf dem Markt erhältliches Produkt ist Grafton© (BioHorizons). Es ist als Putty, Block oder flexibles Material erhältlich ist.
Wachstumsfaktoren


Osigraft® (BMP-7) oder OP-1: Osigraft (Stryker) gehört zu den transformierenden Wachstumsfaktoren (TGF-ß), welche Wachstum und Differenzierung von Stammzellen zu verschiedenen Geweben induzieren. Die osteoinduktive Wirkung beruht auf der Aktivierung der körpereigenen Kaskade der Knochenbildung. Kollagen Typ I unterstützt dabei das Material, da es als Gerüst für knochenbildende Zellen dient. Osigraft enthält rekombinantes humanes osteogenes Protein-1 beziehungsweise eptotermin alfa, das bewiesenermaßen osteoinduktiv wirkt. Da in jeder Osigraft-Einheit eine vorgegebene Menge eptotermin alfa enthalten ist, kann man eine vorhersagbare und konsistente Dosisantwort beim Empfänger erwarten. Osigraft hat bisher noch keine Zulassung für den dentalchirurgischen Anwendungsbereich.

Inductos/Infuse (medtronic) ist ein Wachstumsfaktor (BMP-2) in Kombination mit einem Kollagenvlies. Dieses Humanprotein wird rekombinant hergestellt und ist auf dem US-Markt erhältlich. Noch ist unklar, ob und wann es auch auf dem europäischen Markt erhältlich sein wird.

Lesen Sie weiter:
Osteokonduktive und -induktive Knochenersatzmaterialien – Teil 2

Lesen Sie weiter:
Osteokonduktive und -induktive Knochenersatzmaterialien – Teil 3

Lesen Sie weiter:
Osteokonduktive und -induktive Knochenersatzmaterialien – Teil 4

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Tab. 1: Einteilung der Knochenersatzmaterialien  

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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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