Zirkonoxidimplantate – wieso, weshalb, warum

Titanimplantate haben sich über viele Jahrzehnte bewährt. Der Wunsch nach metallfreien Versorgungen rückt derzeit allerdings Zirkonoxidimplantate zunehmend in den Fokus. Der Werkstoff Zirkonoxid hat sich in der Klinik bewährt, anfängliche Misserfolge aufgrund von Frakturen und Implantatlockerungen werden mit ausgereiften Systemen heute nicht mehr beobachtet. Sorgfältig durchgeführte klinische Untersuchungen zeigen, dass Osseointegration und Erfolgsrate mindestens so gut sind wie bei Titanimplantaten. Subjektiv entsteht bei den Anwendern der Eindruck, dass der Heilungsprozess des Weichgewebes um Zirkonoxidimplantate im Vergleich zu Titanimplantaten beschleunigt ist. Die prothetische Flexibilität ist bei Zirkonoxidimplantaten Gegenstand der weiteren Optimierungsschritte. Im Folgenden wird Zirkonoxid als Implantatmaterial unter verschiedenen Aspekten detailliert beleuchtet und anhand der aktuellen Datenlage kritisch bewertet.

Die moderne Zahnmedizin bietet zahlreiche Varianten, um fehlende Zähne funktionell und ästhetisch optimal zu ersetzen. Seitens der Patienten steht häufig der Wunsch nach festsitzendem Zahnersatz im Vordergrund. Die implantatgetragene Versorgung ist in diesem Zusammenhang eine wichtige Behandlungsoption. Bedingt durch die Erfolge in der Prophylaxe und die damit verbundenen Fortschritte bei der Erhaltung der Zähne rückt die Versorgung von Einzelzahnlücken in der Implantologie immer stärker in den Fokus. Bis vor Kurzem war Titan das einzige klinisch akzeptierte Implantatmaterial und damit der Goldstandard. Der Grund für den Erfolg von Titan ist in seinem chemischen Verhalten zu suchen. Titan ist zwar ein unedles Metall und damit eigentlich korrosionsanfällig. Aber Titan hat eine starke Affinität zu Sauerstoff und geht mit ihm eine sehr stabile Bindung ein. Binnen eines Bruchteils einer Sekunde wird eine metallische Titanoberfläche mit einer kompletten Oxidschicht überzogen, die bis auf einige Nanometer anwächst. Eine solche Oxidschicht passiviert die metallische Oberfläche und macht sie chemisch stabil. Daraus resultiert die Biokompatibilität des Titans. Jahrzehntelange Erfahrungen und gute Erfolgsraten von deutlich über 90 % in 5–10 Jahren [2,16] belegen, dass die Versorgung mit Titanimplantaten eine sichere Behandlungsoption darstellt.

Schon in den frühen Jahren der Implantologie, gehäuft allerdings erst in den letzten Jahren, werden aber auch Untersuchungen zur Frage publiziert, ob Titan möglicherweise Unverträglichkeitsreaktionen auslösen kann. Da Unverträglichkeitsreaktionen erst dann auftreten können, wenn Bestandteile des Materials in Lösung gehen und mit dem Stoffwechsel interferieren, muss die Frage nach einer möglichen Korrosion des Titans gestellt werden. Eine Korrosion wird grundsätzlich durch die Kombination verschiedener Metalle und Legierungen gefördert. Das bestehende Risiko bei Titanimplantaten wurde tatsächlich in vielen Laborstudien bestätigt [5,19,28,29]. Wichtiger als die genannten Laborstudien ist in diesem Zusammenhang eine Tierstudie mit Affen, die durchgeführt wurde, um zu überprüfen, ob auch in vivo eine Korrosion nachweisbar ist [8]. Den Affen wurden im Unterkiefer auf jeder Seite zwei Titanimplantate gesetzt und vier Monate nach der Einheilung entweder mit Kronen aus Titan oder aus einer Goldlegierung versorgt. Zwei Monate nach funktioneller Belastung wurden die Tiere geopfert und sowohl histologische Schnitte zur Bestimmung des Knochen- Implantat-Kontakts als auch Elementanalysen im periimplantären Gewebe durchgeführt. Es zeigte sich, dass die Kombination von Goldlegierung und Titan keinen negativen Einfluss auf die Osseointegration hatte, der Knochen-Implantat- Kontakt war identisch mit demjenigen von Implantaten, die mit Titankronen versorgt waren. Allerdings fanden sich im periimplantären Gewebe von Implantaten, die mit Kronen aus der Goldlegierung versorgt waren, Spuren von Titan, dem vergleichsweise unedleren Metall. Damit wurde eindeutig nachgewiesen, dass Titanimplantate in ungünstigen Situationen korrodieren können.

Klinisch ist die Korrosion von Titan durchaus relevant, wie die im Folgenden beschriebene Situation zeigt (Abb. 1a–c). Die Patientin erhielt eine abnehmbare, mittels Konuskronen auf vier Titanimplantaten in der Unterkieferfront und mittels Auflagen auf den zwei noch erhaltungswürdigen Zähnen 34 und 46 abgestützte abnehmbare Brücke. Um die Kombination verschiedener Metalle zu vermeiden, wurde das Gerüst der Brücke aus Titan gefertigt. Dennoch klagte die Patientin über persistierenden Metallgeschmack. Die Ursache war in diesem Fall schnell gefunden: Um die Gleiteigenschaften zu verbessern, waren die Außenkronen auf der Innenseite mit einer dünnen Goldschicht ausgekleidet worden. Die Sondierungstiefen waren regio 32/33 erhöht und es kam zu Pusaustritt aus den Taschen. In der abnehmbaren Brücke fand sich an der korrespondierenden Stelle eine bräunliche Verfärbung, die auf Korrosion hindeutete, was den Metallgeschmack erklärte. Obwohl hier in guter Absicht und mit hochwertigen Metallen – Titan und Gold – gearbeitet wurde, ist das Ergebnis ein biologischer Misserfolg, weil durch den bakteriellen Stoffwechsel lokal ein saures Milieu entstanden ist, das – intensiviert durch eine Spaltkorrosion – zu einer lokalen Destabilisierung des Oxidfilms und einer wenn auch schwachen Korrosion mit Auflösung des Titans und Ablagerung von Reaktionsprodukten des Titans auf der als Kathode wirkenden Goldschicht führte. Dass eine solche Reaktion bei sensiblen Patienten zu Metallgeschmack führen kann, ist nachgewiesen [14]. In der Literatur ist ein Fall beschrieben, bei dem Korrosion sogar als Ursache einer Implantatfraktur angesehen wird, weil Nickelionen aus der Suprastruktur nachweislich in Lösung gegangen waren und zur Knochenresorption geführt hatten. Die mechanische Stabilität des Implantates war durch den Rückgang des Knochenniveaus reduziert, was dann über einen Zeitraum von vier Jahren zu einem Ermüdungsbruch geführt hat [27]. Freigesetzte Metallionen können grundsätzlich auch auf zellulärer Ebene wirken und den Zellmetabolismus beeinflussen. Titanionen scheinen einen Einfluss auf den Knochenstoffwechsel zu haben, indem sie die Differenzierung von Monozyten zu reifen Osteoklasten fördern [3] und auch durch eine Stimulierung der Bildung von RANK-L in T-Lymphozyten die Umwandlung von Osteoklasten-Precursor-Zellen zu Osteoklasten induzieren [4]. Beides führt zu einer gesteigerten Aktivität der Knochenabbauprozesse.

Weiterhin wird über den Transport von Titanpartikeln berichtet, die sich durch die mechanische Einwirkung beim Eindrehen von der Oberfläche des Implantates lösen und in regionalen Lymphknoten akkumuliert werden [30]. Generell ist in der rekonstruktiven Zahnmedizin ein Trend zur Vermeidung von Metallen zu beobachten. Patienten wünschen einerseits ästhetische Lösungen und unter diesem Aspekt sind metallische Werkstoffe den Keramiken natürlich unterlegen. Es gibt aber auch eine stetig wachsende Zahl von Patienten, die aus biologischen Überlegungen heraus keine metallischen Werkstoffe in der Mundhöhle wünschen. Keramikimplantate werden deshalb zunehmend als Alternative zu Titanimplantaten wahrgenommen. Das einzige keramische Material, das derzeit die Anforderungen an Festigkeit, Biokompatibilität und Ästhetik erfüllt, ist Zirkonoxid.

Zirkonoxid als Implantatmaterial

Zirkonoxid ist das Oxid des Elementes Zirkonium, die chemische Formel lautet ZrO₂. Zirkonium selbst ist ein metallisches Nebengruppenelement, es steht im Periodensystem direkt unter Titan. In der Verbindung mit Sauerstoff verliert das Zirkonium allerdings vollständig seine metallischen Eigenschaften. Es ist leider vielfach nicht verstanden, dass Keramiken, auch wenn sie unter anderem aus Metallatomen aufgebaut sind, aufgrund der Bindung mit Nichtmetallen, wie in diesem Falle Sauerstoff, völlig andere und vor allem keine metallischen Eigenschaften mehr besitzen. Die Bindung zwischen Zirkonium und Sauerstoff ist so fest, dass Zirkonoxid extrem stabil gegen Angriffe durch Säuren oder Basen ist. Daraus resultieren die hohe Korrosionsresistenz und die hervorragende Biokompatibilität [11,18]. Zirkonoxid ist die derzeit mechanisch und chemisch stabilste zahnfarbene Keramik mit Biegefestigkeiten von deutlich über 1.000 MPa. Zum Vergleich: Andere Dentalkeramiken haben Biegefestigkeiten von etwa 100 MPa (Verblendmassen) bis etwa 400 MPa (zirkonoxidverstärkte Lithiumsilikat-Glaskeramik). Keramiken reagieren auf Zugbelastung empfindlich, weil Oberflächendefekte und Risse unter Zugspannung recht schnell wachsen können. Die Festigkeit des Zirkonoxids resultiert zum einen wie oben beschrieben aus der starken Zirkonium/Sauerstoff-Bindung, die die Rissausbreitung natürlich erschwert. Zum anderen wird ein Effekt ausgenutzt, der auf einer Umwandlung des Kristallgitters im festen Zustand unter Spannungsstress beruht: Zirkonoxid liegt in zwei Kristallmodifikationen vor. Bei Raumtemperatur ist die sogenannte monokline Struktur stabil, bei Temperaturen über 1.170°C die tetragonale Form. Durch Yttrium kann die tetragonale Form bei Raumtemperatur stabilisiert werden. Unter Zugspannung klappt aber die so stabilisierte tetragonale Struktur selbst bei Raumtemperatur noch in die monokline Struktur um. Dieser Vorgang ist mit einer Volumenzunahme von ca. 5 % verbunden. Durch die Volumenzunahme entsteht ein innerer Druck im Material, der eine weitere Rissausbreitung verhindert.

Design

Keramik hat generell aufgrund der Sprödigkeit das Image, frakturanfällig zu sein. Die Festigkeit von Zirkonoxid ist aber so hoch, dass problemlos dentale Implantate aus diesem Material gefertigt werden können, wenn auf eine keramikgerechte Konstruktion geachtet wird. Wichtig ist dabei, dass Bereiche, die funktionell unter Zugbelastung kommen, gut ausgerundet werden. Scharfe Kerben führen zu hohen Kerbspannungen und reduzieren die Festigkeit erheblich. Die Bruchlast F von Implantaten in Abhängigkeit von ihren Durchmessern d gehorcht der Relation F ? d³ (Abb. 2). Die Kraft, bei der das Implantat bricht, steigt also mit der dritten Potenz des Durchmessers. Deshalb ist es aus Gründen der Festigkeit immer sinnvoll, den größtmöglichen Durchmesser zu wählen. Anatomische und ästhetische Gegebenheiten stehen dem natürlich oft entgegen. Eine klinische Studie mit durchmesserreduzierten Zirkonoxidimplantaten hat hohe Misserfolgsraten gezeigt [9]. Bei 79 Patienten wurden 170 Implantate mit Durchmessern von 3,25, 4 und 5 mm gesetzt. Der Beobachtungszeitraum betrug 3,8 ± 5,3 Jahre. Zwölf der 3,25-mm-Durchmesser-Implantate sind frakturiert, ein Implantat mit einem Durchmesser von 4 mm hat ebenfalls versagt, dies allerdings bei einem Bruxer, was als Kontraindikation für derartige Implantate angesehen werden muss. Die Oberfläche dieser Implantate war zur Aufrauhung sandgestrahlt, was eine mechanische Schädigung der Oberfläche mit Kerbwirkung und damit unter Dauerschwinglast eine Reduktion der Festigkeit des Implantates bedeutet.

Oberfläche

Heute sind die Oberflächen der Zirkonoxidimplantate deutlich ausgereifter. Untersuchungen an Titanimplantaten haben gezeigt, dass eine Rauheit von etwa 1,5 ?m eine gute Osseointegration gewährleistet (Abb. 3) [31]. Derartige Oberflächen können unter anderem mittels Sandstahlen und anschließendem Ätzen hergestellt werden (Abb. 4) [7]. Deutlich wird der Unterschied zwischen einer sandgestrahlten und einer geätzten Oberfläche schon in der Zellkultur: Osteoblasten kugeln sich auf der sandgestrahlten Oberfläche ab, während sie sich auf der geätzten Oberfläche ausbreiten (Abb. 5). Weitere Methoden zur Erzeugung einer rauen Oberfläche sind das Aufsintern von kleinen Partikeln oder die Laserbearbeitung.

Die Osseointegration von Zirkonoxidimplantaten wurde zunächst in Affenmodellen untersucht [1] und war vergleichbar mit Literaturwerten, die mit Titanimplantaten erarbeitet wurden. Die Ergebnisse von Einzelzahnimplantaten, implantatgetragenen Brückenversorgungen und gemischten Zahn- Implantat-getragenen Brückenversorgungen waren gleichwertig. Die Überlebensrate lag nach zwei Jahren bei 97 %, ein Implantat war verlorengegangen, der Knochenverlust betrug 1,6–2,3 mm, der Knochen-Implantat-Kontakt 67 %. Ähnliche Ergebnisse fanden sich in einer randomisierten Affenstudie. Der Knochen-Implantat-Kontakt betrug fünf Monate nach funktioneller Belastung von Einzelkronen bei Zirkonoxidimplantaten 67,4 ± 17 %, bei Titanimplantaten 72,9 ± 14 %. Diese Werte unterscheiden sich statistisch nicht [15].

Weichgewebeadaptation

Zur Weichgewebeadaptation gibt es in Bezug auf Keramikimplantate wenige Untersuchungen. Dennoch finden sich interessante Daten in der Literatur. So zeigen Weichgewebebiopsien von Patienten, die mit Einheilkappen aus Zirkonoxid oder Titan versorgt wurden, dass das entzündliche Infiltrat im periimplantären Weichgewebe und die Mikrovaskularisierung nach sechs Monaten bei Zirkonoxid geringer waren als bei Titan [6]. In der oben bereits zitierten randomisierten Studie an Affen [15] wurde auch das Weichgewebe untersucht. Generell fanden sich nur leichte Anzeichen einer Entzündung im Weichgewebe ohne Unterschiede zwischen Zirkonoxid und Titan. Die biologische Breite betrug bei Titan 5,2 ± 1 mm, bei Zirkonoxid 4,5 ± 0,6 mm. Aus den wenn auch spärlichen Daten kann also der Schluss gezogen werden, dass die Weichgewebeadaptation bei Zirkonoxidimplantaten mindestens so gut wie bei Titanimplantaten ist.

Plaqueanlagerung

Die bakterielle Besiedlung ist auf Zirkonoxid geringer als auf Titan [20,21,23]. Das ist ein Aspekt, der in Bezug auf die Plaquebildung in schwer zugänglichen Regionen bei Keramikimplantaten sicher relevant ist und weitere Beachtung erhalten sollte. In unmittelbarem Vergleich zwischen Titan- und Zirkonoxidimplantaten ist dieser Aspekt allerdings noch nicht detailliert untersucht worden. Im Vergleich zu natürlichen Zähnen haben Zirkonoxidimplantate aber tendenziell besser abgeschnitten [12].

Prothetische Versorgung

Zirkonoxid weist eine geringe Elastizität auf. Ergebnisse aus zwei klinischen Studien belegen eindeutig, dass verblendete Zirkonoxidgerüste als Restaurationen ungeeignet sind, weil sie hohe Misserfolgsraten zeigen. In einer Studie wurde nach einem Jahr eine Misserfolgsrate von 8 % beobachtet, die nach fünf Jahren auf 47 % anstieg [26], in einer weiteren Studie wurde nach einem Jahr eine Misserfolgsrate von 18 % beobachtet [25]. Es ist ein naheliegender Gedanke, dass die prothetische Versorgung der Zirkonoxidimplantate aufgrund der geringen Elastizität des Zirkonoxids und der ankylotischen Verankerung des Implantates im Knochen mit einem elastischen Material erfolgen sollte. Hierfür eignet sich zum Beispiel die polymerinfiltrierte Keramik VITA Enamic (VITA, Bad Säckingen) (Abb. 6). Der Vorteil des Materials ist seine Kombination aus Kunststoff und Keramik, woraus sich eine gegenüber den reinen Keramiken deutlich verbesserte Elastizität ergibt (Abb. 7). Das Material besteht zu 84 % aus Keramik und zu 16 % aus einem Gemisch von UDMA und TEGDMA, zwei Monomeren, die von Füllungsmaterialien sehr gut bekannt sind. Die Verbundfestigkeit zwischen der polymerinfiltrierten Keramik und dem Befestigungsmaterial ist hervorragend [24]. Laboruntersuchungen haben gezeigt, dass eine hohe Druckfestigkeit des verwendeten Zementes die Festigkeit des Gesamtsystems noch deutlich erhöhen kann [22].

Klinische Erfahrung

Die Anzahl klinischer Studien zur Abklärung der Überlebens- und Erfolgsraten von Zirkonoxidimplantaten ist noch relativ gering. Viele Studien beziehen sich auf Implantattypen, die heute nicht mehr erhältlich sind oder weisen eine noch zu geringe Fallzahl auf. Review-Artikel können deshalb auch keine allgemeingültige Aussage bieten [17]. Zwei Studien sollen hier im Detail erwähnt werden. Zum einen handelt es sich um eine Studie mit dem ceramic. implant (vitaclinical, VITA, Bad Säckingen), zum anderen um eine Studie mit dem Implantat Pure (Straumann, Basel). Das letztgenannte Implantat wird in einer Zwei-Zentren-Studie in Privatpraxen geprüft. Die Ein-Jahres-Daten zeigen hier eine gute Osseointegration und einen mittleren Knochenverlust von 0,88 mm zwischen der Insertion und der prothetischen Versorgung nach sechs Monaten [10]. Nach weiteren sechs Monaten, also 12 Monate nach der Insertion, wurde ein Gesamtverlust im Knochenniveau von 1,02 mm beobachtet. Das ceramic.implant wird in einer Zwei-Zentren Studie an den Universitäten Zürich und Freiburg geprüft. Hier ergab sich eine ähnliche Situation: Der mittlere Knochenverlust lag nach den ersten sechs Monaten, zum Zeitpunkt der prothetischen Versorgung, bei 0,67 mm und stieg nach weiteren 12 Monaten auf 0,78 mm [13]. Die Publikation der Drei-Jahres- Daten für diese Studie ist in Vorbereitung. In beiden Studien kam es zu einem Frühverlust, was mit den Erfahrungen bei Titanimplantaten übereinstimmt. Aus den Ergebnissen lässt sich ableiten, dass diese beiden Systeme offensichtlich gut funktionieren und die Drei- und Fünf-Jahres-Daten mit hoher Wahrscheinlichkeit keine Überraschungen mehr bringen werden. Subjektiv auffällig war für die Behandler in beiden Studien die schnelle Wundheilung des Weichgewebes. Auch wenn die Datenlage noch nicht so ausgereift ist wie bei Titanimplantaten, kann doch zumindest für die beiden erwähnten Implantatsysteme auf Zirkonoxidbasis aufgrund der soliden klinischen Daten die Anwendung empfohlen werden.

¹ Klinik für Rekonstruktive Zahnmedizin und Myoarthropathien, Universitäres Zentrum für Zahnmedizin Basel
² Klinik für Kronen- und Brückenprothetik, Teilprothetik und Materialkunde, Zentrum für Zahnmedizin Universität Zürich

Näheres zum Autor des Fachbeitrages: Prof. Dr. Dr. Jens Fischer - Dr. Goran Benic - Dr. Carolin Fischer

Bilder soweit nicht anders deklariert: Prof. Dr. Dr. Jens Fischer , Dr. Goran Benic , Dr. Carolin Fischer

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