Implantatoberflächen – Stand der Technik – Teil 1

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.

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 Davies^1,2 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.

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 ?m) oder leicht rauen Oberflächen (Sa = 0,5–1 ?m) eine schlechtere Osseointegration aufweisen als Implantate mit moderat rauen (Sa = 1–2 ?m) und rauen Oberflächen (Sa > 2 ?m). 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 bezeichnet^7,8,9.

Der direkte Vergleich verschiedener Implantatoberflächen bei gleicher Implantatgeometrie bestätigt den Vorteil sandgestrahlter und thermisch säuregeätzter Oberflächen im Vergleich zu anderen moderat mikrorauen Oberflächen^10,11. 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

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 erkennbar^16,17.

Näheres zum Autor des Fachbeitrages: Dr. Falko Schlottig

Bilder soweit nicht anders deklariert: Dr. Falko Schlottig

Weiterführende Links

> Implantatoberflächen – Stand der Technik – Teil 2