Implantologie allgemein

Der Langzeiterfolg oraler, enossaler Implantate erfordert sowohl eine Osseointegration, als auch einen permanenten, dichten Verbund mit den Weichgeweben. Dieses biologische Verhalten wird in sehr großem Maße durch die Oberflächen, charakterisiert durch Makro-, Mikro- und Nanostruktur,sowie chemische Beschaffenheit des eingebrachten Biomaterials beeinflußt [19]. Bei guter Knochenqualität des Implantatlagers sowie gesunden Patienten zeigt die Therapie mit oralen enossalen Implantaten einen hohen Langzeiterfolg [2, 11, 19], so daß diese Therapieform zu den wissenschaftlich anerkannten Bestandteilen der zahnärztlichen Versorgung gezählt wird [17]. Seit der Einführung oraler enossaler Implantate hat sich eine unbelastete Einheilungsphase von drei bis sechs Monaten je nach Qualität des Implantatlagers etabliert. Modifizierte Oberflächenstrukturen, die eine Beschleunigung der Osseointegration ermöglichen, könnten zu einer früheren funktionellen Belastbarkeit beitragen und sind daher ein wichtiger Aspekt der klinischen Forschung . Der mögliche Einfluß der Oberfläche auf den Langzeiterfolg oraler, enossaler Implantate zeigt sich bei der Untersuchung der Oberflächen fehlgeschlagener, explantierter Implantate [45]. Neben einer Modifikation der Implantatinsertion werden, bei schwierigem Implantatlager in augmentiertem oder sehr spongiösem Knochen, modifizierte Oberflächen empfohlen und von Herstellern angeboten [54]. Die wissenschaftliche Untersuchung zum Nachweis einer positiven Korrelation bestimmter Oberflächencharakteristika und Einheilverhalten sowie Verweildauer der Implantate in vivo steht bislang aus [54]. Wegen der größeren Bruchfestigkeit bei gleichzeitig relativ geringem Gewicht und ausgezeichneter Korrosionsfestigkeit, sowie wegen der spontanen Bildung einer passivierenden Oxidschicht hat sich Titan als Werkstoff für Implantate durchgesetzt. Obwohl der exakte Mechanismus des Knochen-TitanVerbundes bislang nicht vollständig geklärt ist, kann davon ausgegangen werden, daß hier die Titanoxidschicht maßgeblich die knöcherne Einheilung und epitheliale Anheftung beeinflußt [33]. Durch Modifikationen der Oberflächentextur der Implantate kann deren Einheilung zusätzlich verbessert werden [3, 4, 11, 14, 15, 20, 25, 37, 38, 60] und es sollen durch topographische Veränderungen Vorteile bis hin zu früherer Belastbarkeit erreicht werden können [10, 21, 36, 40, 45, 46]. Bei jeder Implantation kommt es initial zur Adsorption von Proteinen, Thrombozyten und anderen Makromolekülen an der Implantatoberfläche [44, 49]. Über diese Proteinschicht als "conditioning film" läuft die Osseointegration der Implantate ab [7, 49]. Dabei spielen die an der Implantatoberfläche freigesetzten Zytokine (Mitogene und Morphogene) eine wichtige Rolle für die Attraktion von osteogenen Zellen, welche als Osteoblasten die Implantatoberfläche besiedeln und durch diesen bereits unmittelbar nach der Implantation stattfindenden Prozeß eine Kontaktosteogenese der Implantate ermöglichen [23, 24, 44]. Der direkte Kontakt des Knochens zum Implantat korreliert signifikant mit dessen Oberfläche. Hierbei scheint die Oberflächenstruktur wichtiger zu sein als eine Zunahme des Durchmessers [1, 3, 11, 13, 25, 26, 33, 39, 50, 60]. Die genauen Mechanismen sind derzeit noch nicht bekannt, bisherige Arbeiten deuten an, daß die Auswahl des Implantatmaterials und dessen Oberflächenstrukturierung einen profunden Einfluß auf die Agglomeration der Erythrozyten [44], die Zahl und den Grad der Aktivierung der Blutplättchen hat [32, 42, 43]. Es konnte gezeigt werden, daß die Adhäsion der Plättchen über GPIIb/IIIa Integrinbindung an Fibrinogen, welches an der Implantatoberfläche adsorbiert ist, stattfindet [6]. Die Implantatoberflächenstrukturierung hat daher nicht nur durch die Ausbildung eines Konzentrationsgradienten für chemotaktische Zytokine und Wachstumsfaktoren durch das Maß der Aktivierung der Plättchen einen grundlegenden Einfluß auf die Osteokonduktion, sondern stellt auch eine Verankerungsfläche für eine dreidimensionale biologische Matrix dar, an der Zellen zur Implantatoberfläche entlang wandern können. Die Knochenneubildungskaskade kann in einen mehrstufigen Prozeß gegliedert werden [16]. Zunächst sezernieren sich differenzierende osteogene Zellen eine kollagenfreie organische Matrix [57], die Keimzentren für die Calciumphosphatmineralisation bereitstellt. Ausgehend von diesen Keimzentren findet Kristallwachstum und die Ausbildung eines Kollagenfasergerüstes statt. Schließlich findet eine Mineralisation des Kollagengerüstes statt. Der neu gebildete kollagenhaltige Knochen ist durch eine Schicht kollagenfreien kalzifizierten Gewebes von der Implantatoberfläche getrennt. Diese Schichtausbildung kann durch eine Calciumphosphatbeschichtung simuliert werden. Diese adsorbiert im Gegensatz zu unbeschichteten Metalloxidoberflächen vermehrt Proteine an ihrer Oberfläche. Es kann angenommen werden, daß durch die vermehrte Bindung von Fibrinogen eine stärkere Plättchenaktivierung und dadurch ein beschleunigte periimplantäre Wundheilung stattfindet. Daneben kann durch die erhöhte Proteinadsorption eine raschere Ausbildung der dreidimensionalen Matrix mit beschleunigter Zellmigration auf die Implantatoberfläche stattfinden. Die in unserem Versuchsaufbau verwendete Calciumphosphatbeschichtung besteht hauptsächlich aus Brushit (CaHPO4·2H2O) mit Spuren von Hydroxylapatit und wird mittels eines elektrochemischen Verfahrens auf die Implantatoberfläche aufgebracht. Brushit ist eine der löslichsten Calciumphosphat-Phasen und wandelt sich in wässrigen Lösungen in Hydroxylapatit um [34]. In vitro zeigte die Beschichtung eine vielversprechende Osteoblastenaktivierung [5]. In vivo wurden osteokonduktive Eigenschaften nachgewiesen [50]. In der vorliegenden Arbeit wurde bei insgesamt 24 Hausschweinen das Einheilverhalten unterschiedlich beschichteter alphatech®-Implantate (Fa. FMZ GmbH, Vertrieb Henry Schein Dental Depot Langen) mit VTPS-, VTPS + Bonit®- und Bonitex®-Beschichtung untersucht. Als Versuchstier wurde das adulte Hausschwein gewählt, da es sich für Studien der Knochenheilung bzw. des Knochenumbaus besonders gut eignet. Gewebedurchblutung, zirkulatorische Vorgänge und Frakturheilung sind mit den Verhältnissen beim Menschen durchaus zu vergleichen. Die Knochenneubildungsraten des adulten Schweines korrelieren eng mit denen des Menschen (Schwein 1,2-1,5 µm/d; Mensch 1,0-1,5 µm/d). Das Schwein gilt daher als sehr verläßliches Modell in Bezug auf Aussagekraft, Reproduzierbarkeit und Übertragbarkeit experimenteller Daten [35].

Art, Durchführung und Dauer der Eingriffe

Für alle chirurgischen Eingriffe wurden die Tiere durch eine intravenöse Injektion von Ketamin HCL (Ketavets, Ratiopharm, Ulm) anästhesiert. Nach der Applikation eines Lokalanästhetikums in die Frontalregion des Schädels (Ultracain DS forte, Hoechst GmbH, Frankfurt a. M) wurde eine sagittale Inzision durchgeführt und das Weichgewebe sowie das Periost wurden mobilisiert. Anschließend wurden randomisiert je drei Implantate je Versuchsgruppe inseriert. Pro Untersuchungszeitpunkt standen drei Tiere zur Verfügung. Pro Tier wurden jeweils neun Implantate gesetzt, die nach randomisiertem Auswahlverfahren in die Kalotte eingebracht wurden. Pro Gruppe und Untersuchungszeitpunkt konnten daher insgesamt neun Implantate nachuntersucht werden. An den ersten drei Tagen postoperativ erhielten die Tiere Streptomycin (0,5 g/Tag; Grünenthal GmbH, Stolberg) zur Verringerung von Infektionsrisiken. Abschließend wurden Periost und Haut über den Defekten mit resorbierbaren Vicrylfäden (Vicryl® 3,0; Vicryl® 1,0; Ethicon GmbH & Co. KG, Norderstedt, Deutschland ) verschlossen. Nach Erreichen der geplanten Einheilzeit der Implantate nach 3, 7, 14, 21, 30, 56, 84 Tagen, sowie nach sechs Monaten erfolgte die Opferung der Tiere zur Probengewinnung.

Material und Methoden

Nach Genehmigung des Tierversuches durch die zuständige Tierversuchskommission der Regierung von Mittelfranken, Ansbach (Tierversuchsvorhaben 54-2531.31-7/06) wurden 24 Schweine in die Studie eingeschlossen. Es wurden folgende Versuchsgruppen gebildet:

1. Versuchsgruppe VTPS (Vakuum-Titanplasmaspray) Hier wurde Reintitan bei Unterdruckbedingungen in einer Argon-Gasatmosphäre auf die Implantatoberfläche aufgespritzt.

2. Versuchsgruppe Bonitex® Mittels eines elektrochemischen Verfahrens wurden die Implantate nach vorheriger Hydroxylapatitstrahlung und Säureätzung der Implantatoberfläche, in einer wässrigen calcium- und phosphationenhaltigen Lösung beschichtet. Diese Beschichtung wies eine Dicke von ca. 2 µm auf und besteht aus den beiden Calciumphosphatphasen Hydroxylapatit und Bruschit (~5 % HA, ~95 % Brushit). 3. Versuchsgruppe VTPS + Bonit® Reintitanschicht in Kombination mit einer ca. 15 µm dünnen elektro-chemisch abgeschiedenen CaPSchicht (~5 % HA, ~95 % Brushit).

Entnahme und Aufarbeitung der Prüfkörper

Den Tieren wurde jeweils das Os frontale entnommen und die Proben wurden mit 1,4 % Paraformaldehydlösung bei 4° C fixiert, um die organische Matrix unlöslich zu machen. Anschließend wurden die Proben in einer aufsteigenden Alkoholreihe bei Raumtemperatur in einer Entwässerungseinheit (Shandon Citadel 1000, Shandon GmbH, Frankfurt) entwässert. Xylol wurde für die intermediäre Fixierung benutzt. Anschließend wurden die Proben in Technovit 9100® (Heraeus Kulzer, Wehrheim) eingebettet.

Histologie

Die Dünnschliffpräparate wurden anschließend auf 30 µm reduziert und mit Toluidinblau-O Lösung gefärbt. Danach konnten die gefärbten Schliffe lichtmikroskopisch untersucht werden. Die Proben wurden durch ein Zeiss Lichtmikroskop (Axio Imager.A1; Zeiss, Jena) mit einer Videokamera in einen Pentium 5 Computer eingelesen. An den histologischen Schliffen wurde mithilfe der Bioquant Osteo® Software der Knochenimplantatkontakt bestimmt. Anschließend erfolgte eine histopathologische Auswertung der Proben.

Statistik

Die Histologien wurden jeweils durch zwei Untersucher ausgewertet und die Werte für jede Probe aggregiert. Zur Verifizierung wurde anschließend ein zweiseitiger t-Test durchgeführt. Bei einem p-Wert < 0,05 wurde von einem signifikanten Unterschied der verglichenen Daten ausgegangen.

Ergebnisse

Der Knochenimplantatkontakt (KIK) wurde, wie in Abbildung 1 schematisch dargestellt, bestimmt. Das Knochenmark enthält nicht nur mesenchymale Präkursorzellen, die sich in Osteoblasten differenzieren können, sondern zeigt auch eine hohe Durchblutung, wodurch zum einen Osteoklastenvorläuferzellen und auch Zellen für die Neoangiogenese bereitgestellt werden. Dadurch hat der spongiöse Knochen eine deutlich höhere Remodellingrate als der kortikale Knochen. Daher sind in diesem Bereich deutlich ausgeprägtere Effekte der unterschiedlichen Implantatbeschichtung zwischen den einzelnen Gruppen, wie auch im zeitlichen Verlauf, zu erwarten. Um eine erfolgreiche Osseointegration und Langzeitstabilität der Implantate zu gewährleisten, ist eine Kontaktosteogenese der Implantate erforderlich. Hierzu ist es notwendig, daß sich bereits zu Beginn des periimplantären Knochenremodellings Osteoblasten auf der Implantatoberfläche anlagern. Die Ergebnisse der Auswertung des Knochenimplantatkontakts sind in Tabelle 1 als Mittelwert und Standardabweichung dargestellt. Es ergaben sich bezüglich des Knochenimplantatkontaktes größere Unterschiede. Nach sieben Tagen war der Knochenimplantatkontakt in der Gruppe VTPS+ Bonit® gegenüber der Gruppe Bonitex® und der Gruppe VTPS signifikant erhöht (p=0.025 und p=0.0081). Im Zeitraum zwischen 14 und 30 Tagen zeigten sich in der Gruppe Bonitex® (86.53% ± 8.55; 83.42% ± 14.26; 87.96% ± 7.90) signifikant erhöhte Werte (p=0,0018 und p=0) im Vergleich zu den beiden anderen Gruppen. Die hier erreichten Werte liegen deutlich über den in der Literatur beschriebenen Durchschnittswerten und liegen in der Größenordnung die Schwarz et al. 2007 nach 12 Wochen für die modifizierte SLA-Oberfläche beschrieben hat [47]. Im weiteren zeitlichen Verlauf glichen sich die Werte des Knochenimplantatkontaktes im Rahmen des knöchernen Remodellings zwischen den einzelnen Versuchsgruppen an und lagen im Mittel bei 51,8 %.

Diskussion

Entscheidend bei tierexperimentellen Untersuchungen zur Knochenregeneration ist die Wahl eines Tiermodells mit bestmöglicher Analogie zum Patienten, um somit die experimentellen Daten in die Praxis übertragen zu können. Diese Forderung konnte mit dem gewählten Modell erfüllt werden. Die Schädelkalotte des Schweins besteht aus desmalem Knochen und zeigt kortikale und spongiöse Anteile und eignet sich wegen seiner hohen Humananalogie bezüglich Knochenheilung und Knochenumbau [35] besonders gut für Untersuchungen im Bereich der Implantologie. Die Implantate wurden einheitlich nach dem Operationsprotokoll des Herstellers inseriert. Durch die sichere Deckung der Implantate durch die Kopfschwarte war das Risiko einer bakteriellen Kontamination post operationem, im Sinne einer Periimplantitis, auf ein Minimum reduziert und entsprach somit dem gedeckten Einheilungsmodus. Nach Heimke et al. [27] kann eine definitive Aussage zum Verhalten von trabekulärem Knochen um Implantate nur in absolut lastfreien Modellen getroffen werden, um den Einfluß der unterschiedlichen Belastungen auf das Knochenremodelling auszuschließen. Dies war aufgrund der extraoralen Lage bei primärstabiler Implantatinsertion der Implantate in unserem Versuchsmodell gegeben. Ebenfalls konnte hierdurch eine Minimierung des Risikos von Mikrobewegungen während der Einheilungsphase erreicht werden. Vor allem die Implantate mit der Bonitex®-Beschichtung zeigten zu frühen Zeitpunkten, zwischen 14 und 30 Tagen, im spongiösen Knochen hohe Knochenimplantatkontaktraten (siehe Abb. 4). Dieses Ergebnis steht im Einklang mit denen anderer Studien, die bei Untersuchungen von calciumphosphatbeschichteten Implantaten ebenfalls über einen signifikant erhöhten Knochenimplantatkontakt oder eine verbesserte Fähigkeit periimplantäre Spalträume zu überbrücken berichten [8, 12, 27, 30, 31, 48, 52, 53, 56, 58]. Calciumphosphatbeschichtungen, die mittels Plasmasprays aufgetragen werden und eine Schichtdikke von 50 bis 100µm aufweisen, zeigen häufig mechanisch bedingte Mikrofrakturen, wodurch es nach Ablösung des Beschichtungsmaterials zu vermehrten Degradationserscheinungen und dadurch zu ungünstigen Gewebereaktionen kommt [41]. Daher ist man in den letzten Jahren dazu übergegangen, die Schichtdicken der Calciumphosphatbeschichtungen zu reduzieren und damit einen Ansatz zu wählen, welcher mehr der Knochenbiologie entspricht. Die Bonitex®-Beschichtung weist eine deutlich reduzierte Schichtdicke von ca. 2 µm auf. Dadurch können die biologischen Vorteile wie Osteokonduktion, Zellattraktion und verbessertes Attachment für die extrazelluläre Matrix genutzt werden. Das Schicksal der Calciumphosphatbeschichtungen in vivo ist nicht abschließend geklärt. Bei neutralem pH-Wert hängt die Auflösung der Beschichtung in vitro vor allem von der Phasenzusammensetzung, Kristallinität und der Kristallgröße der Beschichtung ab [55]. Die chemische Zusammensetzung kann sich jedoch im Laufe des Einheilvorgangs ändern. Dadurch und durch eine saure Umgebung während der frühen Phase kann es zu einer Beeinträchtigung der Lebensdauer der Calciumphosphatbeschichtungen in vivo kommen. In der vorliegenden Untersuchung konnten vereinzelt Teile der Beschichtung im periimplantären Knochen beobachtet werden. Negative Effekte einer Degradation der Beschichtung konnten jedoch nicht festgestellt werden. Nagano et al. konnte ebenfalls keine negative Beeinflussung des periimplantären Knochens nach Degradation von Calciumphosphatbeschichtungen feststellen [41]. Die unbelasteten Implantate mit Bonitex®-Beschichtung zeigten im weiteren zeitlichen Verlauf im Rahmen des knöchernen Remodellings Knochenimplantatkontaktraten ähnlich den in der Literatur beschriebenen Werten. Die Implantate mit der VTPS- und VTPS+Bonit®-Beschichtung zeigten während des untersuchten Zeitraums Knochen-Implantat-Kontaktraten wie sie in der Literatur beschrieben sind. Die VTPS-Beschichtung kann als Standard angesehen werden.

Schlußfolgerung

Eine beschleunigte Implantateinheilung mit deutlich erhöhten Knochenimplantatkontaktraten konnte in der Gruppe mit der Bonitex®-Beschichtung bereits zwischen 14 und 30 Tagen ermittelt werden. Aufgrund dieser Ergebnisse wäre eine frühe Belastung dieser Implantate nach 30 Tagen und die Auswirkung auf das knöcherne Remodelling ein interessanter Untersuchungsansatz. Dadurch könnte man die Möglichkeit einer sehr frühen funktionellen Belastung evaluieren, die eine deutlich raschere kaufunktionelle und auch ästhetische Rehabilitation der Patienten ermöglichen würde.

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