29.01.2013·Implantatforschung

Implantatoberflächen in der Forschung

von Wolfgang Schmid, Schriftleiter „Zahnmedizin Report“, Berlin

| Ein Ziel der Implantat-Forschung ist es, die Adhäsion und Aktivität von Osteoblasten auf Titanoberflächen zu steigern und so eine Beschleunigung der Implantatintegration in das Knochengewebe zu erreichen. Hierfür werden verschiedene Arten der biomimetischen Beschichtung entwickelt – wir stellen aktuelle Forschungsprojekte und ihre Ergebnisse vor. |

Welche Vorteile bietet Titan als Implantatmaterial?

Der Grund für den Erfolg von Titan als Implantatmaterial liegt in der hohen biologischen Kompatibilität des Materials. Diese resultiert in erster Linie aus einer sich spontan ausbildenden Oberflächenoxidschicht, die einen eher keramischen Charakter aufweist. Sobald Titan Luft oder Wasser – zum Beispiel in Körperflüssigkeiten – ausgesetzt wird, kommt es zur Einlagerung von Sauerstoffatomen in das Metall. Diese Schicht erreicht eine Tiefe von 3 bis 10 nm und besitzt einen Sauerstoffgradienten, der mit zunehmender Eindringtiefe abnimmt. Diese Oxidschicht schützt Titan vor Korrosion, was die Biokompatibilität gegenüber anderen Metallen enorm steigert. Zusätzlich bewirkt die metallische Härte ein verbessertes Einwachsen des Implantats. Der direkte Kontakt zum Knochen wird so gefördert und der Weichgewebekontakt, der zu einer Lockerung des Implantats führen kann, wird unterbunden.

Behandlung der Implantatoberfläche mit Plasma

Mechanische Behandlungen der Implantatoberfläche – zum Beispiel Anrauen, Anätzen oder Sandstrahlen – vergrößern die Oberfläche des Implantats künstlich und modifizieren die Oxidschicht. Kaltes atmosphärisches Plasma ist nicht nur für die Auflösung und Beseitigung von Biofilmen auf mikrostrukturierten Titanoberflächen geeignet. Wissenschaftler der Universität des Saarlandes konnten nun nachweisen, dass die Bestrahlung von Titanoberflächen mit kaltem Plasma die Zelladhärenz fördert: Mit Plasma bestrahlte Titanoberflächen wurden homogener von primären humanen knochenbildenden Zellen (Osteoblasten) besiedelt und die Zellen differenzierten früher im Vergleich zu unbestrahlten Oberflächen.

 

Neben der mechanischen Modifikation ist die Beschichtung mit körpereigenen Stoffen oder Wachstumsfaktoren im Fokus der Forscher. Ziel ist es, die Anlagerung und Vermehrung der knochenbildenden Zellen (Osteoblasten) zu beschleunigen.

Beschichtungen mit Nano-Hydroxylapatit

Hydroxylapatit ist im Knochen zum Anteil von etwa 40 Prozent, im Dentin zu 70 Prozent und im Zahnschmelz zu 95 Prozent enthalten. Ein Ansatz ist es also, Implantate mit einer Hydroxylapatit-Schicht zu versehen, um die Ansiedlung von Osteoblasten zu unterstützen. Verschiedene Methoden wurden hier vorgeschlagen und zum Erstellen nanotopographischer Funktionen beschrieben. Ein internationales Forscherteam der Universität Malmö etwa verglich im Tierversuch eine hitzebehandelte nanoskalige Hydroxyapatit-beschichtete Implantatoberfläche mit konventionell säuregeätzten Oberflächen. Während beide Oberflächen ähnlichen Knochen-Implantat-Kontakt aufwiesen, zeigten Untersuchungen im Nanobereich, dass die Qualität des Gewebes um die HA-beschichteten Implantate deutlich besser war.

 

Zu ähnlichen positiven Ergebnissen kommen auch US-Forscher aus Boston: Eine Nano-Beschichtung mit Hydroxylapatit auf sandgestrahlter und angeätzter Oberfläche resultierte im Tierversuch in einem schnelleren und besseren Knochen-Implantat-Kontakt im ersten Monat der Einheilung. Nach drei Monaten allerdings konnte kein signifikanter Unterschied mehr zur Beschichtung ohne Nanoteilchen festgestellt werden.

Beschichtung mit Nucleinsäuren

Insbesondere bei kompromittierten Knochenverhältnissen stellen osteoinduktiv beschichtete Implantatoberflächen zukünftig eine deutliche Indikationserweiterung dentaler Implantate dar. Hier wird zurzeit verstärkt mit knochenmorphogenetischem Protein (BMP = bone morphogenetic protein) geforscht – vor allem mit BMP-2 und BMP-7.

 

Ergebnisse einer ersten Studie mit humanen Nucleinsäure beschichteten Implantaten (mit BMP-2, TGF-ß/IGF oder VEGF/BMP-2) zeigen einen signifikant positiven Effekt für diese Therapie auf die Knochenregeneration und Osseointegration. Alle Nucleinsäure-Beschichtungen führten nach 14 und 28 Tagen zu einer signifikant höheren Mineralisationsrate als die Kontrollen. Auch die Osseointegration war in der Therapiegruppe fortgeschrittener. Am effektivsten erwies sich die Kombination VEGF/BMP-2, weil die vorhergehende Steigerung der Vaskularisation die langfristige Dimensionsstabilität des neuen Knochens erhöht.

 

Diese Wachstumsfaktoren sollen die Knochenneubildung um das Implantat verbessern. Gleichzeitig besteht hier bei zu hoher Dosierung aber ein gesteigertes Risiko zur Tumorbildung. Das spezifische Aufbringen von körpereigenen Proteinen – beispielsweise Fibronektin – könnte deshalb eine interessante Alternative darstellen. Der Einsatz von körpereigenem biotinyliertem Fibronektin (bFn) zeigte sich in einer Untersuchung an der Universität Mainz eine verstärkte Zelladhäsion sowie eine Steigerung des osteoinduktiven Effekts gegenüber mit nativem Fibronektin modifizierten TiOX-Oberflächen.

 

Es wäre möglich, als Implantatbeschichtung patienteneigenes Fibronektin zu verwenden. Dieses könnte beispielsweise aus dem Blutplasma des Patienten vor dem Eingriff gewonnen und biotinyliert werden. Das Problem: Eine solche Variante wäre extrem kostenintensiv. Deshalb sollte es zunächst bei Patienten zum Einsatz kommen, bei denen herkömmliche Implantate einen geringen Einheileffekt zeigen. Weiterhin wäre ein Einsatz bei besonders kritischen Implantaten – wie etwa Unterkiefer-Implantaten – denkbar.

 

Quellen

• [1] Lehnert M. Biofunktionalisierung oxidischer Titanoberflächen über eine spezifische Anbindung von biotinyliertem Fibronektin für die medizinische Anwendung. Disseration, Mainz, 2012

• [2] Rupf S et al. Kaltes atmosphärisches Plasma verbessert die Besiedlung von Titan mit primären humanen Osteoblasten. 45. Jahrestagung der AfG, Mainz, 10.-11. Januar 2013

• [3] Jimbo R et al. Nano hydroxyapatite-coated implants improve bone nanomechanical properties. J Dent Res 2012; 91 (12): 1172-1177

• [4] Gobbato L et al. Early Bone Healing Around 2 Different Experimental, HA Grit-Blasted, and Dual Acid-Etched Titanium Implant Surfaces. A Pilot Study in Rabbits. Implant Dentistry 2012; 21 (6): 454-460

• [5] Smeets R et al. Bioaktive Nucleinsäure-Implantatbeschichtungen: Ein neuer Weg für die Osseointegration dentaler Implantate in kompromitierten Knochenverhältnissen? 45. Jahrestagung der AfG, Mainz, 10.-11. Januar 2013