Implantatmaterial: Was kommt nach dem Titan?

Zahnimplantate aus Titan werden routinemäßig in einem chirurgischen Verfahren eingesetzt, um fehlende Zähne zu ersetzen. Auch wenn sie zu zufriedenstellenden Ergebnissen führen, können neue Entwicklungen mit Implantatwerkstoffen die Ergebnisse der Implantatbehandlung noch verbessern. Vor allem China setzt bei medizinischen Implantaten zunehmend auf das poröse Tantal.

Tantal: Vergleichbar mit dem spongiösen Knochen

In den vergangenen Jahren wurde mit der Vertiefung der Tantalforschung festgestellt, dass poröses Tantal eine Wabenstruktur ähnlich menschlichem Spongiosa aufweist und einen niedrigen Elastizitätsmodul und hohe Reibungseigenschaften aufweist. Das Material hat mehr als 80 Prozent Porosität und ist mit der Struktur eines spongiösen Knochens vergleichbar. Knochenähnliche mechanische Merkmale, beste Biokompatibilität mit Knochengewebe und antimikrobielle Eigenschaften zeichnen Tantal aus. Das Material mit der hochporösen Struktur eignet sich besser als andere Metalle für Implantate im menschlichen Körper. [1]

Auf die Oxidschicht kommt es an

Auf Tantal (Ta) kann eine kompakte passive Oxidschicht aufwachsen. Es wurde berichtet, dass diese Oxidschicht das Einwachsen des Knochens in vivo durch die Entwicklung von knochenähnlichem Apatit erleichtern kann, was die Hart- und Weichgewebeadhäsion fördert. Daher kann eine Ta-Oberflächenbehandlung auf Gesichtsimplantatmaterialien die Gewebereaktion verbessern, was zu einer geringeren fibrotischen Verkapselung führen und das Implantat stabiler auf der Knochenoberfläche machen könnte. [2]

Stammzellen differenzieren besser auf Tantal

Ziel einer italienischen Studie war es, die Effizienz von Zahnimplantaten aus porösem Tantal (Ta) für die Osseointegration im Vergleich zum klassischen Titan und rauem Titan zu untersuchen. Die Gesamtergebnisse tendieren dazu, zu zeigen, dass die Differenzierung der Stammzellen auf der Tantal-Oberfläche verzögert ist, was auf eine längere Proliferationsperiode zurückzuführen ist, bis die Zellen die poröse 3D-Ta-Struktur bedecken. Nach 3 Wochen wird jedoch eine reichlichere mineralisierte Matrix auf und in Tantal-Implantaten gebildet. Zellpopulationen auf porösem Tantal proliferieren stärker und schneller, was zur Produktion von mehr Kalziumphosphatablagerungen führt als Zellen auf aufgerauhten und glatten Titanoberflächen, was eine potenziell verbesserte Fähigkeit zur Osseointegration zeigt. [3]

Gute Heilung im Tiermodell

Implantate, die poröses Tantal enthalten, zeigten im Tierversuch im Spaltheilungsmodell eine erhöhte periimplantäre Knochenbildung, was durch signifikante Unterschiede in den biomechanischen und histomorphometrischen Ergebnissen belegt wird. Solche Implantate können eine Alternative zur Beeinflussung der Knochenheilung an Operationsstellen mit einer bestehenden Lücke darstellen, folgern die Forscher der University of Rochester. [4]

Einsatz auch zur Titan-Modifikation

Poröses trabekuläres Metall aus Tantal (PTTM) wird seit langem in der Orthopädie zur Verbesserung der Neovaskularisierung, Wundheilung und Osteogenese verwendet; seit kurzem wird es in Zahnimplantate aus Titanlegierung eingebaut. In einer US-amerikanischen Studie wurden bei 12 Probanden 4 Implantate /3 x 5 mm), darunter zwei konische Schrauben aus Titanlegierung und zwei PTTM-Zylinder in den unbezahnten Unterkiefer im Split-Mouth-Designs eingesetzt. Im Vergleich zu Titanlegierungen wiesen PTTM-Proben signifikant höhere Expressionen von Genen auf, die spezifisch für die Zellneovaskularisierung, Wundheilung und Osteogenese sind. PTTM-Materialien können die anfängliche Einheilung von Zahnimplantaten durch Veränderung der Genexpressionsprofile verbessern. [5]

Modifizierter 3D-Druck erlaubt breiteren Einsatz

Im Moment ist der äußerst hohe Schmelzpunkt von 2.996° Celsius ein Problem für den herkömmlichen 3D-Druck. Mit einer Reihe von neuartigen Technologien gelang es chinesischen Forschern ein Produktionsverfahren von Tantal-Pulver sowie technische Anlagen für den 3D-Druck von Tantal zu entwickeln. [1] [!] Die Modifikation der Fertigungsverfahren wird dazu führen, dass neben Tantal-beschichteten Titan-Implantaten zukünftig auch Implantate aus reinem Tantal und 3d-gedruckte individuelle Implantate auf den Markt kommen.

 

  • 1. Liu L et al. Dislocation network in additive manufactured steel breaks strength–ductility trade-off. Materials Today, 2017; http://dx.doi.org/10.1016/j.mattod.2017.11.004
  • 2.Bakri M M et al. Improvement of biohistological response of facial implant materials by tantalum surface treatment. Maxillofac Plast Reconstr Surg 2019; 41 (1): 52. https://doi.org/10.1186/s40902-019-0231-3
  • 3 Piglionico S et al. Porous Tantalum VS. Titanium Implants: Enhanced Mineralized Matrix Formation after Stem Cells Proliferation and Differentiation. J Clin Med 2020; 9 (11): E3657. http://dx.doi.org/10.3390/jcm9113657
  • 4 Fraser D et al. Bone response to porous tantalum implants in a gap-healing model. Clin Oral Implants Res 2019; 30 (2): 156-168. https://doi.org/10.1111/clr.13402
  • 5 Bencharit S et al. Comparing Initial Wound Healing and Osteogenesis of Porous Tantalum Trabecular Metal and Titanium Alloy Materials. J Oral Implantol 2019; 45 (3): 173-180. https://doi.org/10.1563/aaid-joi-d-17-00258
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