KpZ 2006 - Prof. Dr. Jürgen Geis-Gerstorfer: Einfluss rauer Dentalimplantat-Oberflächen auf die Osseointegration
Universität Tübingen Zentrum für Zahn-, Mund- und Kieferheilkunde, Osianderstraße 2-8, 72076 Tübingen, Tel: 07071 / 29-86199, mailto:juergen.geis-gerstorfer@uni-tuebingen.de

Der Werkstoff Titan wird sehr häufig klinisch als Implantatmaterial eingesetzt. Hierbei basiert der klinische Einsatz von Implantaten auf weltweiter Grundlagenforschung, Tier- und klinischen Studien der letzten 3 Jahrzehnte.

Im Dentalbereich werden Implantate in der Regel heute aus Titan technischer Reinheit und teilweise aus Titanlegierungen hergestellt.

Nach heutigem Kenntnisstand ist davon auszugehen, dass die Oberflächeneigenschaften, neben der funktionellen Formgebung (Geometrie), eine entscheidende Rolle für den Erfolg der Versorgung spielen. Zahlreiche Studien zum Einfluss verschiedener Oberflächeneigenschaften von Titanimplantaten auf die periimplantäre Knochenneubildung belegen, dass die Gewebsantwort durch die Implantatoberfläche mo-duliert wird. So ist seit langem bekannt, dass die Chemie und die Topographie von Implantatoberflächen die biologische Interaktion wesentlich beeinflussen, da sie die Biomaterial/Biosystem-Grenzfläche und dadurch die Gewebsintegration und die Langzeitstabilität der Implantate beeinflussen.

Die Bedeutung und der Einfluss von Rauigkeit und Topographie für die Osseointegration wurde durch eine Vielzahl von Studien belegt, die u.a. gesteigerte Knochen-Implantat-Kontakte (bone-to-implant con-tacts) und erhöhte Ausdrehkräfte (removal torque tests) in vivo sowie eine Anregung der Osteoblastendif-ferenzierung in vitro belegen.

So konnte gezeigt werden, dass eine mikro-/nanorau geätzte Titanoberfläche 33% höheren Knochen-Implantat-Kontakt in vivo aufweist als Stoffsammlung zum Themengebiet: eine maschinell (machined) hergestellte Oberfläche.

Cochran konstatiert in seinem ‘State of the art review’ auf der Basis einer hohen Zahl an bisherigen Stu-dien rauen Implantatoberflächen im Vergleich zu glatten einen größeren Knochen-Implantat-Kontakt auf histologischer Ebene.

Ellingsen schlussfolgert in seinem Review zu Oberflächenkonfigurationen dentaler Implantate, dass die Rauhigkeit von Implantaten bei Sa-Werten zwischen 1,0 and 1,5 μm ein Maximum hinsichtlich des biolo-gischen Benefits erreicht.

Raue Implantatoberflächen werden durch eine Vielzahl additiver Beschichtungstechnologien und subtrak-tiver Methoden erzeugt.

Aktuell sind knöchern verankerte dentale Implantate mit unterschiedlichen Oberflächencharakteristika verfügbar, von relativ glatten, maschinell hergestellten Oberflächen bis hin zu mehr rauen Oberflächen, die durch Beschichtungen, Strahlprozesse mit verschiedenem Strahlgut, Säurebehandlungen oder durch diverse Kombinationen dieser Technologien erzeugt werden.

Mikrorauigkeiten an Titanimplantaten werden durch Strahlprozesse, Ätzungen oder Kombination beider Techniken erzeugt. Beispielhaft für eine der häufigeren Kombinationen von Modifizierungsverfahren sei die komplex mikrostrukturierte SLA (sandblasted with large grit and acid etched)-Titanimplantatoberfläche genannt, die durch einen Strahlprozess Vertiefungen der Dimension 20-40 μm erhält, welche mittels eines nachfolgenden Säureätzprozesses durch Mikroporen mit Durchmessern von 0.5-3 μm überlagert werden.
Der SLA-Oberfläche wird in der Literatur deshalb auch eine Mikro- und Makrorauhigkeit zugeschrieben.

Neben Rauhigkeit und Topographie spielen die Chemie und die freie Oberflächenenergie der Implantate wichtige Rollen in der physiologischen Interaktion nach Insertion.

Oberflächenenergie und Benetzungscharakteristik (Hydrophilie) können besonders während der initialen Konditionierung der Implantatoberflächen mit Proteinen und initialer Zelladhäsion bedeutsam sein.

Mit unterschiedlichen Zellkultur-Modellen wurden verschiedene Oberflächendesigns auf die jeweilige bio-logische Antwort untersucht. Es hat sich hierbei gezeigt, dass eine oberflächenabhängige makromolekula-re Konditionierung die zelluläre Antwort modulieren kann. Osteoblastenzellen zeigen signifikant gesteiger-te Anheftung an rauen im Vergleich zu glatten Oberflächen.

Unterschiedliche Rauigkeit und Textur beeinflussen direkt die Adsorption von Albumin und Fibronektin und hierdurch die zelluläre Anheftung und Adhäsion.

Bezüglich der Proliferation und der Differenzierung reagieren osteoblastische Zellen sensitiv auf die Mik-roarchitektur von Implantatoberflächen.

Osteoblasten zeigen bei erhöhter Oberflächenrauigkeit abnehmende Proliferation, aber gesteigerte Diffe-renzierung. Etwa beeinflussen Titanoberflächen unterschiedlicher Mikrotopographie das Wachstum oste-oblastenähnlicher Osteosarkomzellen insofern, als deren Zellzahl auf mikrorauen Oberflächen reduziert wird, während die Differenzierung, quantifiziert über die Osteocalcinproduktion, gesteigert wird.

Mikroraue Oberflächen steigern die Differenzierung von Zellen. Aktuell werden deshalb intensiv die ge-nauen Mechanismen untersucht, die rauigkeitsbedingt eine Adhäsion der Osteoblasten sowie die nachfol-genden Prozesse steuern.

Aus verschiedenen Studien zum Einfluss unterschiedlicher morphologischer Dimensionen auf Prozesse der knöchernen Integration kann gefolgert werden, dass die Topographie im Mikro- und Submikrobereich die Adhäsion, Orientierung, Morphologie und Bewegung von Zellen beeinflusst.

Frühe Blut/Implantat-Wechselwirkungen werden beim initialen Einheilprozess knöchern verankerter Imp-lantate infolge der Bildung eines Blut-Clots und der Konditionierung der Implantatoberfläche durch Blutbe-standteile ebenfalls als wichtiger Faktor betrachtet. In einer aktuellen Studie konnte gezeigt werden, dass die Oberflächentopographie die Verteilung roter Blutkörperchen nach 10 min Blut/Implantat Kontakt beein-flusst. Zusätzlich wurden in dieser Studie auf mikrorauem, doppelt säuregeätztem Titan qualitativ mehr Plättchen beobachtet als auf weniger rauen, maschinell hergestellten Titanoberflächen.

Eine 3-Jahres-Multi-Center-Studie mit säuregeätzten dentalen Titanimplantaten und solchen, die eine maschinell hergestellte Oberfläche aufwiesen, zeigte signifikante Unterschiede in der Überle-bens(Erfolgs)rate (success rate), die bei den mikrostrukturierten geätzten Implantaten bei 95% lag, bei den maschinell hergestellten aber bei 86,7%.
Schlussfolgerung:
Aus der Übersicht ergibt sich, dass raue Titan-Implantatoberflächen als vorteilhaft für die Osseointegration gelten.