Optimierung der Zytokompatibilitätsanalyse von Biomaterialien auf Magnesiumbasis und ...

50 Pages·2015·1.9 MB·German

UNIVERSITÄTSKLINIKUM HAMBURG-EPPENDORF
Klinik und Poliklinik für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie
Prof. Dr. med. Dr. med. dent. Max Heiland
Optimierung der Zytokompatibilitätsanalyse von Biomaterialien auf
Magnesiumbasis und Entwicklung von plasmaanodisierten
Magnesium-Implantatwerkstoffen
Dissertation
zur Erlangung des Grades eines Doktors der Medizin
an der Medizinischen Fakultät der Universität Hamburg.
vorgelegt von:
Ole Jung
aus Bremen
Hamburg 2015
(wird von der Medizinischen Fakultät ausgefüllt)
Angenommen von der
Medizinischen Fakultät der Universität Hamburg am: 22.06.2016
Veröffentlicht mit Genehmigung der Medizinischen
Fakultät der Universität Hamburg.
Prüfungsausschuss, der/die Vorsitzende: Prof. Dr. Dr. R. Smeets
Prüfungsausschuss, zweite/r Gutachter/in: PD. Dr. F. Barvencik
Prüfungsausschuss, dritte/r Gutachter/in:
2
Meinen Eltern
Meiner Tochter Greta
3
Inhaltsverzeichnis

Einführung in die Thematik 5-18
Publikation: Was können regenerative Materialien in der Zahnmedizin
leisten – und wo sind die Grenzen?

Publikationsdissertation 19-28
Publikation: Optimized in vitro procedure for assessing the cytocompatibility
of magnesium-based biomaterials

Zusammenfassung und Literaturverzeichnis 29-42
Inhaltliche Zusammenfassung der Publikationsdissertation und Darstellung
des Kontexts

Anhang 43-50

4
708 WISSENSCHAFT / RESEARCH Übersicht / Review
R. Smeets1, O. Jung1, H. Hanken1, P. Hartjen1, A. Al Dam1, A. Gröbe1,
M. Heiland1, M. Gosau2, D. Rothamel3, M. Schlee4, G. Iglhaut5, A. Kolk6
Was können regenerative
Materialien in der Zahn-
medizin leisten – und wo
sind die Grenzen?
R. Smeets
What is achievable with regenerative materials
in dentistry – and where are the limits?
Einleitung: Der menschliche Knochen kann per- Introduction: The regenerative potential of human bone
sonenbezogen physiologisch sowie aufgrund verschie- growth is constrained by different factors like individual-re-
dener exogener Einflussfaktoren beispielsweise Krankheiten lated physiology and various other determinants such as dis-
oder auch degenerativ bedingt nur eingeschränkt in der Lage ease and age. Thereby, the regenerative potential of human
sein, größere Knochendefekte zu heilen. Dabei kann das re- bone can be enhanced by various bone substitute materials
generative Potenzial des menschlichen Knochens durch ver- as a suppository.
schiedene Gruppen von Knochenersatzmaterialien als Sup- Material and Methods: Currently available materials can
positorium in unterschiedlichem Maße unterstützt werden. be divided into two groups: natural and synthetic bone sub-
Material und Methoden: Die heute verfügbaren Materia- stitute materials (BSM). Beside autogenic substances, the
lien können vom Grundsatz her in zwei Gruppen unterteilt group of natural BSM includes allogeneic, xenogeneic and
werden: natürliche und synthetische Knochenersatzmateria- phytogenic materials. The synthetic group can be divided
lien (KEM). Die Gruppe der natürlichen KEMs umfasst neben into metals, cements, ceramics, polymers and composites.
autologen Substanzen auch die der allogenen, xenogenen The different product categories are more or less accepted
und phytogenen Materialien. Zu den synthetischen KEMs and integrated in everyday practice. It is crucial to know the
zählen Metalle, Zemente, Keramiken, Polymere und Kom- benefits and risks of available materials in order to use them
posite. Dabei sind die verschiedenen Produktklassen bereits properly for the appropriate indications.
mehr oder weniger in der alltäglichen Praxis integriert und Results and Conclusion: In addition to currently available
akzeptiert. Die Vorteile und Risiken der verfügbaren Materia- dental regenerative materials, this article introduces further
lien müssen bekannt sein, um diese bei den entsprechenden constituents which could increasingly gain access to practice
Indikationen richtig einsetzen zu können. in the nearer future. Besides conducting interdisciplinary ap-
Ergebnisse und Schlussfolgerung: In diesem Artikel wer- plication characteristics, the article discusses experimental
den neben aktuell verfügbaren zahnmedizinischen regenera- and clinical studies on the respective materials.
tiven Materialien auch solche vorgestellt, welche zukünftig
vermehrt Zugang in den praktischen Alltag erhalten könn- Keywords: regenerative materials; bone substitute materials;
ten. Neben der Ausführung von interdisziplinären Anwen- bone transplants; natural materials; synthetic materials
dungscharakteristiken werden experimentelle wie auch kli-
nische Studien zu den jeweiligen Materialien thematisiert.
(Dtsch Zahnärztl Z 2014; 69: 708–721)
Schlüsselwörter: regenerative Materialien; Knochenersatzmate-
rialien; Knochentransplantate; natürliche Materialien; syntheti-
sche Materialien
1 Klinik und Poliklinik für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie, Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf
2 Universitätsklinik für Mund-, Kiefer- und Plastische Gesichtschirurgie, Paracelsus Medizinische Privatuniversität, Nürnberg
3 Klinik und Poliklinik für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie, Universitätsklinikum Köln
4 Praxis Dr. Markus Schlee, Forchheim
5 Zahnarztpraxis Dr. Gerhard Iglhaut, Memmingen
6 Klinik und Poliklinik für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie, Technische Universität München-Klinikum rechts der Isar
Peer-reviewed article: eingereicht: 04.07.2013, revidierte Fassung akzeptiert: 15.07.2014
DOI 10.3238/dzz.2014.0708–0721
n © Deutscher Ärzte-Verlag | DZZ | Deutsche Zahnärztliche Zeitschrift | 2014; 69 (12) 5
R. Smeets et al.:
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1. Einleitung Osteoblasten stammen dabei von • Langfristige, stabile Implantatintegra-
sich zu Osteoprogenitorzellen differen- tion
Regenerative Materialien stellen einen zierenden, multipotenten mesenchy- • Kostengünstige, dreidimensionale Struk-
Bereich mit erheblichem wirtschaftli- malen Stammzellen (MSCs) ab, welche tur
chen Potenzial und steigenden Wachs- sich durch verschiedene Stimuli, bei- Diese Anforderungen werden je nach
tumsraten dar. Nach Umsatzrückgängen spielsweise durch Bone morphogenetic Produktklasse und Zusammensetzung
in den Jahren 2000 bis 2002 konnte der protein 2 (BMP-2), eine Metalloprotease vornehmlich von Kompositen erfüllt,
weltweite Absatz von 487 Millionen aus der Peptidase M12 A Familie und ein während Kalziumphosphatzemente,
Dollar im Jahr 2002 auf 2,4 Milliarden wichtiger Ansatzpunkt regenerativer Polymere, Keramiken sowie natürliche
Dollar im Jahr 2007 fast verfünffacht Versuchsreihen, weiter zu Osteoblasten Kollagene osteokonduktiv und demi-
werden [51]. Insgesamt waren 2007 differenzieren [43, 79]. Osteoklasten neralisiertes Knochenmineral, WF
weltweit über 55 kommerziell aktive Fir- entstammen hingegen den Granulo- (Wachstumsfaktoren), Zytokine als
men sowie über 110 Firmen oder Start- zyten/Makrophagen-Progenitorzellen auch genetische Therapieansätze osteo-
ups mit über 6.000 Vollzeitarbeitsstellen und somit den multipotenten hämato- induktiv wirken [42, 66, 77].
am Markt vertreten, von denen 55 % ih- poetischen Stammzellen, welche sich Die als echte Knochenneogenese be-
ren Hauptsitz in den USA hatten [51]. durch Granulozyten-Makrophagen Ko- zeichnete Osteokonduktion entlang ei-
Das für 2007 errechnete Gesamtkapital lonie-stimulierende Faktoren (GM- ner möglichst stabilen Leitschiene un-
des Sektors in Höhe von 4,7 Milliarden CSF), Makrophagen Kolonie-stimulie- terscheidet sich dabei von der durch WF
Dollar untermauert dessen wirtschaftli- rende Faktoren (M-CSF), Tumor-Nekro- (z.B. bone morphogenetic proteins,
che Relevanz [22, 51]. se-Faktoren (TNF) und verschiedene In- BMPs) vermittelten Osteoinduktion als
Viele Defektsituationen nach Kno- terleukine differenzieren [43]. Dabei Induktions- und Differenzierungsvor-
chen- oder Weichgewebeverlust in der nehmen Osteoblasten bei der Osteo- gang osteogener Zellen aus niedrig diffe-
Zahnmedizin verlangen aufgrund der li- klastogenese eine parakrine Regulie- renzierten Vorläuferzellen. Dabei entste-
mitierten Verfügbarkeit und der gegebe- rungsfunktion ein, indem sie durch ih- hende Osteoprogenitorzellen lassen
nen Entnahmemorbiditäten nach Er- ren RANKL-Liganden mit dem Trans- Knochen in Geweben entstehen, die
satzgeweben oder wachstumsunterstüt- membranrezeptor RANK mit anschlie- normalerweise nicht am Knochenstoff-
zenden Materialien verschiedener Her- ßender NF-κB vermittelten Signaltrans- wechsel bzw. der Knochenheilung teil-
kunft. duktion die Osteoklastogenese anregen nehmen (z.B. Muskel) [22, 42, 77]. Der
Folgende regenerative Materialien kön- und über den WNT/β-Catenin-Weg mit Begriff der Osteopromotion beschreibt
nen unterschieden werden: OPG-Bildung diese Rezeptoren inhibie- dabei die stimulierenden Wirkungen auf
• Knochenersatzmaterialien ren [38, 39, 43]. ortsständige osteogene Zellen, was eben-
• Membranen falls in manchem Ausmaß durch KEMs
• Weichgeweberegenerate 2.1 Knochenersatzmaterialien anteilmäßig gewährleistet werden kann
In diesem Artikel werden im Folgenden (Engl: Bone Subsitute Materials [77]. Interkonnektierende Poren unter-
die großen Wissens- und Themengebie- [BSMs]) schiedlicher Dimension vergrößern die
te regenerativer Materialien systema- innere Oberfläche des KEMs, wobei zu-
tisch beschrieben, erläutert sowie mit re- Knochenersatzmaterialien (KEM) wer- nehmende Porendurchmesser von
levanten aktuellen Studien aus dem den in natürliche, synthetische und Ver- > 100 µm eine Vaskularisation bei wie-
zahnmedizinischen Bereich unterlegt. bundmaterialien eingeteilt (Tab. 1) [22, derum abnehmender Stabilität ermögli-
Aufgeführte Produkte stellen lediglich 42, 42, 75, 75, 77]. chen. Kleinere Poren fördern die Gewe-
Beispiele für bestimmte Gruppen rege- Die aufgeführten Materialien müs- beformation durch An- und Einwach-
nerativer Materialien dar. sen hierbei verschiedenen Ansprüchen sungsvorgänge, was wiederum einer
gerecht werden und sollten diverse Neovaskularisation entgegensteht [77].
Funktionen erfüllen. Neben Formstabilität und guten bio-
2. Grundlagen: Osteogenese, Zurückgehend auf die initialen Ver- mechanischen Eigenschaften sollten
Ossifikation, suche durch Barth und Ollier in den Jah- Knochenersatzmaterialien eine anwen-
Defektheilung ren 1867 und 1893 werden folgende An- derfreundliche Verarbeitung und Hand-
sprüche an ein ideales KEM gestellt [30, habung sowie je nach Zielsetzung opti-
Osteogenese (Entstehung eines Kno- 42, 66, 77]: male Resorptionseigenschaften (gleiche
chens) und Ossifikation (Bildung von • Sterilität und Biokompatibilität Geschwindigkeit von Degradation und
Knochengewebe) werden bei der Be- • Fehlende Toxizität, Teratogenität, Kan- nativer Ersatzknochenbildung) aufwei-
schreibung der desmalen (direkten) und zerogenität und Immunogenität sen [42, 77].
chondralen (indirekten) Knochenbil- • (Möglichst vollständige) Biodegradier- In Abhängigkeit von Einsatzgebiet und
dung oft synonym verwendet, wobei barkeit Zielsetzungen können KEM folgende
durch das Zusammenspiel von Osteozy- • Osteoinduktion, Osteokonduktion Funktionen erfüllen:
ten, Osteoblasten und Osteoklasten als und Osteopromotion • Osteokonduktion und -induktion bei
„basic multicellular unit“ (BMU) neuer • Stabilisierung des Blutkoagels Verwendung als Platzhalter und Leit-
Knochen gebildet bzw. im Zuge der Kal- • Stabilität bei gleichzeitiger interkon- schiene zur Formgebung
lusformation erneuert wird [38, 39, 43, nektierender Porosität • Stimulierung des Knochenstoffwech-
80]. • Frühzeitige Belastbarkeit sels
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• Trägermaterial für verschiedene aktive ten transplantierten Geweben über- munogener- und infektiöser Rückstän-
Substanzen, z.B. Antibiotika, WF haupt [30, 42, 79]. Dabei vermitteln na- de im Vordergrund, die je nach Herstel-
• Trägermaterial für gentherapeutische türlich verfügbare Stammzellen und WF ler und Produkt durch verschiedene
Zielsetzungen sowohl osteoinduktive- als auch kon- Verfahren erreicht wird (z.B. Lyophili-
Die Anforderungen und Funktionen duktive Eigenschaften [30, 42, 79, 79]. sierung, Gammabestrahlung, Peressig-
werden bezüglich der osteogenen Neu- Es wird zwischen vaskularisierten-, säure-Ethanol-Sterilisierung). Demine-
formation von autogenen Transplanta- avaskulären- und spongiösen Trans- ralisierte Materialien bieten durch die
ten maximal erfüllt, wohingegen andere plantaten unterschieden, die je nach In- gute Verfügbarkeit der nach Aufberei-
Entitäten diese nur teilweise unter Be- dikation unter Verwendung etwaiger tung noch erhaltenen WF ein höheres
rücksichtigung einer möglichen Träger- Hilfsmittel (Scaffolds, Schrauben u.a.) induktives Potenzial [22, 34, 42, 72,
funktion für wachstumsfördernde An- zum Einsatz kommen. 77]. Trotzdem kann das Risiko der Über-
sätze bzw. Substanzen erreichen. Osseo Plus Transfer (BEGO, Bremen, tragung kontaminierter Materialien
Trotz vieler erfolgsversprechender Deutschland) ist ein Entnahmesystem hierbei mit an Sicherheit grenzen-
Ergebnisse und Forschungsansätze im für autogene Transplantate zum Einsatz der Wahrscheinlichkeit ausgeschlossen
Bereich der KEM muss der autologe Kno- bei horizontalen und vertikalen Kno- werden.
chentransfer weiterhin als Goldstan- chendefekten, insbesondere des Alveo- Maxgraft (botiss dental GmbH, Ber-
dard gelten. Autologer Knochen kann larkammes. Nach Aufbereitung des lin, Deutschland) ist ein Produktbeispiel
bei gleichzeitig guter Biokompatibilität Empfängerlagers und Entnahme des für eine mineralisierte Knochenmatrix
durch die hypoallergene Struktur als os- Transplantates wird dieses mittels Os- und wird nach hohen Qualitätsstan-
teokonduktives Scaffold mit osteogener teosyntheseschrauben am Zielort befes- dards steril aus Organspenderknochen
Kapazität genutzt werden und sowohl tigt (Abb. 1). durch die Gewebebank der Universitäts-
vaskulär als auch avaskulär mit erheb- Für großvolumige Knochendefekte medizin Charité, Berlin, aufbereitet
lich höheren Erfolgsraten transplantiert wie beispielsweise Teil- oder Komplett- (Spenderauswahl, Spendertestung auf
werden als momentan verfügbare nicht- resektionen des Unterkiefers können Infektionen mit HIV, HBV und HCV,
autologe Knochenersatzmaterialien [33, mittels CAD/CAM-Technologie auto- chemische Reinigung, Aufbereitung,
42, 77]. loge Knochentransplantate (z.B. Fibula, Sterilisation) (Abb. 2a, b). Human-Spon-
Beckenkamm) mittels Schablone aus- giosa ist als Granulat oder in Blockform
2.2 Natürliche KEM geschnitten und entsprechend der Kon- erhältlich. Als weitere Produktbeispiele
figuration des Empfängerlagers für die für eine mineralisierte Knochenmatrix
Die natürlichen Materialien lassen sich Transplantation vorbereitet werden. sind die verschiedenen spongiösen und
gemäß ihrer Herkunft in autogene Derartige Systeme werden unter ande- kortiko-spongiösen Produkte Puros
(Spender und Empfänger stellen das rem von den Firmen Depuy-Synthes (Zimmer Dental, Freiburg, Deutschland)
gleiche Individuum dar), allogene (Tutlingen, Deutschland), KLS Martin sowie die Präparate des Deutschen Insti-
(Spender und Empfänger gehören der (Tutlingen, Deutschland), Planmeca tuts für Zell- und Gewebeersatz zu nen-
gleichen Spezies an) und xenogene (Helsinki, Finnland) und BIOMET (Ber- nen, welche sich durch ihre Spenderge-
(Spender um Empfänger gehören nicht lin, Deutschland) angeboten. webe, Herstellungsverfahren, Produkt-
der gleichen Spezies an) Ausgangssub- Als weniger invasiv und damit weni- zusammensetzung und Darreichungs-
stanzen unterteilen [42]. Phytogene Ma- ger patientenbelastend gilt das Entnah- form unterscheiden.
terialien können hierbei der Gruppe der mesystem von Knochenmarkaspiraten Bei DBM werden die anorganischen
Xenogene untergeordnet werden. für großvolumige Knochendefekte (Rea- Bestandteile vollständig entfernt, sodass
In der Gruppe der synthetischen mer-Irrigator-Aspirator [RIA]- Technik), ein kollagen-trabekuläres Gerüst zu-
Materialien werden Keramiken, Metalle, wobei Knochenmark aus dem Femur rückbleibt. Hierdurch stehen die enthal-
Polymere sowie Zemente unterschie- aspiriert wird [30, 60]. Bei quantitativ tenen WF (z.B. knochenmorphogeneti-
den. gesteigertem Entnahmematerial zeigen sche Proteine und Zytokine) in höherem
Verbundmaterialien werden auch bisherige Ergebnisse keine Nachteile im Maße zur Verfügung [22, 34, 77]. Als
als Komposite bezeichnet. Vergleich zur herkömmlichen Becken- kommerziell verfügbare Produkte sind
kammentnahme [8, 28, 60]. hier u.a. Grafton (BioHorizons, Freiburg,
2.2.1 Autogene Transplantate Deutschland) und Puros in deminerali-
Autogene Materialien werden aus dem 2.2.2 Allogene Transplantate sierter Form (Zimmer Dental, Freiburg,
eigenen Körper entnommen und an an- Allogene KEM werden aus Organspen- Deutschland) zu nennen, welche als
derer Stelle als Knochentransplantate derknochen gewonnen und sind nach Putty (Paste), Block oder flexibel
eingesetzt, wodurch Aufbau und Eigen- verschiedenen Aufbereitungsprozessen schneidbare Streifen erhältlich sind.
schaften des Transplantates den Anfor- in vielen Formen verfügbar. Dabei kön- Die aus der Maxgraft-Produktfamilie
derungen an das ideale KEM entspre- nen spongiöse sowie kortikale Substan- erhältlichen bonerings (botiss dental
chen. Trotz begrenzter biologischer Ver- zen als mineralisierte oder deminerali- GmbH, Berlin, Deutschland) stellen
fügbarkeit und einhergehender Entnah- sierte (DBM = demineralized bone matrix; ebenfalls eine neuartige patienten-
memorbiditäten gilt das autogene DFDBA = demineralized freeze-dried bone freundliche Produktentwicklung dar
Transplantat weiterhin als Goldstan- allograft) Knochenmatrix verwendet und werden aus vorfabrizierten Spon-
dard zur Augmentation voluminöser werden. Bei beiden Aufbereitungsfor- giosablöcken hergestellt. Diese können
Defekte und gehört zu den am häufigs- men steht eine initiale Entfernung im- bei Sinusbodenaugmentationen sowie
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Materialherkunft Materialbeschreibung Wirkung Nachteile/Vorteile Beispielpräparate
Natürliche
Materialien
Autolog/autogen osteokonduktiv
Spender und Empfänger gleich Tibiapräparat
(Autoplastik) (osteoinduktiv)
Übertragung von
Spender und Empfänger sind
Syngen/isogen osteokonduktiv Infektionskrankheiten Knochenmark
Zwillinge
möglich
Maxgraft, bonerings
Übertragung von
Allogen Spender und Empfänger gehö- (Botiss). Puros
osteokonduktiv Infektionskrankheiten
(mineralisiert) ren der gleichen Spezies an mineralized (Zimmer
möglich
Dental)
Übertragung von Grafton (BioHorizons),
Allogen Spender und Empfänger gehö-
osteokonduktiv Infektionskrankheiten Puros demineralized
(entmineralisiert) ren der gleichen Spezies an
möglich (Zimmer Dental)
Übertragung von Bio-Oss (Geistlich),
Spender gehört einer anderen
Xenogen osteokonduktiv Infektionskrankheiten Cerabone (Botiss),
Art an, z.B. bovines Material
möglich Bego-Oss (BEGO)
Übertragung von
Algipore (Dentsply),
Phytogen Pflanzliches Material osteokonduktiv Infektionskrankheiten
Biocoral (Biocoral)
möglich
Keine Übertragung von
Synthetische
Infektionskrankheiten
Materialien
möglich
Kalziumphosphat-Keramiken
Keramiken osteokonduktiv Ostim (Heraeus Kulzer)
aus reinem Hydroxylapatit
Kalziumphsophatzemente,
bestehend aus ein bis zwei
Zemente osteokonduktiv Norijan CRS® (Synthes)
Puderkomponenten in wässriger
Lösung
Basierend auf Säureoxid,
Biologische Gläser osteokonduktiv Biogran® (BIOMET)
Kieselerde und Laugen
PLGA (Poly(lactic-co-
Polymere Synthetisches degradierbares glycolic acid)), z.B.
osteokonduktiv
(degradierbar) Polymer Bioseed Oral Bone
(BioTissue Technologies)
Polymere Synthetisches nicht-
osteokonduktiv Polyethylen (PE)
(nicht-degradierbar) degradierbares Polymer
Vermischung verschiedener
natürlicher und synthetischer osteokonduktiv, Fortoss Vital
Komposite
Materialien zur Osteokonduktion- osteoinduktiv (Biocomposites)
und Induktion
Tabelle 1 Verfügbare Knochenersatzmaterialien.
Table 1 Available bone substitute materials.
horizontalen- und vertikalen Knochen- Implantate durch die „Cells and Tis- 17, 27, 29, 40, 56, 61–63, 82, 95]. Einem
defekten eingesetzt werden und ermög- suebank Austria (CTBA)“ anbietet praktischen Einsatz kann aber das theo-
lichen eine simultane Implantatversor- (Abb. 4). retische Risiko einer Übertragung viraler
gung (Abb. 3). Nach aktueller Studienlage können Erkrankungen gegenüber stehen.
Als individuelle allogene Trans- demineralisierte allogene KEM bei Si-
plantatlösung steht das Produkt max- nusbodenaugmentationen gleichwerti- 2.2.3 Xenogene Transplantate
graft bonebuilder (botiss dental ge Ergebnisse wie autologe Transplantat- Das poröse Hydroxylapatit (HA) wird als
GmbH, Berlin, Deutschland) zur Verfü- materialien erzielen. Dies konnte auch Hauptbestandteil der meisten xenoge-
gung, welches durch CT/DVT-Scans für Kieferkammaugmentationen, intra- nen Materialien verwendet und ent-
mittels CAD/CAM-Technik individuel- ossäre Defekte sowie für Implantatver- spricht dem Hauptbestandteil der anor-
le, auf den Patienten zugeschnittene sorgungen nachgewiesen werden [2, 16, ganischen Knochenmatrix. Die meisten
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ten Ox (imperiOs, Frankfurt, Deutsch-
land) und Bio-Gen (Mectron, Köln,
Deutschland) sowie die auf porciner
Grundlage gefertigten Substanzen Os-
teobiol, Apatos, Gen-Os, MP3, Putty
(American Dental Systems, Vaterstetten,
Deutschland) und OsteoGraf (Dentsply,
Konstanz, Deutschland) verfügbar. Sie
unterscheiden sich neben ihrer Ur-
Abbildung 1 Beispielgrafik für horizontalen Knochenaufbau [9]. sprungssubstanz (porcin, equin/corti-
Figure 1 Example for horizontal bone grafting [9]. cal, spongiös, kortikal-spongiös) auch
hinsichtlich Herstellungsverfahren, An-
wendungsspektrum und Applikations-
form (Putty, granulär, Gel) und können
xenogenen Materialien werden auf gung der Resorptionsprozesse beinhal- dem etablierten Bio-Oss als gleichwertig
pflanzlicher (Algen, Korallen) oder tieri- tet, wird Bio-Oss in Granulat- und Block- angesehen werden [6].
scher Basis (bovin, equin, porcin) in mi- form angeboten. Cerabone (botiss den- Als demineralisiertes xenogenes
neralisierter Form mittels Kalzinierung tal GmbH, Berlin, Deutschland), Bego Substitutionsprodukt auf Basis eines
oder Pyrolysierung gefertigt. Oss (BEGO, Bremen, Deutschland, Abb. Kollagenlyophilisats konnten Coloss
Das auf Algen basierende Algipore 5a, b), CompactBone (Dentegris, Duis- (Ossacur, Oberstenfeld, Deutschland)
(Dentsply, Konstanz, Deutschland) als burg, Deutschland), NuOss (Henry sowie das mit Teicoplanin versehende
phytogenes HA ist ein knochenanaloges Schein, Langen, Deutschland) sowie Nu- strukturgleiche Targobone (Ossacur,
hochporöses Kalziumphosphat, welches Oss Collagen (Henry Schein, Langen, Oberstenfeld, Deutschland) qualitativ
zur Auffüllung von Knochendefekten Deutschland) stellen einige mit Bio-Oss gleiche Ergebnisse wie HA/β-TCP-
verwendet wird und in Porengrößen bzw. Bio-Oss Collagen vergleichbare Pro- (PDLLA)-Keramiken erzielen, wobei die
von 0,3 bis 2 mm zum Einsatz kommt. dukte mit ähnlichem Indikationsprofil Ergebnisse gegenüber alloplastischen
Hier kann auch Biocoral (Biocoral, La und vergleichbarer Studienlage dar. Transplantaten mechanisch minderwer-
Garenne Colombes, Frankreich) als kris- Die bovine Hydroxylapatit-Keramik tiger waren [7, 20]. Insgesamt muss im
tallines Kalziumkarbonat in Aragonit- Cerabone ist besonders durch ein spe- Besonderen bezüglich des Produktes
Struktur verwendet werden, welches zielles Herstellungsverfahren, in dessen Targobone auf die von der Evidenzlage
ebenfalls hochporös (250–750 µm Po- Mittelpunkt die Sicherheit des Materials her unzureichende Studienlage verwie-
rengröße) angeboten wird. steht, charakterisiert. In einer zweistufi- sen werden [71].
Das aus bovinem spongiösen HA gen Hochtemperatur Prozessierung wer- PepGen P15 (Dentsply, Konstanz,
hergestellte Bio-Oss (Geistlich, Wolhu- den alle organischen Bestandteile sowie Deutschland) ist ein innovatives xeno-
sen, Schweiz) ist das am besten unter- antigene und infektiöse Komponenten gen-synthetisches Produkt aus bovinem
suchte KEM und kann neben syntheti- vollständig entfernt. Durch die Erhit- HA und synthetischem Polypeptid P-15.
schen β-Trikalziumphosphat-Produkten zung auf 1250 °C werden ebenfalls Prio- Das Polypeptid aus 15 Aminosäuren
und allogenen Transplantaten als evi- nen, die für die Übertragung der bovi- imitiert den Kollagenbindungsrezeptor
denzbasiertes KEM für verschiedene nen Encephalitis (BSE) verantwortlich für Osteoblasten auf der Knochenober-
Knochendefekte angesehen werden [42, sind, sicher eliminiert, jegliches Über- fläche und führt so zu deren Differenzie-
88]. Durch chemische Reinigung (Entfer- tragungsrisiko kann somit ausgeschlos- rung, was eine beschleunigte Knochen-
nung von Fetten, Proteinen und Mikro- sen werden. Der Sinterungsprozess führt neubildungsrate bewirkt. Das in PepGen
organismen) und Sterilisation durch außerdem zu einer hohen Kristallinität P15 verwendete HA wird in einem
Gamma-Bestrahlung kann das lange Zeit und Phasenreinheit der resultierenden Hochtemperaturverfahren bei 1.100 °C
als möglicher „slow virus“-Überträger Hydroxylapatit-Keramik. Beides be- hergestellt und das Polypeptid P-15 an-
angesehene Material als überaus sicher dingt eine hohe mechanische Stabilität schließend irreversibel gebunden.
eingestuft werden. Der natürliche Auf- sowie eine Stabilität des Kristallverbun-
bau und die Langzeitstabilität von Bio- des, welche ein Herauslösen von Einzel- 2.3. Synthetische und artifizielle
Oss führen zu einer verlässlichen Kno- kristallen verhindert, die eine unge- Materialien
chenneubildung, welche in zahlreichen wünschte Fremdkörperreaktion aus-
Studien und Reviews in vitro und in vivo lösen können. Da im Verlauf der Prozes- Synthetische Knochenersatzmaterialien
bestätigt wurde [6, 42, 54, 64, 70, 88]. Als sierung die natürliche raue Oberfläche können wie folgt unterteilt werden
osteokonduktives Material kann es ne- und offenporige Struktur des bovinen • Metalle: Titan
ben der Auffüllung von Knochendefek- Knochens erhalten bleibt, zeigt cera- • Zemente: Kalziumphosphatzemente
ten und bei Sinusaugmentationen auch bone gute osteokonduktive Eigenschaf- • Keramiken: Hydroxylapatit, α-/β-Tri-
für periimplantäre Defekte verwendet ten und dient damit als Leitschiene für kalziumphosphat (α-/β-TCP), Bioglä-
werden, wobei es zusätzlich zur initialen einwachsende Knochenzellen und Blut- ser
Stabilisierung des Blutkoagulums führt gefäße. •Glasionomere
[77]. Neben Bio-Oss Collagen, welches Als weitere xenogene Materialien • Polymere: Polyglycolide, Polylaktide,
zusätzlich 10 % Kollagen zur Beschleuni- sind u.a. die auf equiner Basis hergestell- Copolymere
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integration von „grit blasted“ und „ther-
mal treated“ („2step“) sowie „micro arc
oxidized“ (MAO) behandelten Titan-
oberflächen [3, 26, 55]. Canullo et al.
konnten ebenfalls geringere Knochen-
verluste in einem Zeitraum von 6 bis 18
Monaten bei in Argon-Plasma behan-
delten dentalen Titaniumimplantaten
feststellen [15].
Zur Optimierung der adhäsiven und
Abbildung 2a Ein Beispiel für eine mineralisierte allogene Knochenmatrix in rasterelektronen- integrativen Prozesse konnten Studien
mikroskopischer Aufnahme (rechts) und makroskopisch in Blockform (links) [14]. Vorteile bei einer Ummantelung von Ti-
Figure 2a Example for a mineralized allogenic bone matrix: scanning electron microscopy tan mit HA („coating“) aufzeigen, wobei
(right) and macroscopic in block shape (left) [14]. die HA-Beschichtung selber keinen anti-
bakteriellen Effekt hat [5, 91, 92]. Wei-
terhin fraglich und durch konträre Stu-
dienergebnisse in Frage gestellt ist, ob
die Rauheit und Mikroporosität das ent-
scheidende Kriterium für eine gesteiger-
te Osseointegration darstellt [19, 30].
Bezüglich der Prävention von Im-
plantatverlusten zeigen mit HA be-
schichtete Implantate mit zunehmender
Schichtdicke und Länge von über 10 mm
eine gleichmäßigere Verteilung der Kau-
kraft [18, 25]. Wo Rauchen und Belastun-
gen von nur 150 N den Implantaterfolg
Abbildung 2b Ein weiteres Beispiel für eine mineralsierte allogene Knochenmatrix in raster- gefährden können, konnten Mahnama
elektronenmikroskopischer Aufnahme (rechts) und makroskopisch in Blockform (links) [14]. et al. im Tierversuch die Mechanostat-
Figure 2b Another example for a mineralized allogenic bone matrix: scanning electron micro- Theorie nach Frost für eine notwendige
scopy (right) and macroscopic in block shape (left) [14]. Belastung des Kiefers nach Implantatver-
sorgung bestätigen [23, 52, 86]. Als wei-
teres Forschungsspektrum dentaler Tita-
niumimplantate darf die Entwicklung ei-
• Komposite: Mischverhältnisse organi- teogenese mit dem menschlichem Kno- ner proliferationsfördernden und gleich-
scher und anorganischer Komponenten chen ein, was neben Stabilität und Os- zeitig antibakteriellen Oberfläche durch
Das hydroxylierte und von Osteoblasten teokonduktion auch dessen Verträglich- inkorporierte Antibiotika gesehen wer-
gebildete Kalziumphosphatsalz HA mit keitsprofil unterstreicht [42, 58, 77]. den, wobei Polycaprolacton/Alginat
hohem Härtegrad ist der Hauptbestand- (PCL/AL)-Oberflächen und Ringe an der
teil der anorganischen Knochenphase 2.3.1 Metalle Implantatbasis gute Ergebnisse aufzei-
und bildet nach einem Raumgitterprin- Reintitan und Titanlegierungen gelten gen konnten [35, 45].
zip hexagonal-nadelförmige Kristalle. im orofazialen Bereich für knöcherne Im aktuellen Fokus der Forschung
Natürliches HA dient als Vorlage für syn- Defekte und Implantatstrukturen als stehen degradierbare Magnesiumim-
thetische HA- und Phosphatkeramiken etablierte temporäre Werkstoffe und plantate, welche im theoretischen Mo-
[43, 77]. sind als Platten, Nägel, Schrauben, dell durch optimale Prozesseigenschaf-
Der menschliche Knochen setzt sich Drähte, Klammern und dentale Implan- ten (Einstellen der Rauigkeit, dreidi-
aus 25 % organischer Substanz (haupt- tate erhältlich [30, 42, 77]. Im Gegensatz mensionale Kanalstruktur), Stabilität
sächlich Kollagen Typ I), 65 % anorgani- zu Legierungen aus rostfreiem Stahl, und biologische Eigenschaften (u.a. feh-
scher Matrix (HA) sowie 10 % Wasser zu- Edelstahl und verschiedenen Kobalt- lende Antigenität) überzeugen [81, 94].
sammen, wobei die HA-Kristalle durch Chrom-Bindungen, ist Titan aufgrund Dabei sind aber die Probleme der Degra-
Verbindung mit den Kollagenfibrillen seiner mäßig erhöhten Elastizität und dationskinetik trotz erheblicher For-
Härte- und Knochenfestigkeitsgrad be- Festigkeit weniger anfällig für osteope- schungsbemühungen (u.a. H2-Entwick-
stimmen [47, 77]. nische Prozesse („stress shielding“) ge- lung, Alkalisierung bei gleichzeitig
Das weitestgehend mit dem natürli- mäß dem Wolff-Gesetz [30, 77]. schneller Degradation) im Wesentli-
chen HA identische synthetische Kera- In der Herstellung der heute kom- chen bis heute ungelöst [37, 81].
mikprodukt β-TCP mit einem verträgli- merziell verfügbaren Titanimplantate
chen CaO-P2O5-Verhältnis von 1,67 gibt es verschiedene Strahlmittel und 2.3.2 Kalziumphosphatzemente
geht als osteotrop-bioaktiver Werkstoff Verfahren zur Oberflächenmodifikati- Kalziumphosphatzemente werden in
mit Freisetzung von Kalzium- und Phos- on. Dabei zeigen neueste Studien eine Zwei- und Dreikomponentensysteme
phationen eine so genannte Verbundos- erhöhte Knochenformation und Osseo- unterschieden. Zweikomponentensys-
© Deutscher Ärzte-Verlag | DZZ | Deutsche Zahnärztliche Zeitschrift | 2014; 69 (12) n 10