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02 LOGON I WISSENSCHAFTLICH UND ZUVERLÄSSIG LOGON I WISSENSCHAFTLICH UND ZUVERLÄSSIG 03
DIE ULTRAHYDROPHILE
OBERFLÄCHE
Der Einfluss hyperhydrophiler Oberflächen auf die Gewindedesign in erster Linie dazu beitragen, das Implantat bei der Titanoberfläche. Das Sandstrahlen dient der Schaffung von überschießende Immunreaktion des Gewebes in diesem frühen
Osseointegration von Dentalimplantaten aus Titan der Insertion mittels mechanischer Friktion primärstabil im Mikroporositäten, während die nachfolgende Ätzung in Abhängig- Stadium zu verhindern und eine beschleunigte Osseointegration
Implantatbett zu verankern, ist die Oberflächenstruktur auf der keit von dem Ätzmedium und der Ätzungsdauer zur Etablierung der Implantate zu ermöglichen.27 In der Folge führt die frühe
Einleitung Mikroebene des Implantats maßgeblich daran beteiligt, das einer Nanotopografie führt.24, 25 Weitere Modifikationen dieser Anlagerung dieser Fibrinmatrix dazu, dass Makrophagen mit der
Implantat sekundär – und somit langzeitstabil – im Knochen ein- Verfahren hatten die Ausbildung so genannter „hierarchischer Implantatoberfläche in Kontakt treten können.36 Bereits in den
Wurzelförmige Dentalimplantate haben sich im Zuge der techni- heilen zu lassen. In diesem Zusammenhang führt die Fähigkeit Oberflächenstrukturen“ zur Folge, die zu einer Bioaktivierung der frühen 1980-er Jahren wurde erkannt, dass Makrophagen die
schen Weiterentwicklungen und nicht zuletzt auch wegen des der Implantatoberfläche, konduktive und induktive Vorgänge im Implantatoberflächen führten.20, 28 Werden Implantate unmittel- ersten Zellen sind, die mit Implantatoberflächen in Kontakt treten
demografischen Wandels in den letzten Jahren als beliebte Knochen zu initiieren, zu einer Beschleunigung der knöchernen bar nach Ausbildung einer nanotopografischen Oberfläche in und dass sie dadurch eine Schlüsselposition als Mediatoren bei
Behandlungsalternative zu konventionellen prothetischen Verfah- Einheilungsprozesse und der Osseointegration.6 einem wässrigen Medium gelagert, führt dies zur Ausbildung der Osseointegration von Dentalimplantaten innehaben.37, 38
ren bewährt.1, 2 Titan hat sich dabei aufgrund seiner guten physika- hydrophiler Oberflächeneigenschaften, die in einer erhöhten Hydrophile Implantatoberflächen sind dabei offensichtlich in der
lischen und chemischen Eigenschaften als Standardmaterial für Während der vergangenen 50 Jahre wurden daher zahlreiche Ver- Benetzbarkeit der Oberfläche durch Flüssigkeiten resultiert. 26, 27 Lage, modulierend auf die Immunreaktion von Makrophagen
Dentalimplantate etabliert. Eine besondere Eigenschaft des Werk- fahren entwickelt, um die Oberflächeneigenschaften von Titan einzuwirken. Sie führen dazu, dass sie sich zu so genannten
stoffs ist dessen spontane Fähigkeit, bei Kontakt mit Sauerstoff implantaten zu verbessern.11 Bis in die 1990er Jahre wurden Dental- M2-Zellen differenzieren,38, 39 die ihrerseits über die Sekretion von
eine Oxidschicht auf dessen Oberfläche auszubilden.3 Dieses implantate mit einer maschinierten Oberfläche hergestellt.12 Die Knochenmorphogenetischem Protein-2 (Bone Morphogenetic
materialspezifische Verhalten wirkt sich positiv auf die Osseointe- spätere Erkenntnis, dass strukturelle Unregelmäßigkeiten in einer Protein-2, BMP-2) eine Knochenneubildung anregen und über
gration von Titanimplantaten aus. Der durch das chirurgische makroskopisch glatt erscheinenden Oberfläche die Osteoblasten anti-entzündlich wirksame Interleukine IL-4 und IL-10 begünstigend
Trauma bei Implantatinsertion entstehende „oxidative Stress“ im apposition anregen können und somit die Osteokonduktion geför- auf die periimplantäre Immunreaktion, die Osteoinduktion und
Gewebe führt zur Ausbildung freier Sauerstoffradikale, die ihrer- dert wird, führte in der Folge dazu, dass verschiedene Verfahren letztendlich auf die Osseointegration der Implantate einwirken.40, 41, 42
seits eine zusätzliche „Verdickung“ der Titandioxid-Schicht auf der zur Schaffung mikrorauer Oberflächen im Bereich von 1,0-100,0
Implantatoberfläche begünstigen.3, 4 Die nachfolgende Einlage- Mikron entwickelt wurden, um somit zu einer Bioaktivierung der
rung von Kalzium- und Phosphat-Ionen in diese Oxidschicht Oberfläche und zu einer Verbesserung der Implantat-Osseo
bewirkt letztendlich eine „Bioaktivierung“ der inerten Titan integration beizutragen.4
oberfläche und setzt den Startpunkt für die Osseointegration
Mikrostruktur Nanostruktur
des Implantats.4 Zu diesen Verfahren gehören verschiedene mechanische Vorge- 5.000-fach vergrössert 100.000-fach vergrössert
hensweisen zur subtraktiven mikrotopografischen Strukturierung
Der Begriff der „Osseointegration“ wurde bereits Anfang der der Oberflächen von Dentalimplantaten wie beispielsweise Sand-
1980er-Jahre von der Studiengruppe um Albrektsson als „die direk- strahlung und/oder Säure- bzw. Laserätzung. Andere Verfahren Hydrophilie von Implantatoberflächen
te funktionelle und strukturelle Verbindung zwischen Knochen zur Veränderung der Eigenschaften der Oberflächen von Titan
und der Oberfläche eines Implantats unter Belastung“ definiert.5 implantaten finden u.a. mittels anodischer Oxidation, UV-Bestrah- Werden Implantate unmittelbar nach Ausbildung einer nanotopo-
In diesen frühen Jahren wurde die erfolgreiche Osseointegration lung (Photofunktionalisierung), Plasmaspray-Verfahren oder grafischen Oberfläche in einem wässrigen Medium gelagert, führt
von Implantaten zunächst als das Ergebnis der biokompatiblen Beschichtungen der Titanoberflächen mit verschiedenen Materia- dies zur Ausbildung hydrophiler Oberflächeneigenschaften, die in
Eigenschaften der Titanoberfläche betrachtet.6 Neben dessen lien statt.4, 13-18 einer erhöhten Benetzbarkeit der Oberfläche durch Flüssigkeiten
guten Biokompatibilität sind jedoch die osteokonduktiven Eigen- resultiert.26, 27
schaften des Titans, d.h. dessen Fähigkeit, das Wachstum des Die mittlere Oberflächenrauigkeit liegt bei den meisten markt
umliegenden Knochens auf der Implantatoberfläche anzuregen üblichen Implantaten heutzutage zwischen 1,0-2,0 Mikron. Diese Hydrophile Oberflächen sind infolge ihrer Eigenschaften offen-
sowie dessen osteoinduktive Potenz, d.h. seine Fähigkeit Knochen Mikrotopografie gilt als ideal geeignet zur Oberflächenvergröße- sichtlich für eine beschleunigte Heilungsreaktion, Osteoblasten-
wachstum von sich aus zu initiieren, limitiert und deutlich niedri- rung und zur Stimulierung der periimplantären Knochenbildung.19 proliferation und eine gute biologische Verbindung zwischen der
ger, als z.B. die von Keramikmaterialien auf Kalzium- Doch während diese mikrotopographischen Gegebenheiten eher Implantatoberfläche und den organischen Strukturen im Implan-
Phosphatbasis.6-8 Hinzu kommt, dass die Titandioxid-Schicht auf auf der zellulären Ebene wirken,20 zeigt demgegenüber eine nano- tatbett sehr gut geeignet.29-31 Zudem scheinen nanotopografische
Implantaten eine hohe Affinität zur Aufnahme von Hydrogen topographische Oberflächengestaltung offensichtlich sowohl auf Strukturen eine bakterielle Anlagerung und somit die Bildung von
karbonaten aus der Umwelt hat, was sich negativ auf die Oberflä- zellulärer, als auch auf molekularer Ebene ihre positive Wirkung Biofilm auf der Implantatoberfläche verhindern zu können.29, 32-35 BMP-2-Sekretion durch Makrophagen
chenenergie und somit auf die bioaktiven Oberflächeneigenschaf- auf eine Beschleunigung der Osseointegration.21 Anhand von In
ten des Implantats auswirkt.9, 10 vitro-Untersuchungen konnte zudem eine signifikant reduzierte Aktuelle In vivo-Untersuchungen konnten zeigen, dass die Benetz- So konnten in mehreren aktuellen randomisiert kontrollierten
bakterielle Anlagerung auf nanostrukturierten Titanoberflächen barkeit bzw. die hydrophilen Eigenschaften von Implantaten mit Studien bei Implantaten mit einer hydrophilen Oberfläche im Ver-
beobachtet werden. 58, 59 nanostrukturierten Oberflächen, einen wesentlichen Einfluss auf gleich zu Implantaten mit einer konventionellen gesandstrahlten/
Der Einfluss von Makro-, Mikro- und Nanostrukturen auf die die Wundheilung nach Implantatinsertion und die Osseointegration geätzten Oberfläche signifikant höhere Stabilitätswerte während
Implantatstabilität Zahlreiche Implantatoberflächendesigns zielen daher auf die der Implantate haben. Nach Insertion kommt es auf der hydro der knöchernen Einheilung beobachtet werden.43, 44 Auch nach
Kombination von Porositäten sowohl auf der Mikro- als auf der philen Implantatoberfläche sehr schnell zu einer Adsorption von Früh-, bzw. Sofortbelastung von Implantaten mit einer chemisch
Essentiell wichtig für den kurz- und langfristigen Implantaterfolg Nanoebene ab, um eine optimale Oberflächenvergrößerung zu Proteinen aus dem Blut, was zunächst in einer beschleunigten modifizierten, hydrophilen Oberfläche konnten über ein klinisches
sind die primärstabile Verankerung des Implantats während der erreichen. Nanostrukturierte Oberflächen können mittels chemi- Blutkoagulation und Induktion von Heilungsvorgängen resultiert. Follow-up von zehn Jahren sehr gute Langzeitergebnisse mit
Einheilphase sowie dessen Sekundär- bzw. Langzeitstabilität unter scher, elektrochemischer, physikalischer oder mechanischer Nanostrukturierte hydrophile Implantatoberflächen begünstigen hohen Implantatüberlebensraten von 97,6 % ermittelt werden.45
prothetischer Belastung. Während die makroskopischen Struktu- Verfahren erzeugt werden.22, 23 Zu den mechanischen Verfahren demnach während der frühen Einheilphase eine erhöhte
ren des Implantats, wie dessen wurzelförmige Geometrie und das zählen beispielsweise die kombinierte Sandstrahlung und Ätzung Auflagerung von Serumproteinen, die in der Lage sind, eine04 LOGON I WISSENSCHAFTLICH UND ZUVERLÄSSIG LOGON I WISSENSCHAFTLICH UND ZUVERLÄSSIG 05
REFERENZEN ZUR OBERFLÄCHE
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rend der letzten 15 Jahre intensiv mit der komplexen Materie zur verlieren offensichtlich bei Lagerung an der Luft ihre Eigenschaf-
Hydrophilie von Titanoberflächen auseinandergesetzt. Entschei- ten.56 Dieser Effekt ist auf die bereits erwähnte hohe Bindungs 2. Chappuis V, Maestre L, Bürki A, Barré S, Buser D, Zysset P, 13. Al Mugeiren O M, Baseer M A. (2019) Dental Implant Bioactive
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Oberfläche ist der Kontaktwinkel, der zwischen dem Tropfen einer Kontakt mit der Atmosphäre zurückzuführen.10, 57 Mittels des titanium with a hydrophilic nano-patterned surface: an in vivo 9(1): 1-4.
Flüssigkeit und der untersuchten Oberfläche entsteht. Die Spanne Einsatzes von Salzlösungen, die nach Evaporierung ihrer wässri- examination in miniature pigs. Biomater Sci 6(9): 2448-59.
von Kontaktwinkeln liegt klassischerweise im Bereich zwischen 0° gen Phase eine getrocknete Salzschicht (Exsikkationsschicht) auf 14. Chambrone L, Shibli J A, Mercurio C E, Cardoso B, Preshaw P M.
und 180° und gilt theoretisch für alle ideal glatten Oberflächen.46 den Implantatoberflächen ausbilden, wird ein längerfristiger 3. Branemark R, Branemark P I, Rydevik B, Myers R R. (2001) (2015) Efficacy of standard (SLA) and modified sandblasted and
Schutz der Erhalt der ultra- bzw. hyperhydrophilen Oberflächen Osseointegration in skeletal reconstruction and rehabilitation: acid-etched (SLActive) dental implants in promoting immediate
Unter diesen Idealbedingungen ist jedoch ein Kontaktwinkel von eigenschaften von Implantaten über mindestens fünf Jahre a review. J Rehabil Res Dev 38(2): 175-81. and/or early occlusal loading protocols: a systematic review of
θ > 119° (hydrophobe Oberflächen) und von θ < 0° (hydrophile ermöglicht.50, 55, 56 prospective studies. Clin Oral Implants Res 26(4): 359-70.
Oberflächen) aus physikalischen Gründen praktisch unmöglich.47 4. Dohan Ehrenfest D M, Coelho P G, Kang B S, Sul Y T, Albrektsson
In der Natur können im Gegensatz dazu jedoch auf rauen Ober Mittels Kaliumphosphatlösungen in einer bestimmten Konzentra- T. (2010) Classification of osseointegrated implant surfaces: 15. Lee J T, Cho S A. (2016) Biomechanical evaluation of laser-et-
flächen, wie beispielsweise der Blattoberfläche der Lotusblume, tion konnte beispielsweise in einer In vitro-Untersuchung eine materials, chemistry and topography. Trends Biotechnol 28(4): ched Ti implant surfaces vs. chemically modified SLA Ti implant
tatsächlich Kontaktwinkel von annähernd 180° gemessen werden. sehr homogene Schicht auf Titanimplantaten mit gesandstrahl- 198-206. surfaces: Removal torque and resonance frequency analysis in
Diese, durch lufthaltige Kammern auf der Blattoberfläche beding- ten/säuregeätzten Oberflächen ausgebildet werden, die in der rabbit tibias. J Mech Behav Biomed Mater 61: 299-307.
te hydrophobe Eigenschaft der Lotusblume wird daher gerne auch Lage war, die hyperhydrophilen Eigenschaften der Implantatober- 5. Albrektsson T, Branemark P I, Hansson H A, Lindstrom J. (1981)
als „Lotus-Effekt“ bezeichnet48 und für Oberflächen mit so genann- flächen mit imaginären Kontaktwinkeln noch nach 30 Monaten Osseointegrated titanium implants. Requirements for ensuring 16. Mangano F G, Pires J T, Shibli J A, Mijiritsky E, Iezzi G, Piattelli A,
ten „super- bzw. ultrahydrophoben“ Eigenschaften angewendet.46, Lagerung an der Luft und bei Zimmertemperatur zu erhalten.55 a long-lasting, direct bone-to-implant anchorage in man. Mangano C. (2017) Early Bone Response to Dual Acid-Etched
49, 50
Tatsächlich erreichbare Kontaktwinkel auf glatten Oberflächen, In anderen In vitro-Untersuchungen war auf salzbeschichteten Acta Orthop Scand 52(2): 155-70. and Machined Dental Implants Placed in the Posterior Maxilla:
die bei θ < 10° liegen, werden dabei als ultrahydrophil bezeich- Titanoberflächen – neben einer guten Biokompatibilität – auch A Histologic and Histomorphometric Human Study. Implant
net.46, 49 Raue Oberflächen mit einem θ = 0° gelten als superhydro- eine signifikant reduzierte bakterielle Anlagerung zu beobach- 6. Ramazanoglu M, Oshida Y (2011). Osseointegration and Bio Dent 26(1): 24-9.
phil, während für einen imaginären Kontaktwinkel von θ < 0° der ten.58, 59 In einer tierexperimentellen Studie konnte bei Implanta- science of Implant Surfaces - Current Concepts at Bone-Implant
Begriff hyperhydrophil verwendet und von der Arbeitsgruppe in ten mit einer nanostrukturierten Oberfläche, deren hydrophile Interface. Implant Dentistry - A Rapidly Evolving Practice. 17. Novaes A B, Jr., de Souza S L, de Barros R R, Pereira K K, Iezzi G,
seiner Eigenschaft als „inverser Lotus-Effekt“ bezeichnet wird.46, 49, Eigenschaften mittels einer Chrom-Schwefelsäure-Beschichtung I Turkyilmaz. Rijeka, InTech: 58-82. Piattelli A. (2010) Influence of implant surfaces on osseo
51
Eine Vergrößerung der Oberfläche mittels hierarchischer Mikro- konserviert wurden, eine signifikant beschleunigte de novo- integration. Braz Dent J 21(6): 471-81.
und Nanostrukturen führt dabei zu niedrigen Knochenbildung im Vergleich zu Implantaten mit einer Plasma 7. da Silva R A, da Silva Feltran G, Ferreira M R, Wood P F, Bezerra F,
Kontaktwinkeln.52 beschichteten Titanoberfläche beobachtet werden.60 Zambuzzi W F. (2020) The Impact of Bioactive Surfaces in the 18. Le Guehennec L, Soueidan A, Layrolle P, Amouriq Y. (2007)
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hyperhydrophilen Oberfläche osteoinduktive Eigenschaften, die conduction and osseointegration. European spine journal 10(2): of different surfaces and in vivo responses to them.
im Vergleich zu anderen Implantatsystemen zu einer deutlich S96-S101. Int J Prosthodont 17(5): 536-43.
beschleunigten und verbesserten Osseointegration des Implan-
Prinzip der Kontaktwinkelmessung tats führen. Die hyperhydrophilen Oberflächeneigenschaften des 9. Zhao G, Schwartz Z, Wieland M, Rupp F, Geis-Gerstorfer J, 20. Rupp F, Scheideler L, Rehbein D, Axmann D, Geis-Gerstorfer J.
Implantats werden mittels einer Salzbeschichtung geschützt und Cochran D L, Boyan B D. (2005) High surface energy enhances (2004) Roughness induced dynamic changes of wettability
In tierexperimentellen Studien konnte gezeigt werden, dass bleiben auch bei Lagerung an der Luft über einen langen Zeitraum cell response to titanium substrate microstructure. J Biomed of acid etched titanium implant modifications. Biomaterials
Implantate mit einer superhydrophilen Oberfläche und niedrigen erhalten. Dadurch bleibt dem implantologisch tätigen Zahnarzt im Mater Res A 74(1): 49-58. 25(7-8): 1429-38.
Kontaktwinkeln eine signifikant schnellere Osseointegration vor- Rahmen der Implantatinsertion ausreichend Zeit zur Insertion,
weisen konnten, als Implantate mit einer konventionellen Oberflä- ohne dass Risiken eines Verlusts der Hydrophilie durch den 10. Held U, Rohner D, Rothamel D. (2013) Early loading of hydro 21. Mendonça G, Mendonça D B, Aragão F J, Cooper L F. (2008)
che.53, 54 Eine sehr gute Option, um einerseits die bereits beschrie- Kontakt des Implantats mit der Atmosphäre befürchtet werden philic titanium implants inserted in low-mineralized (D3 and Advancing dental implant surface technology--from micron-
bene Aufnahme von Hydrogenkarbonaten aus der Umwelt und müssen. Dadurch wird nicht zuletzt auch das Handling des D4) bone: one year results of a prospective clinical trial. to nanotopography. Biomaterials 29(28): 3822-35.
somit die Verunreinigung der Oberfläche der Titanimplantate zu Implantats während des operativen Eingriffs deutlich vereinfacht. Head Face Med 9: 37.
vermeiden und damit die hydrophilen Eigenschaften der Implan- 22. Cavalu S, Antoniac I V, Mohan A, Bodog F, Doicin C, Mates I,
tatoberfläche zu erhalten, ist deren Vorbehandlung mit Salzlösun- 11. Annunziata M, Guida L. (2015) The Effect of Titanium Surface Ulmeanu M, Murzac R, Semenescu A. (2020) Nanoparticles and
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