Die Firma BIOMET 3i stellt auf der IDS in Köln eine völlig neue Implantatoberfläche mit Namen NanoTiteTM vor.

28. September 2007
Implantologie

Die Firma BIOMET 3i stellt auf der IDS in Köln eine völlig neue Implantatoberfläche mit Namen NanoTiteTM vor.


Veränderung der Interface-Reaktionen durch eine neuartige nanostrukturierte Implantatoberfläche.

Implantatoberfläche: NanoTiteTM

Implantatoberfläche: NanoTiteTM
Bildquelle: ©BIOMET 3i

Anhand von Ergebnissen der präklinischen Studien und laufenden klinischen Studien geben Herr Dr. Dr. Andreas Valentin und Herr Claus Pukropp, Marketingleiter der Firma BIOMET 3i dem Dentalbarometer einen exklusiven Einblick in diese viel versprechende neue Technologie.

Hintergrund der neuen Technologie

Die Firma BIOMET 3i hat in den vergangenen 4 Jahren über 4 Millionen Euro in die Forschung und Entwicklung der neuen Oberflächentechnologie mit Namen NanoTiteTM investiert, um dem Implantologen eine mit Nanotechnologie ausgestattetes, neuartiges Produkt bieten zu können, das insbesondere in anspruchsvollen und grenzgängigen Indikationsstellungen eine verbesserte Performance und damit eine sichere und vorhersagbare Versorgung erm;ouml;glicht. Wenn Werkstoffe auf den Nanobereich miniaturisiert werden, verlieren sie ihre ursprünglichen physikalischen, chemischen und biologischen Eigenschaften. Nanotechnologische Produkte können heutzutage „maßgeschneidert“ hergestellt werden, wobei neue Werkstoffeigenschaften in Relation zu ihrer Partikelgröße entstehen. Die Nanotechnologie befasst sich mit Partikelgrößen von 1-100 nm (1nm = 10-9 m = 0,000 000 001 m). Sie produziert neue Materialien, Werkstoffeigenschaften und Oberflächen, die bestehende Verhältnisse hinsichtlich ihrer mechanischen, elektrischen, katalytischen und optischen Eigenschaften potenziell und in mehrfacher Hinsicht übertreffen [1]. Es besteht prinzipiell eine direkte kausale Korrelation zwischen Partikelgröße und Werkstoffeigenschaften, insofern, als die Werkstoffe ihre (Makro- oder Mikro-) Eigenschaften verändern, je kleiner sie werden. Kleinere Partikel besitzen relativ betrachtet eine größere Oberfläche. Die Oberflächeneigenschaften eines Werkstoffes unterscheiden sich von den physikalischen und chemischen Eigenschaften im Inneren des Werkstoffs. Neue und spezifische Produktfunktionalitäten lassen sich heute so durch die definierte Miniaturisierung der Substrate „maßgeschneidert“ und zielgenau erzeugen [2].

Was unterscheidet OSSEOTITE® von NanoTiteTM

Verbesserte Operationstechniken, klinische Erfahrungen und neue Implantatdesigns stellen derzeit die apodiktische Forderung nach einer unbelasteten Einheilung als Voraussetzung für die Osseointegration dentaler Implantate in Frage. Der chemische und physikalische Einfluss der Implantatoberfläche auf das initiale Proteinmolekül und Fibrinnetz ist zwar noch weitgehend ungeklärt, doch scheinen Modifikationen der Oberflächentextur eine wichtigere Rolle zu spielen als die chemischen Eigenschaften eines Implantatwerkstoffs [3,4]. Raue Oberflächen weisen eine stärkere Fibrinogen- und Thrombozytenadsorption infolge einer höheren Konzentration von sog. Gaskeimen auf [5]. Die Doppelätzung (DAE, dual acid-etching) der bekannten OSSEOTITE Oberfläche hat erhebliche Auswirkungen auf die Morphologie, Adhäsion und Granulabildung initialer Proteinadsorptionen [6]. Porengröße und -geometrie des Substrats erleichtern die Knochenbildung bei Querschnittsmorphologien von 2 µm Tiefe und 200-300 µm Weite. Die Vertiefungen bilden eine Festkörpermatrix für die Adsorption und Speicherung endogen gebildeter oder zirkulierender BMPs und osteogener Proteine. Die neue NanoTiteTM Oberfläche ist ein Synergetikum aus der bewährten OSSEOTITE Oberfläche mit hochmoderner additiver Nanotechnologie. In einem speziellen Verfahren (DCDTM / Discrete Cristalline DepositionTM) werden Kalciumphosphatkristalle in Nanometergröße auf die Oberfläche gebracht.

Das Verfahren stellt sich wie folgt da: Nanopartikuläre, hochkristalline Kalziumphosphatteilchen in einer kolloidalen Lösung heften sich auf der mikrostrukturierten OSSEOTITE Oberfläche selbst an. Der Anlagerungsmechanismus erfolgt über Selbstorganisationsprozesse (ionale, molekulare und thermodynamische Wechselwirkungen) mit der Oberfläche 

So entstehen definierte Ablagerungen aus nanopartikulären Einzelkristallen (keine zusammenhängende Schicht) von 20-100 nm Länge. Der Kalziumphosphatanteil einer NanoTite-Oberfläche beträgt bei einem 13-mm-Implantat mit 4 mm Durchmesser (OSS413) schätzungsweise 3,9-14,5 µg (1,000,000 ?g = 1 g). Die kolloidale NanoTiteTM -Lösung wurden röntgendiffraktometrisch untersucht, wobei die Ergebnisse eine Kristallinität von ? 95% (innerhalb der Nachweisgrenzen) und keine erkennbaren amorphen Bestandteile zeigten.

Der hocheffektive biologische Selbstorganisationsprozess (DCDTM / Discrete Cristalline DepositionTM / Self-Assembly) der Partikel durch thermodynamische Wechselwirkungen und Gleichgewichtsverschiebungen zwischen Molekülen ermöglicht die Synthese neuer Materialien. Die CaP-Auflagerungen bilden keine zusammenhängende Schicht und bedecken nur 50% der Gesamtoberfläche des Implantats. Charakterisierungsstudien der verwendeten neuen Oberfläche ergaben eine sehr hohe Kristallinität, eine sehr geringe Auflösung bei physiologischem pH, eine Biokompatibilität, die alle Standard-Testkriterien erfüllt und eine Adhäsionsfestigkeit, die über die Anforderungen der FDA an bestehende HA-Beschichtungstechnologien hinausgeht.

 

Wissenschaftliche Evidenz

Insgesamt wurden für die Entwicklung der NanoTiteTM Oberfläche umfangreiche Tierversuche durchgeführt, um die Leistungsfähigkeit der neuen Technologie zu belegen.

In einem Push-in Modell am Rattenfemur waren die mittleren maximalen Intrusionskräfte für die NanoTite -Implantate über 200% höher als für die Kontrollimplantate mit FOSS (Full OSSEOTITE Surface)-Oberfläche. Ähnlich hohe Unterschiede ergab auch eine Reihe von T-Plant-Studien, die der Frage nachgingen, welchen Beitrag die NanoTite-Behandlung für die OSSEOTITE-Oberfläche leistet. Die Daten sind zur Publikation eingereicht. Nach 2-wöchiger Heilung zeigten die FOSS-Implantate einen linearen Kontakt von 24,3%, während die NanoTite-Implantate 53,6% aufwiesen, was einer Steigerung des Knochen-Implantatkontaktes (BIC) um 121% entspricht. In einer Reihe von Zugfestigkeitsversuchen wurde die maximale Kraft gemessen, die erforderlich ist, um den Knochen von der Implantatoberfläche abzuziehen. Beim Vergleich von OSSEOTITE und NanoTite betrug der Unterschied in der Abzugkraft nach 9-tägiger Heilung das Neunfache (900%). Bei vielen NanoTite Prüfkörpern brach die kortikale Knochenwand ab, bevor sich der Knochen von der Implantatoberfläche löste, so dass sich das untenstehend dargestellte Bild ergab.

In der Folge wurden an 60 Zentren in Europa und den USA verschiedene Human Studien mit folgenden Fragestellungen durchgeführt:

  • Sofortbelastung von Einzelzahn und Brücken
  • Kompromittiertes Implantatlager (Augmentat)
  • Sofortbelastung nach Zahnextraktion
  • Sofortbelastung im Oberkiefer
  • Sehr kurze Implantate
  • Gewinnung von Humanhistologien (Miniimplantate / Trepanosteotomie)

 

Möglicher Wirkmechanismus der NanoTite Oberfläche

Die Primärstabilität ist ein wichtiger physikalischer Parameter bei der Implantatinsertion. Wenn die Primärstabilität einen kritischen Wert überschreitet, kann es zur Traumatisierung des Implantatlagers und in der Folge zum Implantatverlust kommen [7]. Sie lässt sich beispielsweise anhand des Insertionsdrehmoments des Implantats im knöchernen Lager oder mittels Resonanzfrequenzanalyse (Ostell Mentor®, Straumann Inc. D-Umkirch) bestimmen. Da die Primärstabilität durch traumainduzierte Resorptionsprozesse innerhalb der kritischen ersten 4 Wochen der Einheilung langsam abnimmt, sollte sie nicht das einzige Kriterium für die Entscheidung für oder gegen die Sofortbelastung eines Implantats darstellen. Die Sekundärstabilität im Sinne der Osseointegration ersetzt gleichzeitig die initiale mechanische Stabilisierung des Implantats durch eine biochemische ankylotische Verbindung. Mikrotexturiertes Titan beeinflusst den zellulären Phänotyp, die Zellorientierung, die Anlagerung zellulärer Matrix sowie die Mikro- und Ultrastruktur des Gewebes durch Modulation der Genexpression (z.B. extrazelluläre Matrixproteine wie Osteocalcin oder Osteopontin) derart, dass es zu einer gleichmäßigen Mineralisierung und intensiven Kollagenanlagerung an der Oberfläche führt [8]. Die Proteinmatrices sind entscheidend für die Integration des Implantats, da osteogene Zellen aufgrund von Oberflächenerkennungs-mustern eher mit einer Oberflächenmatrix als mit einzelnen Zellen reagieren. Die Nano-technologie findet zunehmend Eingang in unseren Alltag, von TiO2-Nanopartikeln in Sonnenschutzlotions bis hin zu nanotexturierten selbstreinigenden Textilien (Partikelgröße 50-100 nm). Die Eigenschaften dieser „quasi-dimensionslosen“ Partikel sind mit der traditionellen Physik nicht mehr zu erklären. Im Nanokosmos dominieren die Oberlächeneigenschaften von Teilchen und es herrschen insofern Grenzflächeneffekte vor [2]. Die Funktionalität von Nanoprodukten ergibt sich aus den Beziehungen zwischen Größe und Eigenschaften der Partikel. Bei mikrostrukturierten (z.B. OSSEOTITE) Implantatoberflächen kann die Implantatbelastung im Unterkiefer doppelt so schnell wie im Oberkiefer erfolgen. [9] In den vorliegenden Studien mit nanostrukturierten Implantatoberflächen (NanoTiteTM ) zeigten Implantate sowohl im Ober- als auch im Unterkiefer dieselbe Erfolgsquote bei Sofortbelastung oder Sofortversorgung. Der Erfolg hing nicht von der Länge, dem Durchmesser oder der Zahl der Implantate, der präoperativen Verdichtung des Knochens oder einer besseren Primärstabilität des Implantats ab. Ebenso wenig setzte die erfolgreiche Integration des Implantats eine sofortige mechanische Verblockung der Implantate voraus. Kleinere Fälle mit zweigliedrigen oder einzelnen Implantatrestaurationen wurden ebenso erfolgreich sofortbelastet.

Für die vorläufigen Ergebnisse, die mit der untersuchten nanotechnologischen Oberflächenmodifikation erzielt wurden, könnten 4 verschiedene Phänomene hypothetisch verantwortlich sein:
1. Die auf der Nanoebene im molekularen Bereich wirksamen elektrostatischen und Van-der-Waals-Kräfte sind stärker als die elektrostatischen Kräfte auf der Mikroebene. Die dielektrische Konstante kann dabei exorbitante Werte von ca. 13.000 erreichen [10]. Die Attraktion und Stabilisierung der Proteinschichten als frühe Phase der knöchernen Regenerationskaskade wird verstärkt und beschleunigt.
2. Die Nanostrukturierung vergrößert die Funktionsoberfläche durch Unterschnitte enorm (bis zu 446 %), und trägt somit zu einer festeren biologischen Verankerung der Kittlinien im Frühstadium der Verknöcherung mit der Oberfläche bei (zellgerechte Unterschnitte) [11]
3. Die Nano-CaP-Auflagerungen werden von den Zellen der Grenzfläche leichter als natürliche körpereigene Umgebung erkannt und akzeptiert („auf Augenhöhe miteinander kommunizieren“ = biomimetische Osseointegration).
4. Das chemische und physikalische Adsorptionsverhalten des nanoskaligen CaP ist aufgrund des hohen Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnisses ideal [2]

 

Zusammenfassung & Nutzen

Die vorläufigen klinischen Ergebnisse der Untersuchungen zur Applikation von nanoskaligen CaP-Einzelkristallauflagerungen auf Full Osseotite (FOSS)-Implantate bestätigen die herausragende Überlegenheit einer nanostrukturierten gegenüber einer konventionell mikrostrukturierten Implantatoberfläche. In-vitro-Tests sowiedie vorläufige tierexperimentelle Ergebnisse legen nahe, dass NanoTiteTM -Oberflächen einen wichtigen Schritt hin zur beschleunigten (biomimetischen) Osseointegration darstellen können. In Übereinstimmung mit der aktuellen Literatur wird bei nanostrukturierten im Vergleich zu konventionellen, mikrotexturierten Oberflächen eine enorme Vergrößerung (durchschnittlich >200%) der Gesamtoberfläche festgestellt. Die beobachteten biologischen Vorteile weisen auf starke Van-der-Waals-Kräfte zwischen der Nano-Oberflächenstruktur und den initial adsorbierten Proteinmatrices (Lamina limitans) hin. Die Verwendung von CaP-Einzelkristallauflagerungen führt bereits innerhalb der kritischen ersten 4 Wochen nach der Implantatinsertion zu einer signifikant beschleunigten und vermehrten Bildung der wichtigen extrazellulären Matrixproteine, einer Zunahme des Extrusionswiderstandes um 900% , des Intrusionswiderstandes nach 14-tägiger Heilung um 200% sowie der BIC-Werte um 121% .

Für den Anwender könnte dies bedeuten, dass die Erfolgsquote bei konventionellen Indikationen, aber insbesondere die Erfolgsquote bei Grenzindikationen durch die Anwendung von NanoTiteTM Implantaten steigen könnte. Neue schnellere Therapiekonzepte im Bereich der Sofortbelastung, der Verzicht von aufwändigen Augmentationen durch die sichere & dauerhafte Verankerung von kurzen Implantaten wird die Akzeptanz von dentalen Implantaten beim Patienten positiv beeinflussen können. Patienten, die heute aufgrund bestimmter Kontraindikationen nicht oder nur unter Inkaufnahme eines höheren Risikos implantiert werden können, könnten mit Nanotite Implantaten standardmäßig mit vorhersagbaren Ergebnissen versorgt werden.

Dr. phil. nat. Dr. med. dent. A. H. Valentin
Visiting Professor (Nippon Dental University, Japan)

Institute for Oral Surgery
O7, 13 (Planken)
68161 Mannheim

BIOMET 3i Deutschland GmbH
Claus Pukropp
Leiter Marketing und Produktmanagement

LITERATUR (bei der Redaktion) [1] Webster TJ and TA Smith: Increased osteoblast function on PLGA composites containing nanophase titania. J Biomed mat Res A 2005; Vol 74 (4); p. 677 – 686 [2] Hartmann U: Nanotechnologie. Akademischer Verlag ELSEVIER 2006; ISBN-13: 978-3-8274-1802-9 [3] De Oliveira PT and A Nanci: Nanotexturing of titanium – based surfaces upregulates expression of bone sialoprotein and osteopontin by cultured osteogenic cells. Biomaterials 2004; Vol 25 (3), p. 403 – 413 [4] Bade H, Güne Y und H Koebke: Untersuchung zur Primärstabilität an Dentalimplantaten. Z Zahnärztl Impantol 2000; 16; 33 – 39 [5] Nygren H, Tengvall P, Lundstrom, I The initial reactions of TiO2 with blood J Biomed Mater Res 1997; 34: 487 - 492 [6] Gemmel CH and JY Park 2000: Initial Blood Interactions with Endosseous Implant Materials In: Davies J (Ed.): Bone Engineering, 1. ed. Toronto: em squared incorporated, 1999; pp. 108 - 117, [7] Engelke, W Sofortimplantation und Sofortbelastung ZahnPrax 9, 8, 446-454 2006 [8] Saruwatari L, Aita H, Butz F, Nakamura HK, Ouyang J, Yang Y, Chiou WA and T Ogawa: Osteoblasts generate harder stiffer and more delamination – resistant mineralized tissue on titanium than on polystyrene associated with distinct tissue micro – and ultra structure. J Bone Mineral Res Vol 20 (11), 2005; p. 2002 – 2016 [9] Schlegel A, Schultze-Mosgau St und J Wiltfang: Wann sind enossale Implantate belastbar? Impantologie 2002; 10/ 3, 253 – 268 [10] Dey, A., De S, De, A und De SK Giant dielectric constant in titania nanoparticles embedded in conducting polymer matrix J Nanosci Nanotechnol 6(5): 1427 – 36 2006 [11] Prabhu Gubbi, P. und S. Zachary: Surface Area Increase due to Discrete Cristalline Deposition of Nanometer Scale CaP Crystals. Posterpräsentation, EAO 2006, Zürich


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