Wechselwirkung von Knochen und Titan – Neue Einblicke in die ungewöhnliche „Hochzeit“ von Knochen und Metall

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A. J. A. Wirthmann1, C. Paulmann2

Einleitung: Osteoprogenitorzellen proliferieren an glatten Titanoberflächen und bilden eine bindegewebige Einscheidung. Raue Oberflächen beeinflussen die genetische Antwort von Fibroblasten, was deren morphologischen Wandel in reife Osteoblasten auslöst. In seinem letzten Stadium der Differenzierung beginnt der Osteoblast mit der Produktion der extrazellulären Matrixfasern (EM), die im Endstadium der Knochenformierung durch das biologische Molekül des Hydroxylapatits (bHA) verstärkt wird.

Material und Methode: In diesem Beitrag zeigen wir mithilfe röntgendiffraktometrischer Untersuchungen an 6 in menschlichem Knochengewebe des Oberkiefers osseointegrierten Implantaten, dass an der Oberfläche von rauen Titanimplantaten unter biologischen Bedingungen Perowskit (CaTiO3) entsteht. In diesem Kristall ist das Calcium des Knochens ionisch gebunden und nicht kovalent, was bis 2004 jedoch angenommen wurde.

Ergebnisse: Der ionische Bindungstyp mit seinen geringeren Bindungskräften ermöglicht das vollständige Knochengewebsremodeling auch an der Implantatoberfläche, während eine kovalente Calciumbindung an/in das TiO2-Kristall das Calciumion daran hindern würde, im permanenten Remodelingprozess zwischen Knochengewebe und dem Metall-Kristall frei verfügbar zu sein. Auf der biologischen Seite bindet das positiv geladene Calciumion an die loci der Polyanionen des langkettigen Glycosaminglycans der extrazellulären Matrix, auf der Kristallseite der Implantatoberfläche an den covalent verbundenen Titan-Sauerstoff-Komplex. Die Elektronendichte dieses Komplexes ist signifikant höher (1,14 e Å-³) als die des Sauerstoff-Calcium-Komplexes (0,31 e Å-³), was eine isolierte Position und damit mehr ionische Bindung des Calciumatoms belegt. Der Begriff „Osseointegration" bedeutet daher in besonderer Weise die dynamische Integration des Knochen-Calciumions im Titandioxidkristall auf der Implantatoberfläche.

Schlussfolgerung: Diese Ergebnisse liefern die kristallografische wissenschaftliche Erklärung für die seit Jahrzehnten bekannte ungewöhnliche Verbindung von Titan bzw. seines Oxids mit dem biologischen Gewebe des Knochens in der Metallimplantologie. Beachtenswerterweise ist Perowskit des Titans eine in der Erdkruste weit verbreitete Verbindung, was auf eine hohe Affinität der beteiligten Atome hinweist – offenbar ein leichtes erneutes „Zusammenkommen" nunmehr im Gebiet der oralen Implantologie.

Schlüsselwörter: Zahnimplantate; Oberflächenrauigkeit; Knochenbiologie; Signalproteine; Epigenetik; Gewebserneuerung; Perowskit; Röntgenbeugungsmessungen

Introduction: Osteoprogenitor cells proliferate on smooth titanium surfaces and form a connective tissue capsule. Rough surfaces influence the genetic response of fibroblasts, which triggers their morphological alteration to mature osteoblasts. In the last stage of its differentiation, the osteoblast starts to produce extracellular matrix fibers (EM), which are reinforced in the final stage of bone formation by the biological molecule, hydroxyapatite (bHA).

Material and method: In this article, using X-ray diffraction studies of 6 osseointegrated implants in the human maxilla, we show that perovskite (CaTiO3) develops on the surface of rough titanium implants under biological conditions. In this crystal, the calcium of the bone is bound ionically and not covalently, as was assumed until 2004.

Results: The ionic type of bond, with its lower binding forces, enables complete bone remodeling on the implant surface also, while a covalent calcium bond to the TiO2 crystal would prevent the calcium ion from being freely available in the permanent remodeling process between bone tissue and the metal crystal. On the biological side, the positively charged calcium ion binds to the loci of the polyanions of the long-chain glycosaminoglycan of the extracellular matrix, and on the crystal side of the implant surface it binds to the covalently bound titanium-oxygen complex. The electron density of this complex is significantly higher (1.14 e Å- ³) than that of the oxygen-calcium complex (0.31 e Å-³), confirming the isolated position and therefore more ionic bonding of the calcium atom. The term „osseointegration" therefore signifies in particular the dynamic integration of the bone calcium ion in the titanium dioxide crystal on the implant surface.

Conclusion: These results provide the crystallographic scientific explanation for the unusual bonding of titanium or its oxide with the biological tissue of bone, which has been familiar in metal implantology for decades. It is noteworthy that the titanium compound perovskite is widespread in the earth‘s crust, indicating high affinity of the participating atoms and apparently a readily renewed reconvening in the area of oral implantology.

Keywords: dental implants; surface roughness; bone biology; signal proteins; epigenetics; tissue renewal; perovskite; X-ray diffraction measurements

Zitierweise: Wirthmann AJA, Paulmann C: Wechselwirkung von Knochen und Titan – Neue Einblicke in die ungewöhnliche „Hochzeit" von Knochen und Metall. Z Zahnaerztl Implantol 2014;30:288–300

DOI 10.3238/ZZI.2014.0288–0300

Einleitung

Im Bereich der medizinischen Implantologie gibt es eine Vielzahl von Verfahren der Einbringung von metallischen oder nicht-metallischen Fremdkörpern, angefangen beim Herzklappenersatz über metallische Stents für Blutgefäße bis hin zu Hüftendoprothesen und Küntscher-Nägeln für die langen Röhrenknochen. Keine dieser Prozeduren erreicht 100 % Erfolg nach dem Fünfjahres-Überlebensintervall. Zahnärztliche Implantate können eine Erfolgsrate von weit über 95 % erreichen und haben damit einen deutlich größeren Erfolg im Vergleich zu anderen therapeutischen medizinischen oder zahnmedizinischen Behandlungen allgemein.

Die Gründe für die ungewöhnliche Stabilität des Knochen-zu-Implantat-Kontakts (BIC) sind lange Zeit rätselhaft geblieben und lagen im Bereich der Vermutungen, gestützt auf klinische Beobachtungen.

In dem Versuch, die Standzeit des Implantatkörpers zu verlängern, begann Schröder in Bern 1976 die bis dahin glatte Implantatoberfläche durch Titanplasmaspray-Beschichtung (TPS) zu vergrößern, unter der Vorstellung, die Kraftverteilung ebenso wie die Interlocking-Eigenschaften innerhalb des Knochengewebes durch eine aufgeraute Implantatoberfläche zu verbessern. Diese Aufrauung ergab eine rechnerisch ermittelte Vergrößerung der Oberfläche um das ca. 6-Fache.

Überraschenderweise verschwand an den TPS-Oberflächen aber auch die bis dahin bekannte Bindegewebsschicht.

Die Gründe blieben unbekannt, bis tiefere Einsichten in die genetischen Eigenschaften der Zellen den Einfluss externer Materialeigenschaften auf die genetische Antwort der Vorläuferzellen der Osteoblasten identifizierten [10, 19, 22].

Problemstellung und Ziel

In der Implantologie begegnen sich hoch differenzierte biologische und metallische Substanzen, deren unterschiedliche Eigenschaften offenbar für den herausragenden Erfolg zahnärztlicher Implantate nicht hinderlich sind. Daher ergibt sich die Frage, welche biologischen Grundlagen den mechanischen Halt eines Stücks „toten“ Metalls mit niedrigem Entropieniveau in einer Umgebung des ständigen dynamischen Zellwechsels (remodeling) und der Gewebshomöostase lebenden Gewebes bedingen.

Als Anlass für die vorliegende Untersuchung wurde die These formuliert, dass die Implantatoberfläche Teil des Knochengewebsremodelings sein müsste, weil eine Trennung beider Entitäten der klinischen Beobachtung der Osseointegration widerspricht.

Anstoß für die Vermutung der Interaktion von Titandioxid und dem Mineralbestandteil des Knochens ist die Beobachtung, dass Experimente mit Beschichtungen durch synthetisches Hydroxylapatit (sHA) auf Titan zeigten, dass bei höheren Temperaturen (> 800 °C) eine dünne (4 ?) Schicht von Calciumtitanat (CaTiO3) auf der Oberfläche von Titanimplantaten erzeugt werden kann [4, 5, 15, 25], d.h. ein Hinweis auf ein mögliches Zusammenspiel dieser beiden Metalle.

Yashima et al. [24] zeigten 2004, dass Calcium im Perowskit des Titans (CaTiO3 ) überraschenderweise ionisch und nicht kovalent gebunden ist, wie in den Jahren zuvor angenommen wurde (Abb. 1): Eine ionische Bindung würde das Calcium des bHA in die Lage versetzen, sich in der biologischen Umgebung am BIC am Knochenremodeling zu beteiligen und seine Integration sowohl in einer Perowskit-Schicht des Titans einerseits, als auch in das bHA des Knochens andererseits ermöglichen. Dies könnte die außergewöhnliche Stabilität der Verankerung von Titanimplantaten im Knochen, ihre Osseointegration, erklären. Voraussetzung ist allerdings die Bildung von Perowskit unter biologischen Bedingungen (37 °C).

Ziel dieser Untersuchung war es daher, die Existenz von Perowskit auf der Implantatoberfläche eingeheilter Implantate auszuschließen oder zu bestätigen.

Biologie am BIC

Der chirurgische Prozess der Implantation mit seiner Gewebsverletzung führt zur Metaplasie [20] der unmittelbar beteiligten Zellen im Sinne einer Aktivitätserhöhung und vermehrten Präsenz der lokalen Stammzellen (Fibroblasten), mobilisiert aus der sogenannten Stammzellnische. Sie wandern [21] und proliferieren an der glatten Implantatoberfläche unter Ausbildung einer bindegewebigen Trennschicht zwischen Knochen und Implantat (Abb. 2, 3) [15].

An der rauen Oberfläche jedoch befestigen sie sich [7, 10, 16], stellen die Proliferation ein und werden stationär als Folge komplizierter molekularbiologischer (epigenetischer) Vorgänge [8] im angehefteten Zustand. Unter dem Einfluss von Wachstumsfaktoren wie u.a. TFG? und BMPs, differenzieren Fibroblasten zu Osteoblasten, die ihrerseits beginnen, die extrazelluläre Matrix (EM) zu produzieren. Die anschließende Mineralisation der EM wird durch die alkalische Phosphatase (ALP) vorangebracht.

Der Osteoblast kapselt sich während des Prozesses der Mineralisation selbst ein [1], teilt sich nicht mehr und heißt dann Osteozyt (Abb. 4).

Osteozyten stehen in der Mineralmasse des biologischen Hydroxylapatits (bHA) durch die canaliculi in Verbindung, was ihnen den Austausch von Signalproteinen untereinander innerhalb der vorwiegend bHA-dominierten Umgebung ermöglicht (Abb. 5).

Über Mechanorezeptoren, deren Lokalisation im Knochengewebe noch nicht abschließend geklärt ist, führt mechanische Belastung des Knochengewebes zur Synthese von spezifischen Signalproteinen, die den Knochenanbau im lokalen Umfeld zur Folge haben.

Zu- und Abnahme der Knochenmasse ist durch das Zusammenspiel von Osteoklasten, Zellen der hämopoetischen Reihe – Makrophagen – und die Apposition von neuem Knochen durch frische Osteoblasten, Zellen der mesenchymalen Reihe möglich [1]. Dieses sogenannte „bone-remodeling“ ist unter physiologischen Umständen im steady state und führt bei Knochen zu einem vollständigen Austausch („turn-over“) der gesamten Knochenmasse in ca. 7 Jahren. Damit gehört der Knochen zu den Geweben mit der längsten Turn-over-Zeit (Abb. 6). (Zum Vergleich: Leber ca. 6 Monate, Innenauskleidung des Darms 3 Tage). Das erklärt die relativ lange „Antwortzeit“ des Knochengewebes auf externe, hier chirurgisch-implantologische Einflüsse.

Veränderungen dieses Gleichgewichts führen unter dem letztlichen Einfluss von Steroidhormonen und Hormonen der Parathyreoidea im Lauf des Lebens zu unterschiedlichen Zuständen und der Masse des Knochengewebes, wobei die splittrige Knochenbrüchigkeit im Alter und die sogenannte „Grünholzstruktur“ in der frühen Kindheit die zwei Extreme darstellen.

Cell-Remodeling und die damit verbundene Gewebshomöostase, d.h. das Gleichgewicht zwischen Zelluntergang (Apoptose) und Zellneubildung, repräsentieren eine der wichtigsten Eigenschaften des Zellgewebes [1] und sind auf ihre Weise fundamental für jedes Heilgeschehen. Der chirurgische Eingriff (oder eine unfallbedingte Verletzung) führen zur mechanischen Zellzerstörung, in deren Folge die ausgeschütteten Zellinhalte die vermehrte Mobilisation [1] lokaler („adulter“) Stammzellen veranlassen, die sich asymmetrisch teilen und Ausgangspunkt für die Entstehung und Integration „ausgereifter“ organspezifischer Gewebszellen sind (siehe auch Abb. 2).

Asymmetrisch heißt, einige Stammzellen teilen sich und bleiben im pluripotenten Zustand als „Vorrat“ in ihrer „Nische“, während andere den Weg der „Ausreifung“ zu differenzierten Organzellen (siehe auch Abb. 2) gehen: der Fibroblast zu Fett-, Knochen-, Knorpel- und Zellen der glatten Gefäßmuskulatur. Hier ist der gemeinsame Ursprung erkennbar, der auf den Zusammenhang von Osteoblasten und Kapillareinsprossung hinweist.

An der Funktion des Knochengewebes sind ca. 33 verschiedene Zelltypen beteiligt, zu denen die 2 bekanntesten, der Osteoblast und der Osteoklast, gehören. Ohne die Anwesenheit von Blutgefäßen, insbesondere Endothelzellen, gäbe es kein lebendes Knochengewebe. Die Kapillareinsprossung in das Blutkoagel der Wunde ist einer der ersten Vorgänge des Heilungsgeschehens (Abb. 7).

Signalproteine des Osteoblasten und der Endothelzelle (VEGF: vascular endothelial growth factor; HIF: hypoxia inducible factor) beeinflussen gegenseitig und gemeinsam die Knochengewebsbildung. Ohne HIF gibt es keine Einsprossung von Kapillaren in das Blutkoagel. Relative Sauerstoffarmut führt zur Ausbildung von Kapillaren (Abb. 8).

Die O2 -Sättigung in den Geweben weist große Unterschiede aus. Mineralien wie TCP oder HA (Bio-Oss) sind auf zellulärer Ebene an der heilenden Knochenneubildung nicht beteiligt. Ca wird aus TCP hydrolytisch mobilisiert. Welchen Einfluss der Konzentrationsgradient der Ca-Ionen intrazellulär zu extrazellulär auf die Mineralisation hat, bleibt zu diskutieren. Ca-Ionen-Channels sind in der Lage, auch gegen einen hohen Konzentrationsgradienten zu agieren.

Der „Ausreifungsprozess“ der Stammzelle besteht in einer Veränderung der Zell-DNS (u.a. Methylierung), die spezifische funktionale DNS-Abschnitte (Gene) in Ruhe (Silencing) versetzt, sodass nur die lokal gewebstypischen Proteine mit ihren gewebstypischen Eigenschaften codiert werden.

Dies repräsentiert die Gewebseigenschaften des Zellverbundes eines Organs. Organe sind durch Bindegewebskapseln voneinander separiert, sodass ein Signalproteinaustausch unterbunden wird. Beim Knochen ist dies das Periost. Zellen teilen sich nur durch ein Signal (paracrine secretion) [1] der gleichartigen Nachbarzelle mit ortsgenetischer Identität. Beckenkamm und z.B. Unterkieferknochen haben nicht viel gemeinsam.

Das Skelettsystem unseres Organismus‘ besteht aus unterschiedlichen Knochentypen mit unterschiedlichen Funktionen und hat entwicklungsbiologisch begründet unterschiedliche Ursprünge aus dem embryonalen Hirn [9]. In einer groben Einteilung unterscheiden sich dabei zellgenetisch der Unterkieferknochen vom Schädel und der Maxilla sowie den übrigen Skelettknochen einschließlich des Beckens.

Eine Transplantation von Knochengewebe aus ortsfremden Skelettgebieten ist daher mit einer hohen Resorptionsrate des Transplantats vergesellschaftet, weil die topische Ausprägung des Genmusters der Zellen des Transplantats eine „Kommunikation“ (cell signalling) über das zellspezifische Rezeptorsystem mit den Zellen am Zielort nicht zulässt. Das bezieht sich auch auf die ortsgenetische Identität der gefäßbildenden Endothelzelle.

Material und Methoden

Implantate

Vollständig störungsfrei integrierte und „schlafende“ Straumann-Implantate (unbelastet, hier bei Position 22, 23 sowie 25) (Abb. 9) wurden ca. 2 Jahre nach Alio-loco-Insertion auf Wunsch der Patientin entfernt, weil sie für die Verankerung einer festsitzenden Brücke in ungeeigneter Position zueinander inseriert wurden und die Patientin keine chirurgische Korrektur im Sinne einer Neuimplantation wünschte (Abb. 10).

Sowohl vor der Implantation als auch während der Heilzeit trug die Patientin eine herausnehmbare Vollprothese ohne Verankerung auf den Implantaten. An der Eingliederung eines festsitzenden Zahnersatzes war sie nicht mehr interessiert.

Die Verwendung dieser Implantate für die hier vorliegende Untersuchung erfolgte mehrere Jahre nach deren Entfernung. Die zuständige Ethikkommission wurde nicht befragt, da das Material ohnehin verworfen worden wäre, die Untersuchung anonymisiert ist, der Kontakt zur Patientin verloren gegangen ist und keine finanziellen Interessen oder Konflikte bei der Untersuchung existieren. Der Durchmesser der Implantate war größer als der transversal zur Verfügung stehende Knochen.

Trotz der resultierenden Teilverankerung war es erforderlich, die Implantate zusätzlich zur partiellen zirkulären Osteotomie im Halsbereich und palatinal in longitudinaler Richtung durch transversalen Schlag aus dem Verbund zu lösen (Abb. 11).

Man erkennt deutlich die Anhaftung von größeren Teilen des Knochengewebes als Ausdruck der stattgefundenen Osseointegration, die in Teilbereichen offensichtlich stärker ist als der innere Verbund des Knochengewebes. Im palatinalen Bereich ist keine Knochenanhaftung sichtbar gewesen, am Implantat 23 auch an der Spitze nicht, da sie offenbar im Nasenboden lag. An der rauen Implantatoberfläche haftet der Knochen als weißlich opaker Überzug (Abb. 12).

Die Implantate wurden seinerzeit mit Kochsalzlösung gewaschen und nach Lufttrocknung im Labor der DZZI- Klinik bis zur Untersuchung am DESY verwahrt (Abb. 13).

Der Knochen haftet bis in die mikroporösen Krypten der in diesem Fall vorliegenden TPS-Beschichtung hinein (Abb. 14). Am polierten Teil des Implantatkörpers besteht hingegen eine deutliche Distanz zwischen Knochen und Implantat, die sich auch röntgenologisch darstellt und in vivo bindegewebig gefüllt ist (Abb. 9).

XRD

Die Untersuchung der Kontaktoberfläche der Implantate fand an der Beamline F1 am Hasylab/DESY Synchrotron (Hamburg/Deutschland) mit Röntgenbeugungsmethoden (XRD, x-ray diffraction) statt [9].

Synchrotron

Durch Einleitung und Beschleunigung elektrisch geladener Teilchen in den Synchrotron-Ringtunnel wird tangential zur Kreisbahn elektromagnetische Strahlung abgestrahlt, wenn die Teilchen aus ihrer geraden Bahn magnetisch abgelenkt werden. Das entstehende Wellenlängenspektrum ist sehr weit, wobei für kristallografische Untersuchungen anorganischer Verbindungen der Anteil der Röntgenstrahlung mit ihren besonderen Charakteristika (geringe Divergenz, polarisiert) interessant ist (Abb. 15).

Auch für die Analyse von Biomolekülen eignet sich dieses Verfahren (z.B. DNS), und hat bekanntlich u.a. zur Aufklärung der Struktur der DNS durch Watson und Crick [23] auf der Basis der kristallografischen Untersuchungen von Franklin und Gosling 1953 geführt [6].

Eine Übersicht über die Synchrotron-Anlage in Hamburg ist dem Luftbild zu entnehmen (Abb. 16).

Der tangential ausgeleitete Röntgenstrahl wird auf die Probe gerichtet und diese sowie der Detektor werden schrittweise gedreht (Abb. 17). Aus der Intensität, gemessen mit einem Szintillationszähler, und dem Reflexionswinkel lassen sich Rückschlüsse auf die Natur der untersuchten Probe ziehen (Abb. 18). Die Ergebnisse werden mit einer umfangreichen Datenbank [11] verglichen, die bekannte chemische Verbindungen und ihre Beziehung zum Reflexionswinkel und der Intensität des reflektierten Strahls aufgelistet hat.

Durch Ausleitung des Synchrotronstrahls aus dem Ring (siehe auch Abb. 15) stehen die unterschiedlichen Wellenlängen für Untersuchungen in den Laboren zur Verfügung, in unserem Fall kohärente Röntgenstrahlung.

Das Experiment wurde in Debye-Scherrer-Geometrie unter Verwendung eines NaJ-Szintillationszählers bei einer Wellenlänge von 0,06 nm durchgeführt. Mehrere Messungen über einen Scanbereich von 9,00–23,00° 2? mit einer Schrittweite von 0,005° und Belichtungszeiten von 10 sec/Schritt wurden anschließend hinsichtlich der exponentiell abfallenden Primärstrahlintensität reskaliert und addiert. Für die folgende Untergrundkorrektur und qualitative Phasenanalyse wurde das Programm Match V1.09f verwendet.

Folgende Experimentaldaten lagen zugrunde:

Wellenlänge: 0,0600 nm (E = 20.664 keV)

Beugungsgeometrie: Debye-Scherrer

Detektor: NaI(Tl)-Szintillationzähler

Scanbereich: 9,00–23,00° 2?

Schrittweite: 0,005°/step

Belichtungszeit: 10 sec/step

Primärstrahlblende: 1,0 mm (horiz) x 0,4 mm (vert), zentriert auf Ti/Apatit-Grenzschicht

Detektorblende: 1,2 mm (horiz) x 0,5 mm (vert)

Datenauswertung: 080909

Software: Match! V1.9f [12]

Ergebnisse

Analysen der Röntgenpulverdiagramme zeigten wiederholt deutliche Hinweise auf die Existenz von Calciumtitanat CaTiO3 (Perowskit) an der Oberfläche der Implantate. Darüber hinaus gab es keine Anzeichen für die Anwesenheit von Titandioxid (TiO2). Erläuterungen zur Auswertung des Röntgenpulverdiagramms (Abb. 19):

Geometrie- und auch substanzbedingt kann es zu leichten Verschiebungen kommen, auch durch sog. Textureffekte, d.h. bevorzugte Orientierung. Diese Effekte haben sowohl Einfluss auf die relativen Intensitäten als auch z.T. geringeren Einfluss auf die Peakpositionen.

Peak bei 18,1°: Dieser Peak ist eindeutig Ca-Titanat zuzuordnen, d.h. keine Überlappung mit Peaks der anderen Substanzen, z.B. bei den Peaks bei 10,0° und dem breiten Peak bei 12°–13°

Die HA- und CaTiO3-Peaks sind relativ breit. Dies wird durch eine nicht besonders gute Kristallinität (amorpher Anteil) verursacht. Dies ist normal für biologische oder biomimetische Proben. Der Peak bei 11,3° ist ein Artefakt.

Diskussion und Schlussfolgerungen

Beurteilung der entfernten Implantate

Auf der PSA ist der fehlende Knochenkontakt zum polierten Teil am Hals der Implantate erkennbar (Abb. 10). Dieser ist jedoch nicht Resultat einer bakteriellen Invasion, weil die Implantate vollständig von Schleimhaut bedeckt waren. Vielmehr ist er Ausdruck der bindegewebigen Auffüllung der Distanz in der Folge der initialen Fibroblastenproliferation.

Am Übergang zur aufgerauten Oberfläche ist demzufolge auch die Osseointegration erkennbar. Erst wenn sich im bindegewebigen Kontaktbereich zur polierten Oberfläche ein bakterieller Zugang nach Eröffnung der bedeckenden Schleimhaut ergibt, kann die entzündliche Progression auch den bakteriendichten Bereich der kristallinen Osseointegration angreifen. Naturgemäß ist in diesem Fall der polierte Halsbereich der Implantate den Reinigungsbemühungen der Patienten nicht zugänglich. In der Folge davon sollten Implantate mit poliertem Halsteil lediglich crestal bis zum Beginn der aufgerauten Oberfläche inseriert werden und nicht subcrestal.

Dies bedeutet jedoch je nach Implantatsystem eine offene Einheilung mit dem Risiko einer bakteriellen Invasion in der empfindlichen Phase der Transformation vom Fibroblasten zum Osteoblasten, so dass unter dem Einfluss der MMPs die Bildung der extrazellulären Matrix unterbleibt.

Auf Abbildung 14 beachte man die Poren unterschiedlicher Größe bis an die TPS-Oberfläche heran, die den Raum für ernährende Gefäße (Markraum) oder die Lokalisation der Stammzellnische darstellen. Auf histologischen Schnittbildern sind diese ebenso zu erkennen, sodass also kein Anlass besteht, den daraus resultierenden prozentual niedrigeren BIC negativ zu werten.

Ionische Ca-Wechselwirkungen am Kristall

Mit der Methode der XRD-Analyse konnten wir erstmals (nach unserem besten Wissen) zeigen, dass Calciumtitanat unter biologischen Bedingungen an der Oberfläche von osseointegrierten Implantaten entsteht. Gleichzeitig wurde erkennbar, dass die Titandioxidschicht auf den Implantaten, wie sie am Ende des Herstellungsprozesses der Implantate entsteht, vollständig durch die biologischen Prozesse der Osteoblasten zu Perowskit (CaTiO3) wird. Diese Verbindung ist interessanterweise eine in der Erdkruste sehr häufig vorkommende Substanz [15]. Auffällig ist, dass die Zerfallskette des 44Ti-Isotops über das 44Sc-Isotop zum 44Ca-Isotop führt. Hier dokumentiert sich eine Affinität der beteiligten Atome des Perowskits (Ti-Ca), die gleichzeitig die gute biologische „Verträglichkeit“ erklären könnte. Im Gegensatz zu anderen Metallen unterliegt Titan in dieser Form keiner Resorption und ist stabil (kovalent) im Kern des Ti-Oxid-Kristalls (Abb. 8).

Die außerordentliche Stabilität der Osseointegration bei Titanimplantaten kann damit erklärt werden, dass das Calciumion des Knochens in die Titandioxidschicht an der Oberfläche der Implantate unter Ausbildung von Perowskit integriert wird und auf diese Weise gleichzeitig am Knochenremodeling teilnehmen kann.

Auf Abbildung 20 ist auf der Basis unserer Ergebnisse modellhaft die Natur der wechselseitigen Beziehung zwischen Calcium des Knochens und Titanoxid dargestellt.

Die genotypische und folglich phänotypische Metamorphose des Fibroblasten zum Osteoblasten durch die raue Titanoberfläche ist ein Hinweis auf materialbedingte biologische Antworten der Zelle (Epigenetik), wobei letztlich die durch den Osteoblasten synthetisierte und anschließend mineralisierte EM den Prozess der Osseointegration ausmacht.

Unsere Ergebnisse erklären und bestätigen die von Krekeler schon 1986 vorgetragene Beobachtung [13], dass die Knochenregeneration von der rauen Implantatoberfläche ausgeht. Daran knüpft sich auch die klinische Erfahrung, dass primär nicht stabil verankerte Implantate ankylosieren. Zur Überbrückung der lokalen Distanz am Interface durch nachwachsenden Knochen ist dabei schlicht ein längerer Zeitraum erforderlich. Je geringer diese Distanz, desto schneller entstehen die zuverlässige Ankylosierung und der bakteriendichte Abschluss ab BIC.

Watzek wies auf die im Koagulum beobachtbaren Mineralisationskeime hin, was ebenfalls nicht die Vorstellung unterstützt, die Knochenregeneration gehe von der Knochenwand des Implantatbetts aus.

KEM-Granulat, z.B TCP, repräsentiert mit seiner Mikroporosität eine ganz ähnliche raue Oberflächenmorphologie, die zur Anhaftung von Fibroblasten führt. Hochgesinterte synthetische Materialien können ebenso zu Orten der Anhaftung für Fibroblasten werden, haben aber den Nachteil, dass sie keiner hydrolytischen Spaltung unterliegen und damit nicht resorbiert werden. Sie stehen somit einer Durchbauung mit lebendem Knochengewebe im Wege. Die Verfügbarkeit von Calciumanteilen auf der Basis lockerer ionischer Bindungen an der Oberfläche hochgesinterter Hydroxylapatit-Keramiken (z.B. BIO-OSS) müsste im Hinblick auf einen wie hier beim Titan-Kristall vorliegenden dynamischen Wechselprozess Gegenstand weiterer Untersuchungen sein.

Aus naheliegenden Gründen ist es selten möglich, vollständig und gesund eingeheilte osseointegrierte Implantate zu untersuchen. Daher stehen wenig Informationen über die Eigenart des BIC in vivo zur Verfügung.

Weitergehende Untersuchungen müssen nun die molekularbiologischen Feinmechanismen klären, unter denen die Ausbildung von CaTiO3 abläuft. Auch eine Bestimmung der interatomaren Distanzen und der atomaren Bindungskräfte im CaTiO3 einerseits und dem bHA andererseits ist zu dieser Klärung erforderlich. Nach Yashima [24] sind die Elektronendichte und die Überlappung der Elektronenwolken zwischen dem Ca- und O-Atom wesentlich geringer als die zwischen Ti und O, was auf eine ionische Bindungssituation hinweist (Abb. 20). Von den Bindungskräften ist abhängig, wie das Ca-Ion aus dem CaTiO3-Kristall mobilisierbar ist.

Unsere Implantate waren nicht unter funktioneller Belastung seit ihrer Eingliederung. Daher taucht die Frage auf, inwieweit mechanische Belastung unsere Ergebnisse verändert hätte (Mechanotransduktion).

Ferner interessiert es, die Zeit zu bestimmen, die bis zur Ausbildung der Calciumtitanat-Schicht auf den Implantaten erforderlich ist, ihre Dicke zu ermitteln sowie das Schicksal des Calciums in Fällen von Periimplantitis und der anschließenden totalen Auflösung des umgebenden Knochens zu klären. Unter dem Einfluss bakterieller Toxine spielen dabei bekanntermaßen Makromoleküle wie Matrixmetalloproteinasen (MMPs) eine Rolle.

Grundsätzlich muss bei der Beurteilung von Erfolgsquoten die lange Turn-over-Zeit des Knochengewebes von ca. 7 Jahren berücksichtigt werden. Klinische Beobachtung bestätigt eine zuverlässige Belastungsfähigkeit irgendwo zwischen 2 und 6 Monaten postop. Diese weit gefasste Angabe ist sicher abhängig vom zu regenerierenden Knochenvolumen im Implantat-Knochen-Spalt. Darüber gibt das gemessene Eindrehmoment eine gute Richtgröße: hohes Drehmoment -> geringes zu regenerierendes Knochenvolumen -> schnellere Belastbarkeit und umgekehrt. Das Präparieren eines den Gewindegängen des Implantats entsprechenden Gewindes im Implantatbett verringert das nachwachsende Knochenvolumen.

Klinische Beobachtung zeigt weiterhin, dass nach etwa 2 Jahren die Osseointegration offenbar so weit abgeschlossen ist, dass ein bakteriendichter Abschluss am Beginn der Oberflächenrauigkeit vorliegt.

Viele unterschiedliche Ansätze einschließlich Modifizierungen der äußeren Kontur des Implantatkörpers, seiner Gewindegänge und vieles mehr zur Verlängerung der Standzeit von Implantaten wurden unternommen. Sie müssen bis auf wenige Ausnahmen in den Bereich des „trial and error“ eingestuft werden, weil der molekular-kristalline Feinmechanismus der Osseointegration weitgehend unberücksichtigt blieb und mechanische Aspekte der Oberflächenkonstruktion im Vordergrund stehen. Der Abstand von „peak und valley“ der Rauigkeit steht im Zusammenhang mit der Reichweite der Lamellipodien (vergl. Abb. 3) und damit mit der Anheftung und dem folgenden Sistieren der bindegewebsbildenden Proliferation der Fibroblasten.

Die vorliegenden Ergebnisse schließen eine Verständnislücke und unterstreichen, dass molekularbiologische Mechanismen der Zellbiologie des vitalen Knochens für die Osseointegration verantwortlich sind und die Makromorphologie des Implantatkörpers keinen direkten Einfluss auf seine kristalline Osseointegration hat. Die Ausbildung eines bakteriendichten remodelingfähigen BIC ist Folge der Mikromorphologie der aufgerauten Titan-Implantatoberfläche [10] und ihrer epigenetischen Wirkung auf die lokale Zelle.

Die wichtige Rolle der Endothelzellen und ihrer angiocrinen Signale bei der Gewebsregeneration nach Verletzung sowie des Sistierens der Regeneration bei Erreichen der restitutionellen Gewebsdefektfüllung [2] unterstreichen auch die Arbeiten von Hu et al. [11], Panagrahy et al. [17] und Ding et al. [3] bei Geweben wie Leber, Niere und der haemopoetischen Stammzellreihe [14]. Letztere ist Quelle der Osteoklasten.

Das Dreiergespann Endothelzelle, Osteoblast und Osteoklast entfaltet als Kern das orchestrale Signalprotein-Szenario gegenseitiger Wechselwirkungen der Knochengewebsregeneration in vivo und in vitro.

Endothelzellen haben die ungewöhnliche Eigenschaft, eine Hohlstruktur (Kapillaren) zu bilden (Abb. 7), ohne dass es dafür einer mechanischen Stimulation durch den Blutpuls bedarf [1]. Sie gehen darüber hinaus End-zu-End-Verbindungen ein und bilden so ein Gefäßgeflecht. Voraussetzung dafür ist das gewebsspezifische Rezeptor-Ligand-System.

Kapillarstrukturen ektopischer Knochentransplantate werden nicht an die des Zielgewebes „angeschlossen“ mit der Folge ihres Untergangs.

Schlussfolgerungen

Die Osseointegration ist erst auf der Basis der durch die Mikromorphologie der Implantatoberfläche ausgelösten epigenetischen Veränderungen der Knochenvorläuferzellen ein biologisches Phänomen. Sie geht nicht ausschließlich von der Knochenwand aus, sondern hat ihren Ursprung an der aufgerauten Implantatoberfläche.

Maßnahmen zur Verlustprävention müssen auf diese Grundlagen abgestellt sein.

Schrauben- und Gewindegänge an der äußeren Implantatwand helfen eine Minimierung der Knochen-Implantat-Distanz zu erreichen.

Bei der Präparation des Implantatlagers sollten die spezifischen Signalproteine der zerstörten Zellen als Ausgangspunkt für die oben beschriebene Anstoßung zur vermehrten Präsenz der lokalen Stammzellen entsprechende Berücksichtigung finden.

Vor dem Hintergrund der beschriebenen Regenerationsfähigkeit des Knochens ist Überhitzung nicht als deletärer Faktor anzusehen, weil das thermonekrotische Gewebe im Rahmen des permanenten Remodeling substituiert wird. Röntgenologische Beobachtungen zeigten nach Jahren eine vollständige Restitution einer offenbar hitzenekrotischen Transluzenz im periapikalen Bereich bei zylindrischen Implantaten, dort wo naturgemäß ein Kühlungsdefizit auftritt. Auch die Hitzenekrose bei Abtragung von oralem Weichgewebe mit der Elektrotomschlinge führt nicht zu einem Sistieren der Weichgewebsregeneration, z.B. nach Reentry bei vollständig mit Weichgewebe überwachsenen Implantaten.

Nikotin verändert wegen seines direkten Einflusses auf die kapilläre Mikrozirkulation die molekularbiologischen Abfolgen der Wirkungskaskaden der Wechselwirkungen der Endothelzelle, der Kapillaren und der Osteoblasten, dies besonders im Zusammenhang mit ektopischen Knochentransplantaten und deren Deprivation im genetisch „fremden“ Zielgebiet oder synthetischen KEMs. Eigene Beobachtungen belegen, dass bei Rauchern auch nach jahrelanger störungsfreier Tragezeit Implantatverluste eintreten. Dies ist bei Nichtrauchern meist nicht der Fall und erklärt sich aus der permanenten Unterlegung der Gewebshomöostase des Knochengewebes durch dynamische Remodelingvorgänge, nicht nur während der „Anwachszeit“ an der Implantatoberfläche.

Nach klinischer Beobachtung scheinen Penicilline eine positive Wirkung zur medikamentösen Unterstützung der Knochenneubildung zu entfalten. Dies nicht nur wegen der antibiotischen Wirkung durch die Hemmung der bakteriellen Zellwandsynthese, sondern auch, weil das Penicillinmolekül ein Zusammenwirken mit dem Heparinmechanismus zeigt, der am Glycosaminglycan der EM eine Rolle spielt. Über diesen Weg ist eine durch Penicillin geförderte Ausbildung des initialen Kapillargeflechts mit dem Effekt der dadurch begünstigten Knochenneubildung denkbar und sollte weiter untersucht werden.

Interessenkonflikte: Die Autoren geben an, dass keine finanziellen Interessen oder Konflikte existieren

Zitierweise: Wirthmann AJA, Paulmann C: Wechselwirkung von Knochen und Titan – Neue Einblicke in die ungewöhnliche „Hochzeit" von Knochen und Metall. Z Zahnaerztl Implantol 2014;30:288–300

DOI 10.3238/ZZI.2014.0288–0300

Korrespondenzadresse

Dr. Axel J. A. Wirthmann

DZZI Klinik

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Literatur

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Fussnoten

1 Fmr Adj Professor New York University, New York, NY,USA; Ltd. Arzt DZZI Klinik GmbH Hamburg, Germany

2 Universität Hamburg, Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften, Geowissenschaften

Übersetzung Zusammenfassung, Legenden: LinguaDent


(Stand: 03.12.2014)

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