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12 Keramische Materialien in der Oralchirurgie 1. Einleitung „Schwarze“ intraossäre Zonen im Röntgenbild werden von uns aus überwiegender Erfahrung mit dem Abbild (mehr oder weniger aktiver) entzündlicher Prozesse gleichgesetzt. Das muss nicht richtig sein. Die „Schwärze“ zeigt uns nur, dass im Vergleich zur Gegenseite mindestens 30 % Mineral aus der Knochenarchitektur ausgebaut worden sind. Sie zeigt uns zum Beispiel nicht, ob es sich um einen aktiven entzündlichen Zustand handelt oder um die narbige entzündlich inaktive Ausheilung desselben. Umgekehrt gilt auch: „Nicht überall, wo die Röntgenzeichnung Knochendichte anzeigt, handelt es sich auch um Knochen! – Es kann auch Knochenersatzmaterial sein“. Das Röntgenbild kann sehr wohl Knochen vortäuschen, wo überwiegend inkorporierte Keramik/Glaskeramik vorhanden ist. 2. Bekannte anorganische Knochenersatzmaterialien Bisher wurden Arbeiten u. a. über die Verwendung von: • Kalzium-Sulfat (Gips!): (Capset‚ [Fa. Lifecore Biomedical GmbH Alfter], Fortross Cema‚ [Fa. Dr. Selbach Labor GmbH & Co.]), • Kalzium-Phosphat-Keramiken: - α -Trikalziumphosphat, (z. B.: Biobase® [Fa. Biovision GmbH Ilmenau]) - β-Trikalziumphosphat, (z. B.: Cerasorb® [Fa. Curasan AG], Bio-Resob® [Fa. Biovision GmbH Ilmenau], KSI- Tricalciumphosphat® [Fa. KSI-Bauer-Schraube GmbH Bad Nauheim]) - Tetrakalziumphosphat, - Hydroxylapatite: - vollsynthetischen Ursprungs (z. B. Allotropat® [Fa. Heyl Berlin; nicht mehr im Handel]) - aus Algen gewonnen (z. B. Frios Algipore® [Fa. Friadent GmbH Mannheim]) - tierischer Herkunft, (z. B. Bio-Oss- Spongiosa®, Bio-Oss Cortikalis®, [Fa. Geistlich Biomaterials Baden- Baden]) ZAHNÄRZTLICHE NACHRICHTEN NIEDERSACHSEN 6/03 • Biovitrokerame: (Ceravital, AP 40 beide 80iger Jahre, nicht mehr im Handel) und • Biogläsern: (z. B. Biogran® [Fa. 3i Implant Innovations Dt.], Perioglas® [Fa. John O. Butler GmbH Kriftel]) als Knochenersatzmaterialien publiziert. Es handelt sich dabei um Gläser, Glas-Keramiken oder Keramiken; die bisher körnig mit Partikelgrößen zwischen 0,25 und 2 mm Durchmesser verwendet werden. Die meisten Präparate Markro- und/oder Mikroporen, die zum Teil interkonnektieren. Sieht man vom Gips ab, so handelt es sich um Kalzium-Phosphate unterschiedlicher Stöchiometrie und unterschiedlicher kristalliner Struktur. Im Bereich der Biogläser und Glaskeramiken treten Silikate, Natriumoxide u. ä. hinzu. 3. Physikalische und chemische Eigenschaften der Kalzium- Phosphat-Keramiken Die Kalzium-Phosphat-Keramiken sind chemisch und physikalisch charakterisiert durch: 1. Kristallstruktur (Apatit; alpha- und beta-Whitlockit), 2. Granulatpartikelgröße (0,2-2,0 mm), 3. Makroporenanteil (größer als 0,1 mm) und ihrem 4. Mikroporenanteil (kleiner als 0,005 mm). Die Festigkeit poröser Kalzium-Phosphat-Keramiken ist vergleichbar mit der des spongiösen Knochens, die Festigkeit der dichten Varianten liegt in der Größenordnung der Werte für kompakten Knochen (Holmes u. a. 1984; zit. bei Fallschüssel 1987). Aus diesen Materialeigenschaften ergeben sich unterschiedliche klinische Einsatzgebiete der verschiedenen Keramiken. Während druckbelastete Beschichtungen von Implantatgrundkörpern mit nichtporösem Material durchgeführt werden sollten, sind Alveolenstabilisatoren, Knochenhohlraumfüllungen und Keramiken für Hans-Ludwig Graf, Cornelia Hartwig und Wolfram Knöfler Augmentationsplastiken durchaus mit den porösen Varianten auszuführen. Die Biostabilität einer Kalzium-Phosphat-Keramik ist im wesentlichen von zwei Mechanismen im lebenden Organismus abhängig: • Auflösungserscheinungen ohne Beteiligung von Zellen und • Phagozytose mit folgenden intrazelluläre Abbauvorgängen. Wenn eine die physikalisch-chemische Auflösung der Sinterbrücken zwischen den einzelnen Partikeln der gesinterten Keramik eintritt, werden Kalzium- Phosphat-Teilchen aus dem Sinterverbund herausgelöst. Diese freien Keramikteilchen werden von Zellen phagozytiert und intrazellulär abgebaut. Da die verfügbare Oberfläche des Keramikimplantates das Ausmaß der physikalisch-chemischen Auflösungserscheinungen und der nachfolgenden zellulären Inkorporation der freigesetzten Keramikpartikel bestimmt, ist naheliegend, dass die Degradationsrate der Keramik mit zunehmender Makroporosität ansteigt. Dabei unterscheiden vorliegende Untersuchungen, dass Apatitkeramiken, die hauptsächlich einem einfachen Auflösungsprozess unterliegen und Whitlockit-Keramiken vorwiegend in einzelne Partikel zerfallen. Es überrascht daher nicht, dass um mikro- und makroporöse Whitlockit-Implantate zahlreiche abgesprengte Keramikpartikel zu finden sind. 4. Biokompatibilität Implantate aus Biokeramik gehen einen direkten Verbund mit dem Knochen ein und sind auch für Bindeund Epithelgewebe gut verträglich (Jarcho 1981). Köhler und Knöfler (1987) beschreiben Biokeramiken als Stoffe, die der Korrosion unterliegen, wobei die Korrosions- und Eluationsprodukte nicht toxisch sind und eine Verbundosteogenese induzieren. Differenziert man nun das bioaktive Ver-
halten von Apatit- und Whitlockitkeramik, so stellt sich für die Apatitkeramik heraus, dass die dichteren Modifikationen keine sichtbaren Auflösungsoder Abbauerscheinungen aufweisen, hochporöse dagegen wegen ihres geringen Abstandes der einzelnen Poren untereinander sichtbare Degradationserscheinungen zeigen (Fallschüssel 1987). Für Tricalciumphosphat bestehen nach Klein (1983) ähnliche Verhältnisse nur, wenn es sich um eine dichte Struktur der Keramik handelt. Poröse Varianten jedoch zerfallen in einzelne Partikel, während gleichstrukturierte Apatitkeramiken lediglich oberflächliche Auflösungserscheinungen zeigen. 5. Prinzipien der Gewebereaktionen auf granuläre Kalziumphosphate Die Reaktion des Implantatbettes auf die Störung der Integrität des Gewebes durch den Fremdkörper wird von verschiedenen Parametern beeinflusst. Osborn und Donath (1984) zählen dazu die Materialdichte, die Korngröße, den Korngrenzanteil, die Kristallstruktur, das Sinterungsverhalten, den Makroporenanteil und den Mikroporenanteil. Nach Berger (1989), der sich vorwiegend mit Biovitrokeramen beschäftigte, ist der unterschiedliche Chemismus der einzelnen Materialien von ausschlaggebender Bedeutung für die Reaktion des Lagergewebes. Da Kalziumphosphate im Organismus immer mit Interzellularflüssigkeit in Kontakt kommen, ist eine Auflösung an der Oberfläche selbstverständlich. Wie stark die Auflösung ist, hängt vom Löslichkeitsprodukt ab. In-vitro-Untersuchungen haben ergeben, dass die Löslichkeit von Tricalciumphosphat ungefähr 12-22 mal größer ist als die Löslichkeit von Hydroxylapatit. Dies gilt sowohl für das saure als auch für das basische Milieu. Gleichartiges lassen auch in-vivo-Untersuchungen erkennen (stellv f. viele: Driskell et al. 1973). Tricalciumphosphatkeramiken zeigen sowohl Auflösungserscheinungen als auch zellulären Abbau. In-vivo scheint die Bioresorption sogar bevorzugt zellulär zu erfolgen. Der Abbau erfolgt durch Mesenchymzellen, Makropha- gen und Riesenzellen (Osborn 1985). TCP-Keramik ist also nicht nur stärker löslich als Hydroxylapatit, sondern unterliegt auch einer größeren zellulären Resorption (Winter et al. 1981). Für die spezifische Oberfläche der Keramik ist die Porosität entscheidend. Die Implantation dichter Hydroxylapatitkeramik in den Knochen führt lediglich zu einer Oberflächenerosion von 0,01-0,015 mm pro Jahr (de Groot 1985). Bei der Implantation in submuköses Bindegewebe ist die Resorption dichter Hydroxylapatitgranula durch mehrkernige Riesenzellen jedoch viel ausgeprägter als bei der Implantation in den Knochen (Wagner und Wahlmann 1985). Auch zwischen verschiedenen Knochenregionen bestehen Resorptionsunterschiede. So verläuft zum Beispiel die Resorption von Tricalciumphosphatkeramik im Oberkiefer deutlich langsamer als im Unterkiefer (Horch und Steegmann 1985). Weiterhin sind die Korn- und Kristallgrößen ein entscheidender Faktor bei der Resorption, da die zwischen die Korngrenzen mit ihren Zytoplasmafortsätzen eindringenden Makrophagen kleine Kristalle leichter aus dem Kristallverbund herauslösen können. Bei größeren Kristallen verläuft die Resorption deutlich langsamer. Da poröse Keramiken meist kleinere Kristalle aufweisen, ist deren erhöhte Resorption auch teilweise auf die geringere Kristallgröße zurückzuführen. Auch das Kalzium-Phosphat-Verhältnis ist als ein entscheidender Faktor zu nennen. Bei der experimentellen Gegenüberstellung von 9 verschiedenen Prüfkörpern mit den oben genannten Stoffen im Verhältnis von 1,0 bis 2,0 stellte sich die Keramik mit einem Calcium- Phosphat-Verhältnis von 2,0 als die stabilste heraus. Ausgeprägte Auflösungserscheinungen sind bei 1,3 – 1,6 nachweisbar, die neben flächenhaften Resorptionen auch zahlreiche, aus dem Keramikverband herausgelöste spitzkantige Keramikpartikel im Zytoplasma der resorptionsaktiven, einund mehrkernigen Makrophagen erkennen lassen. Die geringe Biostabilität der kalziumarmen Calciumphosphatkeramik kommt auch im geringen morphometrischen Wert des Knochen- Keramik-Kontaktes zum Ausdruck (Bauer et al. 1986, Donath et al. 1986). 6. Aktuelle klinische Substanzen 6.1 Trikalziumphosphate Biobase ® (α - TCP) Biobase ist ein vollsynthetisches, reines α - TCP, in dessen Granula Mikound Makroporen vorhanden sind. Dementsprechend werden dem Material eine hohe physiko-chemische Auflösung auch im Inneren der Granula und anschließende zelluläre Transportreaktionen bescheinigt, die nach 1 / - 2 Jahren zur vollständigen 2 Elimination führen sollen. Die Veränderung der Partikel über eine Implantationszeit von 200 Tagen am Kaninchen zeigen Abb. 1, 2 und 3 als sog. Mikroradiographien und Fluoreszenzmarkierungen. Abb. 1: Mikroradiographie eines α-TCP-Augmentates (Biobase) nach 30 Tagen Liegezeit in Femur eines Kaninchens 1:32 Abb. 2: Mikroradiographie eines α-TCP-Augmentates (Biobase) nach 200 Tagen Liegezeit in Femur eines Kaninchens 1:32 Abb. 3: Fluoreszenzbild eines einzelnen α-TCP- Partikels (Biobase) nach 200 Tagen Liegezeit in Femur eines Kaninchens 1:160, Auflösungserscheinungen am Rand und „interne Sprunge“ ZAHNÄRZTLICHE NACHRICHTEN NIEDERSACHSEN 6/03 13
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