A behelyezés hatása az implantátumok felszínére

A fogászati implantátumok osszeointegrációja két fázisban zajlik: az elsődleges osszeointegráció a fizikai kapcsolatot jelenti az implantátum és a csont között, míg a másodlagos osszeointegráció megerősíti ezt a kapcsolatot a csont gyógyulásával [1]. Az implantátum felületmódosításai nagyobb fokú érdességet eredményeznek, ami növeli az osszeointegráció mértékét. Számos felületmódosító eljárást leírtak már, beleértve a homokfúvást, a savmaratást és az anódizációt [1].

Mikroszkopikus szinten, a homokfúvott felszín 4 és 6 µm közötti csúcsokat és völgyeket mutat [2]. A savmaratás egységes, 3 és 6 µm közötti érdes felszínt eredményez. Az anódizált implantátumok felszíni egyenetlenségei nagy változatosságot mutatnak 0,8 és 7 µm közötti nagyságrendben [4]. Azonban, mivel a behelyezéshez nyomatékra van szükség, felmerül a kérdés, hogy ezek a felszíni változások mennyire maradnak meg a behelyezést követően. A közelmúlt egy tanulmányában homokfúvott és savmaratott (SLA) felszínű implantátumokat vizsgáltak, humán cadaver mandibulába történő beültetést követően [5].

Rámutattak, hogy a legtöbb tanulmányban az anódizált felszínt esztergált felszínnel hasonlították össze, de nem olyan felszínű implantátummal, amely a kereskedelemben elérhető [6]. Ezért az alábbi tanulmány célja, hogy vajon in vitro körülmények között, a négy rendszerhez tartozó, új és steril implantátumok felszínére hatással van-e a behelyezés, és ha igen, akkor hogyan befolyásolja azt.

Eszközök és módszerek

Fogászati implantátumok

Ehhez a tanulmányhoz az alábbi négy rendszer 28 teljesen új implantátumát használtuk:
Ankylos 4,5 x 14 mm (n = 7);
Frialit Synchro 4,5 x 15 mm (n = 7), (mindkét rendszer Dentsply Implants, Mannheim, Németország);
NobelReplace Tapered Groovy RP 4,3 x 13 mm (n = 7), (Nobel Biocare, Goteborg, Svédország);
Straumann SLA Bone Level 3,3 x 14 mm (n = 7), (Straumann, Basel, Svájc).

Ezek a rendszerek különböznek a felületmódosításaikban a gyártók információi alapján: az Ankylos implantátum grade 2 titánból készül. A felület módosítása nagy szemcsés homokfúváson (Al2O3 részecskék, 354 – 500 µm) és magas hőmérsékletű savmaratáson keresztül valósul meg. Az utóbbi 0,5 – 1 µm-es gödröket eredményez, az átlagos mikroérdesség 1,40 – 1,75 µm.

A Frialit Synchro csavarok szintén grade 2 titánból készülnek. Az úgynevezett DPS (Deep Profile Surface) felszín két párhuzamos menetből áll, és magas hőmérsékleten végzett savmaratással alakítják ki a mikrostruktúrát, amely > 2 µm érdességű.

A NobelReplace Tapered Groovy RP implantátum grade 4 titánból készül. A TiUnite felszín karakterisztikája egy vastagított titánium-oxid réteg, amelyet anódizálással hoznak létre egy foszforsav elektrolitban. Ez a folyamat egy 1–2 µm mikroérdességű, porózus felszínt hoz létre. A Straumann implantátumok grade 4 titánból készülnek. A felületük makroérdessége 20–40 µm, a mikroérdessége pedig 2–4 µm. A felszín módosítását nagy szemcsés homokfúvással (250–500 µm) és savmaratással (HCL/H2SO4) érik el. Minden rendszernél 6 db. implantátum került beültetésre sertéscsontba, és egy darab kontrollként szolgált.

Sertéscsontminták

Összesen négy friss disznó mandibula szerepelt a vizsgálatban. Ahhoz, hogy össze lehessen hasonlítani az emberi állcsonttal, a mandibulákat szegmentáltuk, és csak az alsó részüket használtuk fel az implantációhoz. Oszteodenzitométert használtunk CT (Philips Brilliance iCT 256-slice CT; Philips Healthcare, Hamburg, Németország) vizsgálathoz, hogy garantáljuk a négy mandibulaszegment összehasonlíthatóságát. A négy csontminta denzitásvizsgálatát RadiAnt DICOM Viewer szoftverrel (Medixant; Poznan, Lengyelország) végeztük.

A kortikálist és a spongiosát óvatosan szétválasztottuk.

Implantáció

A négy rendszer hat-hat implantátumát ültettük be a négy csontblokkba. A műtéteket standard sebészi készülékkel (Implant Center 2; Acteon, Mettmann, Németország) végeztük, amely lehetővé tette, hogy rögzítsük az alkalmazott nyomatékot. Az összes szükséges Nobel, Dentsply és Straumann eszköz a rendelkezésünkre állt. A furatokat 800-as fordulatszámon preparáltuk folyamatos hűtéssel, amihez 0,9%-os sóoldatot alkalmaztunk. Amennyiben a kemény csontba történő implantáció protokolljában szerepelt, menetvágást is végeztünk. Egy egyéni sebészi sablon segítségével értük el, hogy az implantátumok között standardizált 6 mm legyen a távolság. Azért, hogy elkerüljük a felületi morfológiát befolyásoló szisztematikus hatásokat, amelyeket a különböző behajtási nyomaték okoz, az összes implantátumot standard 35 Ncm-rel hajtottuk be.

Mintakészítés

A mandibulákat blokkokra vágtuk egy hagyományos fémfűrésszel (Lux; Obi, Wermelskirchen, Németország), hogy elkerüljük az implantátumok eltávolításakor a további manipulációt, mint például a rotáció. A blokkokat szagittálisan kettévágtuk, hogy hozzáférjünk az implantátumokhoz, ügyelve arra, nehogy megsértsük az implantátumok felszínét. Az így begyűjtött implantátumokat aztán megtisztítottuk a felrakódásoktól desztillált vízzel, ultrahangos fürdőben (Bandelin Sonorex RK100 Transistor Ultraschallbad, Berlin, Németország). Ehhez, hogy elkerüljük a felszínt érintő bármilyen kontaktot vagy sérülést, az implantátumot a behelyező felépítményeknél fogva egy finom dróthoz erősítettük, amelyhez rögzítve 2 cm-rel a víz alatt lebegtek a tisztító fürdőben. Minden egyes tisztítási folyamat 15 percig tartott, és addig ismételtük, amíg szabad szemmel már nem láttunk felrakódást a felszíneken.

3D konfokális mikroszkóp

A háromdimenziós felületi analízishez 3D konfokális mikroszkópot (µsurf expert; NanoFokus AG, Oberhausen, Németország) használtunk, ami lehetővé teszi négyféle implantátumfelszín érdességének kvantitatív vizsgálatát. A konfokális mikroszkóp egy optikai leképező eljárás, amely jobb felbontást és kontrasztot tesz lehetővé [7]. A méréseket 5-10 másodperc alatt el lehet végezni érintkezés és a felszín megsértése nélkül. A rendszer lehetővé teszi a háromdimenziós struktúrák rekonstrukcióját a különböző mélységben készült képek összegyűjtésével. Ennek alapján az érdesség és a felületi mérések a nanométeres felbontásba estek. Mind a négy rendszer begyűjtött implantátumait a szkennerbe helyeztük.

A µSoft Analysis Premium szoftvert (NanoFokus AG, Oberhausen, Németország) használtuk a 3D érdességi paramétereinek a kiszámítására. Négy standardizált területet vettünk figyelembe (AOI – area of interest): egyet a nyaki, kettőt a középső, egyet az implantátum apikális részén. Mindegyik terület 250 µm hosszú és 150 µm széles volt, ez 37 500 µm2-nek felel meg (1. ábra).

Felületi paraméterek

Az implantátum felszínének topográfiáját a korábbi ajánlás alapján vizsgáltuk [8,9]. A következő felszíni paramétereket mértük, vagy ezek kerültek kiszámításra (2. ábra):

2. ábra: A szkennelt felszín egyéni profilja.

Az átlagos felületi érdesség Sa (a felszíni csúcsok és völgyek magasságának aritmetikus átlagos eltérése) mikrométerben, amely jó rálátást ad a felszíni egyenetlenségek magasságértékeire; átlagos maximum magasság Sz (távolság a legnagyobb csúcs és a legmélyebb völgy között) mikrométerben; a kialakult felület aránya Sdr, amelyet százalékban mértünk, ez egy hibrid paraméter, amely az amplitúdó és a térbeli tulajdonságok kombinációja, amely a felület megnövelését jelzi [9]. Ez utóbbi a mért felszín arányát jelzi százalékban egy névleges sima felülethez képest [10,11], (1. ábra).

1. ábra: A felszíni területek szkennelése. Minden egyes terület 250 µm hosszúságú és 150 µm szélességű; azaz 37 500 µm2 területű.

Statisztikai analízis

A vizsgált értékek statisztikai analíziséhez egy hagyományos táblázatkezelő szoftvert alkalmaztunk (Microsoft Excel, 2010-es verzió, Redmond, WA, USA). Az adatok számítások, átlagértékek és százalékok formájában szerepelnek (1. és 2. táblázat). A Kruskal-Wallis teszt lehetővé teszi a négy implantációs rendszer különböző paramétereinek Sa, Sz és Sdr összehasonlítását (3. táblázat). A p-érték ≤ 0,05 a statisztikai jelentőséget hívatott jelezni.

1. táblázat: Sa, Sz és Sdr értékei a négy standardizált területen (AOI – area of interest). A kontroll és a tesztek közötti nagy különbségek egyértelműen látszanak, különösen az apikális régióban.

2. táblázat: Az Sa, Sz és Sdr paraméterek százalékos eltérése a kontrollhoz képest. Az Sdr értéke a legjobban a Nobel implantátumok esetén növekedett, míg a másik három rendszer felszíne laposabb lett.

Eredmények

Sertéscsontminták

A csont részeinek denzitása Hounsfield egységekben mérve 1260 és 1320 között volt. Ennek alapján minden egyes mintadarab 1. osztályú csontnak (> 1250, HU) felelt meg a Misch osztályzás szerint [12].

Felületi változások

 Az 1. táblázat a négy implantációs rendszer Sa, Sz és Sdr paramétereit tartalmazza, azokat a kontrollokhoz hasonlítva. Tisztán kivehető, hogy mind a három paraméter (Sa, Sz, Sdr) értékeiben jelentős különbség van a teszt és a kontrollok között, különösen az apikális régióban. A négy rendszer statisztikai összehasonlításához a teszt és a kontroll közötti különbségeket kiszámítottuk, mind a négy mérési zónában (apex, középső 1, középső 2, nyaki rész). Az eredményeket a 2. táblázatban foglaltuk össze, amely mutatja, hogy az Sa paraméter értékeiben van a legnagyobb eltérés a teszt és a kontroll között a Straumann rendszer esetében (átlag: –10,37%), különösen az apikális régióban (-27,83%). Továbbá ennek a rendszernek a hat implantátuma mutatta a legnagyobb csökkenést a teljes felszíni érdesség tekintetében, Sz (átlag: –15,17%), az apikális részen (–39,50%). Ezzel ellenkezőleg a Nobel implantátumok a behelyezés után jelentős felszíni érdesség növekedését mutatták, különösen az apikális (+70,38%) és a nyaki (+122,53%) területeken. Végül a kialakult felület arányának Sdr növekedése egyértelmű volt mind a hat Nobel implantátum (átlag: +7,13%) esetében, míg a másik három rendszer esetében felszíni csökkenés volt (Ankylos –5,55%, Frialit –26,10% és Straumann –24,19%). A 3. ábra grafikusan ábrázolja az eredményeket. A statisztikai analízis feltárta, hogy a különbségek mind a három paraméter esetében (Sa, Sz és Sdr) igen jelentősek voltak az apikális részeken (3. táblázat).

3. táblázat: A négy implantációs rendszer négy standardizált zónájának statisztikai analízise. Mindhárom paraméter (Sa, Sz és Sdr) igen jelentős (**) különbségeket mutat az apikális régióban.

3. ábra: A kialakult felszíni arány (Sdr) százalékban a kontrollhoz hasonlítva – sertéscsontba történő implantáció után. A pozitív értékek a megnövekedett felületet jelzik, míg a negatív értékek a felszín kisimulását jelentik.

Megbeszélés

A cél

Az implantátumok felületkezelése mindennapossá vált a fogászati implantológiában annak érdekében, hogy jobb primer stabilitást és hatékonyabb osszeointegrációt lehessen elérni. Bebizonyították, hogy az oszteoblasztokat jobban vonzza az érdesebb felület [13]. A savmaratott implantátumokkal jobb csont-implantátum kapcsolatot (BIC) lehet elérni, mint az esztergált felszínűekkel nyolchetes gyógyulás után [14]. Az anódizált implantátumokkal már hat hét gyógyulás után jobb BIC értékeket lehetett kapni, mint az esztergáltakkal. Annak ellenére, hogy a legtöbb modern implantációs rendszernél alkalmaznak valamilyen felületmódosítást, nagyon keveset tudunk arról, hogy ez a felszíni morfológia miként módosul a behelyezés hatására.

Ebből adódóan, különösen figyelembe véve azt a tényt, hogy a leváló titánrészecskék káros hatással lehetnek a sejtszintű gyógyulásra [16,17], olyan klinikai tanulmányokra van szükség, amelyek ezeket a szempontokat is vizsgálják.

Módszerek

Ebben a tanulmányban friss sertésállkapcsokat alkalmaztunk. Egy újabb keletű tanulmányban humán cadaver mandibulákat használtak, hogy vizsgálják a felületi változásokat beültetés után hat homokfúvott és savmaratott (SLA) implantátum esetén [5]. Mi is szerettünk volna humán mintákat használni az alábbi tanulmányhoz, azonban több mandibulára lett volt szükség a 24 implantátumhoz, és az összehasonlítás a különböző csontszerkezetek miatt nem lehetett volna standardizált [18]. Ezért friss sertésmandibulákat használtunk az alábbi vizsgálatnál, mivel a sertéscsontnak a dimenziói, a mechanikai tulajdonságai és a fiziológiája nagyon hasonló az emberéhez [19]. Továbbá CT felvételek segítségével ellenőriztük, hogy valóban közel egyformák voltak a csontminták, és az alábbi eredmények megbízhatóságát nem korlátozta a felhasznált csont eredete. Az irodalomban a felületi vizsgálatokat gyakran pásztázó elektronmikroszkóppal végzik [1,5,8]. Korábban megállapítások szerint, amennyiben implantátumfelszín morfológiáját szeretnénk vizsgálni, a háromdimenziós mérések elengedhetetlenek [8]. Ennek megfelelően a felületi jellemzésre optikai eljárásokat (profilometria, interferometria) használnak már több mint 20 éve [1,11,20], amelyhez hozzá tartozik a 3D konfokális mikroszkóp használata [9]. Ezért a 3D felületi analízis alkalmazása csakúgy, mint az itt használt 3D konfokális mikroszkóp használata megalapozott az irodalomban, ez lehetővé teszi a magasságok és a térbeli paraméterek (mint az Sa, Sz és Sdr) kiszámítását – nanométeres beosztású felbontásban.

Felületi morfológia

Az alábbi tanulmányhoz hasonlóan Mints és mtsai az érdességi paramétereket számította ki, beleértve az átlagos magasság eltérését is (Sa), [1]. A szerzők leírták, hogy az esztergált implantátumok felszínei hasonló morfológiát mutattak behelyezés előtt és után. Ezzel ellentétben az anódizált implantátumokon volt a legkiterjedtebb a károsodás a behelyezés után: a menetek élein és az apikális régióban a teljes porózus oxidréteg eltűnt. Végül a savmaratott implantátumoknál a csúcsok magassága csökkent, és kilapult területek voltak a behelyezés után. Ebben a tanulmányban csak a savmaratott és az anódizált implantátumok vizsgálata történt. A teszt- és kontroll implantátumok átlagértékei közötti különbségek kerültek kiszámításra, és a százalékos eltérés a három paraméternél (Sa, Sz, Sdr), ez megfelel a kapcsolódó irodalmi adatoknak [1,8,9].

Az alábbi eredmények megmutatják, hogy a savmaratott implantátumok átlagos felületi érdessége (Sa) szignifikánsan csökkent, különösen az apikális régióban (p = 0,006), és a kialakult felületi arány (Sdr) átlaga (p <0,001), (3. táblázat). Ezek jóval nyilvánvalóbbak voltak a Straumann rendszer esetében (Sa átlag: –10,37%) a Dentsply implantátumával összehasonlítva (Sa átlag: –1,99% és –0,96%, 2. táblázat és 3. ábra). Ezzel ellentétben a Nobel cég anódizált implantátumainak felszíne szignifikáns károsodást mutatott, amelyet az átlagos felületi érdesség (Sa átlag: +5,73%) növekedése jelzett, valamint a kialakult felszíni arány paramétere (Sdr átlag: +7,13%), ez megfelel más kutatócsoportok adatainak [1]. Annak ellenére, hogy széleskörűen alkalmazunk osszeointegrálódott titánimplantátumokat, teljesen részletesen még nem ismerjük az osszeointegráció folyamatát [21].

A kereskedelemben kapható implantátumokat a felületi érdességük (Sa) szerint soroljuk négy csoportba: sima (Sa < 0,5 µm), minimálisan érdes (Sa = 0,5–1,0 µm), enyhén érdes (Sa = 1,0–2,0 µm) és érdes (Sa > 2,0 µm). A felületi érdesség az alkalmazott részecskék méretével arányosan növekszik [23]. A tipikus Sa értékek 0,5–2,0 µm közé esnek. A 25 és 75 µm közötti részecskemérettel homokfúvott implantátumokhoz nagyobb eltávolítási nyomaték tartozik, mint az esztergált implantátumok esetén -12 hét gyógyulás után nyúl tibiából vagy femurból [20]. Szignifikánsan magasabb csont-implantátum kapcsolatot figyeltek meg 25 µm-es homokfúvott felszínnél, mint az esztergált felszínnél, míg a menetek között több csont volt az utóbbi implantátumoknál a 12 hetes [20] és 1 éves [24] gyógyulás után. Érdekes, hogy szignifikánsan nagyobb csont-implantátum kapcsolat ellenére hasonló eltávolítási nyomatékot mértek, amikor 25 és 250 µm-es részecskékkel homokfúvott implantátumokat hasonlítottak össze [21,25]. 1,5 µm-es érdesség esetén optimális csontosodást, csont-implantátum kapcsolatot és ennek megfelelő eltávolítási nyomatékot figyeltek meg, míg ahol 25 µm-es, vagy TiO2, akár Al203 részecskéket használtak a homokfúváshoz, ott nem tapasztaltak semmilyen különbséget ugyanezeknél a paramétereknél 12 hetes gyógyulást követően [21]. Érdekes, hogy a lényeges, széleskörűen használt rendszerek implantátumainál nem találtak összefüggést a növekvő érdesség és az ion leadás között, sem in vitro, sem in vivo körülmények között [26]. Azonban, a szerzők legjobb tudomása szerint, a felület érdességi értékeit nem vizsgálták az implantációt követően. Következésképpen lehetséges, hogy a csont típusa befolyásolhatta az eredményeket. Ezeket a feltételezéseket alátámasztották az újabb felfedezések is. Bemutatták, hogy jelentős változás jön létre a felszíni Ti és C koncentrációkban a mechanikai stresszt követően [27]. Ezért kijelenthetjük, hogy a behelyezés folyamata különböző mechanikai stresszt jelent a felszín számára [28], és a felszínt érintő nagyobb mechanikai stressz nagyobb felületi károsodást eredményezhet. Különösen annak a ténynek az ismeretében, hogy a titánrészecskék jelenlétét megerősítették még a esztergált implantátumok felszínén is [29], amely azért érdekes, mert ezek a molekulák krónikus gyulladást [16], pre-inflammatorikus citokinek (mint az IL-6, IL-8 és TNF-alpha) felszabadulását okozhatják, ezáltal veszélyeztetve az implantátum integrálódását.

Korlátok

Az alábbi tanulmánynak vannak korlátai. Egyrészt: az implantátumokat in vitro körülmények között helyeztük be sertéscsontba, ezért az alábbi eredmények nem biztos, hogy reprezentatívak humán csont esetén is. Másrészt: a 3D konfokális mikroszkóp nem teszi lehetővé az implantátum felszínének a kémiai analízisét, valamint a leváló titánrészecskék vizsgálatát.

Ezért a biológiai következmények in vivo vizsgálata szükséges.

Konklúzió

A bemutatott tanulmány korlátai ellenére kijelenthetjük, hogy a behelyezés folyamata nagyban befolyásolja mind a négy rendszer implantátumainak a felszíni struktúráját. Az anódizált implantátumok felszíne – úgy tűnik – komolyabb változásokon megy keresztül, mint a szubtraktív eljárásokkal kezelteké. Ezért a sebészi tervezésnél figyelembe kell vennünk, hogy a felhasznált implantátum milyen felületi kezelési eljáráson esett át, és milyen a kémiai összetevője, mivel azt nagyban megváltoztathatja a beültetés folyamata.

 

Dr. Herbert Deppe, dr. Florian Bauer, dr. Ricarda Ruthenberg, dr. Stefan Wagenpfeil, dr. Thomas Mücke, dr. Anton Sculean

Forrás: EDI Journal 2017/4.