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Implantologie 20.11.2020

Volumenstabile Magnesium-Kollagen-basierte Barrieremembran

Volumenstabile Magnesium-Kollagen-basierte Barrieremembran

Biokompatibilität und Gewebeheilungskapazität

Mandibulomaxilläre Knochendefekte erfordern insbesondere im Falle eines höheren Verlustvolumens komplexe rekonstruktive Verfahren zur Knochenaugmentation. Die Anwendung der GBR/GTR-Technik (Guided Bone/Tissue Regeneration) ist eine gängige Methode zur Realisierung der Knochenregeneration im Bereich des Alveolarkamms. Das Hauptprinzip der GBR/GTR basiert auf einer sogenannten Barrieremembran zwischen dem Defekt und dem äußeren Weichgewebe, um ein schnelles Einwachsen des Weichgewebes zu verhindern und die Knochenregeneration zu fördern.1,2

Für die Anwendung der GBR/GTR-Technik können einerseits resorbierbare und nicht resorbierbare Membranen unterschiedlicher Herkunft unterschieden werden. Darüber hinaus wird zwischen natürlichen und synthetischen Materialien differenziert.

Für Indikationen, die keine Volumenstabilität erfordern, haben sich Membranen auf Kollagenbasis aufgrund ihrer exzellenten Biokompatibilität und Abbaubarkeit als optimale Biomaterialien erwiesen, die von Zellen des Kollagenstoffwechsels wie Fibroblasten und Makrophagen durchgeführt werden und den Prozess der Knochenheilung auf molekularer Ebene sogar durch ihre osteokonduktive Wirkung oder auch durch eine Membranvaskularisierung unterstützen können.

Herkömmliche Kollagenmembranen sind jedoch nicht volumenstabil, weshalb insbesondere mehrdimensionale Knochendefekte bisher die Anwendung nicht resorbierbarer Biomaterialien auf Basis von Polytetrafluorethylen (PTFE) in Kombination mit Titangittern oder Titannetze alleine erfordern. Trotz der guten Biokompatibilität und der zumeist erfolgreichen klinischen Applikation erfordert die Anwendung nicht resorbierbarer Biomaterialien immer einen zweiten chirurgischen Eingriff zur Entfernung, der mit einer höheren Gesamtmorbidität, verschiedenen Beschwerden des Patienten und dadurch mit höheren Behandlungskosten einhergehen kann.3,4 Daher ist die klinische Notwendigkeit, eine nächste Generation volumenstabiler Barrieremembranen zu entwickeln, die Volumenstabilität mit bioresorbierbaren Eigenschaften kombinieren, von besonderem Interesse. Basierend auf den nicht resorbierbaren PTFE-Membranen mit Titannetzen ist die Entwicklung eines bifunktionalen Materials bestehend aus einer resorbierbaren Kollagenmembran kombiniert mit einem integrierten resorbierbaren Metallgitter als Stabilitätskomponente offensichtlich.

Interessanterweise ist Magnesium ein elementarer Bestandteil des menschlichen Organismus. So besteht der Körper von Säugetieren aus ungefähr 0,4 g Magnesium/kg Körpergewicht. Mehr als 90 Prozent werden in Knochen, Muskeln und nicht muskulärem Weichgewebe gebunden und gespeichert.5,6 Magnesium sorgt dabei auch für die Knochenstärke und die Knochenbildungskapazität und spielt damit eine wichtige Rolle für die Gesundheit des Bewegungsapparats.5,6

Aufgrund seiner wichtigen Rolle innerhalb des Knochenstoffwechsels haben sich Materialien auf Magnesiumbasis als eine neue Klasse biologisch abbaubarer Biomaterialien für die Knochenregeneration herauskristallisiert und werden als Biomaterialien der nächsten Generation bezeichnet.7–11

Magnesium und eine Vielzahl seiner Legierungen wurden bereits in diversen Studien als abbaubares Implantatmaterial untersucht.7–9,11 Der hohe Grad an biologischer Abbaubarkeit, der eine zweite Operation zur Implantatentfernung vermeidet und die Bildung von Fremdkörper-Riesenzellen in unmittelbarer Nähe von permanenten Implantaten verhindert, wurden als Hauptvorteile der Materialien auf Magnesiumbasis bezeichnet.12 Jedoch werden Implantate auf Magnesiumbasis in Anbetracht der schnellen Abbauraten bisher in der klinischen Praxis noch nicht häufig verwendet.13–15 Darüber hinaus bergen Magnesium-basierte Implantate aufgrund der schnellen Korrosionsraten das Risiko eines strukturellen Versagens unmittelbar nach der Implantation.11,13,16 Im Verlauf des Abbaus entstehen Magnesiumhydroxid und Wasserstoffgas, die bei unkontrollierter Freisetzung das Regenerationspotenzial des umliegenden Gewebes herabsetzen können.11,13

Eine vielversprechende Methode zum Zwecke des Korrosionsschutzes von Magnesium-basierten Biomaterialien stellt u. a. die Behandlung mit Flusssäure (Hydrofluoric acid, HF) dar.17,18 So konnte gezeigt werden, dass die HF-Behandlung zu korrosionsbeständigen Materialoberflächen und zu einer 20-mal niedrigeren Korrosionsrate als bei unbehandelten Proben führt.17,19 Die HF-Behandlung wird daher als eine ausgezeichnete Behandlung für Korrosionsschutzschichten auf Magnesiumimplantaten angesehen.19

Unter Berücksichtigung dieser Aspekte wurde eine vollkommen neuartige resorbierbare und volumenstabile Barrieremembran, bestehend aus einer nativen Kollagenmembran mit einem integrierten Magnesiumnetz, für die GBR/GTR-Behandlung entwickelt (Abb. 1).

Die neu entwickelte Membran wurde mit etablierten In-vitro-Methoden und mittels eines In-vivo-Kalvarienimplantationsmodells untersucht.20,21 Die Geweberegeneration und -reaktion wurden unter Verwendung etablierter histologischer, histopathologischer und histomorphometrischer Methoden analysiert.21–24 Der Materialabbau und die Knochenregeneration wurden unter Verwendung radiologischer (mittels digitaler Volumentomografie [DVT] und Kontaktradiografie) und histomorphometrischer Methoden gemessen.

Ergebnisse

In vitro wurden sowohl die HF-behandelte als auch die unbehandelte Magnesiumvariante auf ihre grundlegende Zytokompatibilität angelehnt an die DIN EN ISO 10993-Norm getestet, um eine sichere In-vivo-Anwendung zu gewährleisten. Dabei zeigte die HF-behandelte Membran äußerst vielversprechende Zytokompatibilitätsergebnisse, während sich die unbehandelte Membran in den Untersuchungen als geringgradig zytotoxisch darstellte, was aber durch den Standard-Testaufbau bedingt war. Dieser Test-Standard wird momentan insbesondere in Hinblick auf Magnesium-Implantate jedoch international revidiert. Die HF-behandelte Membran war zwar im LDH-Assay toxisch, aber der Unterschied zur Negativkontrolle war nicht signifikant, was wiederum nur eine geringe Toxizität anzeigt. Nach 72-stündiger Extraktion zeigte das unbehandelte Magnesium deutliche Anzeichen von Korrosion, während das HF-behandelte Magnesium keine makroskopischen Veränderungen der Oberfläche zeigte. Dieses Ergebnis stützt die Beobachtung, dass die HF-Behandlung die Magnesiumimplantate vor vorzeitigem Abbau schützen und die Ausfällung von Korrosionsprodukten verzögern kann. In den Vitalfärbungen (LIVE/DEAD) zeigten beide Magnesiumvarianten viele lebende Zellen mit besserer Zellanhaftung für das HF-behandelte Magnesium. Aufgrund der guten Ergebnisse im direkten Test qualifizierte sich die behandelte Membran für die weiteren In-vivo-Tests.

Die In-vivo-Ergebnisse der Studie zeigten, dass die gesamte Knochenregeneration zu allen Zeitpunkten für alle Gruppen ähnlich war. Der Grund hierfür dürfte aber in der Verwendung des Tiermodells zu finden sein, da es nicht die klinische Situation widerspiegelt, die mit der Anwendung eines solchen Biomaterials verbunden ist. Darüber hinaus unterschieden sich die Werte für die Knochenregeneration für die angewandten Messmethoden in der Reihenfolge DVT – Kontaktradiografie – Histomorphometrie (Abb. 2). Diese Ergebnisse können durch die unterschiedlichen Auflösungskapazitäten der angewandten Bildgebungsverfahren erklärt werden.

Die histopathologischen Beobachtungen in Kombination mit der histomorphometrischen Analyse der Magnesium-assoziierten Gashohlraumentwicklung sind die interessantesten Ergebnisse der vorliegenden Studie, selbst im Hinblick auf die Anwendbarkeit der HF-Behandlung zur Anpassung des Abbauverhaltens von Magnesiumimplantaten. Die histopathologische Analyse zeigte, dass die HF-Oberflächenbeschichtung die Entwicklung von Gashohlräumen bis zu zwölf Wochen im Vergleich zu den Werten in der Gruppe der unbehandelten Magnesiumimplantate verhinderte, während diese Effekte nach 18 Wochen nicht mehr nachweisbar waren (Abb. 3 und 4).

Darüber hinaus ergab die histopathologische Analyse, dass die HF-behandelten Magnesiumnetze in Kombination mit einer leichten Fibrose, an der hauptsächlich Fibroblasten beteiligt waren, bis zu zwölf Wochen lang eine Schicht mononukleärer Phagozyten induzierten, während die unbehandelten Magnesiumnetze nur eine fibroseähnliche Gewebereaktion induzierten (Abb. 4). Nach 18 Wochen zeigte sich, dass die Gewebereaktion in beiden Gruppen ähnlich war. Diese Ergebnisse lassen zunächst den Schluss zu, dass die Oberflächenbehandlung innerhalb von zwölf Wochen nach der Implantation phagozytiert wurde, jedoch eine Verzögerung der Wasserstofffreisetzung und damit die Entwicklung von Gashohlräumen ermöglichte. Zudem konnte gezeigt werden, dass trotz der beobachteten unterschiedlichen Gewebereaktionen die Magnesiumnetze in beiden Studiengruppen in engem Kontakt mit neu gebildetem Knochengewebe standen und somit nicht mit der Knochenneubildung interferierten.

Insgesamt zeigen die Ergebnisse der vorliegenden Studie, dass die neuentwickelte volumenstabile und resorbierbare Barrieremembran alle Anforderungen an die geforderte Zyto- und Biokompatibilität erfüllt und ähnliche Eigenschaften aufweist wie die bereits verfügbaren nicht resorbierbaren PTFE-Membranen mit integrierten Titannetzen. Es konnte weiterhin nachgewiesen werden, dass die HF-Behandlung es erlaubt, die Degradation von Magnesiumimplantaten wirkungsvoll an die örtlichen Gegebenheiten der Knochenregeneration anzupassen. Somit dürfte die innovative neue Barrieremembran auf Basis neuentwickelter Magnesiumnetze, eingebettet in eine Membran auf Basis von nativem Kollagen eine vielversprechende Alternative im Vergleich zu herkömmlichen nicht resorbierbaren Membranen für die GBR-Therapie darstellen.

Weitere Autoren: Caroline Linder, Jens Pissarek

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Der Beitrag ist im Implantologie Journal erschienen.

Foto Teaserbild: Autoren

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