Implantologie 28.02.2011

Zirkoniumdioxid Keramikimplantate

Dr. Thomas Arzt
Dr. Thomas Arzt
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Zirkoniumdioxid Keramikimplantate

Humanhistologische Aspekte eines innovativen Implantatwerkstoffes

Seit einigen Jahren ist in der als abgeschlossen geglaubten Diskussion um den optimalen Implantatwerkstoff eine für die dentale Implantologie interessante Keramik aufgetaucht. Das in der zweiten Hälfte der 1990er-Jahre eingeführte prothetische Gerüstmaterial Zirkoniumdioxid (ZrO2) hat als einziger vollkeramischer Werkstoff quasi die gleiche prothetische Indikationsbreite erreicht wie dentale Metalllegierungen.

Verantwortlich dafür sind seine außerordentlichen, physikalischen Eigenschaften in puncto Biegefestigkeit (900–1.200 MPa) und Härte (1.200Vickers). Nach den positiven Erfahrungen im prothetischen Bereich lag es auf der Hand, dass dieser Werkstoff auch als Implantat-material in Betracht kommen wird. Die Zurückhaltung diesem Material gegenüber resultiert sicherlich größtenteils aus den Erfahrungen mit Aluminiumoxid-Keramiken in den 70er-Jahren (Frialit I, Biolox). Aluminiumoxid-Keramiken konnten sich nicht durchsetzen, da sie den Belastungen im Kausystem nicht zuverlässig standhielten. Zirkoniumoxid-Keramiken hingegen sind Metalllegierungen in Bezug auf physikalische Belastbarkeit zumindest ebenbürtig.

In der Implantologie hat sich Titan als Werkstoff breitflächig durchgesetzt. Dieses Material hat in unzähligen Studien bewiesen, dass es nahezu ein perfekter Implantatwerkstoff darstellt. Bruchstabilität und Osseointegrationverhalten stehen bei korrekter Dimensionierung und Oberflächenkonditionierung von Titan-Implantaten außer Frage. Die Biokompatibilität von Zirkonoxid-Keramiken ist in mehreren Studien untersucht worden und wird uneingeschränkt als gegeben angesehen. Bezüglich der Oberflächenkonditionierung gibt es vielfältige Ansätze, um das Osseointegrationsverhalten von Zirkonoxidimplantaten zu optimieren. Im Rahmen dieses Artikels sollen ausschließlich histologische Aspekte bezüglich des Einheilverhaltens bzw. des Osseointegrationbestrebens von ZrO2-Keramikimplantaten diskutiert werden.


Material und Methode

In einer laufenden Studie werden ZrO2- Implantate (Easy-Kon, General Implants, VS-Villingen) auf ihr Osseointegrationsverhalten hin untersucht (Abb. 1). Der verwendete Implantattyp ist ein einteiliges Vollschraubenimplantat mit konischem Gewindeanteil. Die Oberfläche des enossalen Anteils wurde durch ein spezielles Ätzverfahren subtraktiv bearbeitet. Der extraossäre Anteil ist ebenso konisch gestaltet. Somit können divergierende Implantatachsen präparationstechnisch kompensiert werden.

Die Implantation erfolgt ausschließlich in abgeheilte Kieferkammverhältnisse. Die Einteiligkeit des Implantattyps erfordert zwangsläufig eine ausreichende, intraoperative Primärstabilität. Diese wird bei einem Eindrehmoment von mindestens 50 Ncm als gegeben angesehen. Eine strukturelle Sofortbelastung ist systembedingt unumgänglich. Jedoch werden funktionelle Einflüsse durch entsprechende Einschleifmaßnahmen am Langzeitprovisorium weitestgehend eliminiert. Das Implantatsystem bietet bei nicht erreichbarer Primärstabilität für das ZrO2-Keramikimplantat ein konstruktiv identisches, zweiteiliges Titanimplantat (Easy-Fast, General Implants, VS-Villingen). Somit ist im Zweifel die Versorgung der Patienten auf konventionellem, implantologischen Wege (zweizeitiges Vorgehen) in der gleichen Sitzung stets gewährleistet. Im Rahmen dieser laufenden Studie konnte mit Zustimmung des Patienten ein osseointegriertes Implantat (Abb. 2) Wochen nach Insertion durch Explantation einer histologischen Exploration zugeführt werden. Das Implantat war nur durch Osteotomie mittels Trepanbohrer zu entfernen.

Das Explantat war vollständig mit kalzifiziertem Gewebe bedeckt, soweit das klinisch beurteilbar ist. Die Fixierung des Präparates wurde mit 5%iger Formalinlösung durchgeführt. Die Aufarbeitung erfolgte durch Trenn-Dünnschliff-Technik6 am unentkalkten Präparat und anschließender Toluidinblau-Färbung.


Abb.1: Einteiliges ZrO2-Keramikimplantat Easy-Kon (General Implants, VS-Villingen) mit oberflächen-konditioniertem enossalen Anteil, präparierbarem extraossären Anteil und hexagonalem Kopf für Einbringwerkzeuge. - Abb.2: Regio 12 Kontrollröntgenbild 16 Wochen post implantationem, unmittelbar vor Explantation.


Ergebnisse

Im vorliegenden Querschnittpräparat des humanen ZrO2-Dentalexplantats (Abb. 3) imponiert das histologische Bild einer osteoadaptierten, d.h. osseointegrierten Implantatoberfläche. Definitionsgemäß sind lichtmikroskopisch keine bindegewebige Interponate im Interface zwischen den Knochenanwachsflächen des Implantats und dem Lagerknochen erkennbar.

Die Abbildung 3 zeigt das Übersichtspräparat im Querschnitt. Zellarmer, kalzifizierter Lagerknochen mit lamellärem Aufbau, Osteone sind gegeneinander abgrenzbar (obere Bildhälfte), bindegewebsfreies Interface zwischen Knochen und ZrO2-Keramikimplantat. Die knöcherne Einscheidung des explantierten ZrO2-Keramikimplantats kann – ähnlich wie bei Titanimplantaten – als Kontaktosteogenese beschrieben werden. Inwieweit eine mit Hydroxylapatit (HA) beschichteten Dentalimplantaten korrelierende sogenannte Verbundosteogenese zwischen Lagerknochen und ZrO2-Keramikoberfläche vorliegt, kann anhand des vorliegenden singulären Humanexplantats nicht endgültig beantwortet werden. Hier sind weiterführende humanhistologisch relevante, tierexperimentelle Untersuchungen zwingend angezeigt (entsprechende experimentelle Forschungsaktivitäten sind zurzeit in Vorbereitung).

Der implantatnahe Kontakt vitaler Osteozyten mit anscheinbar „direkter Kontaktaufnahme“ der osteozytären Ausläufer (Canaliculi) mit der Implantatoberfläche sind jedoch als valider histomorphologischer Hinweis auf einen verbundähnlichen, osseointegrativen Charakter des untersuchten ZrO2-Implantats zu interpretieren (Abb. 4 und 5).

Darüber hinaus zeigen Kittlinien von sekundär im periimplantären Lagerknochen im Rahmen der biomechanischen Implantatinkorporation entstandenen Osteone (Substitutionsosteone) ebenfalls einen direkten Kontakt zur ZrO2-Keramikoberfläche.


Abb.3: Übersichtspräparat im Querschnitt. Zellarmer, kalzifizierter Lagerknochen mit lamellärem Aufbau, Osteone sind gegeneinander abgrenzbar (obere Bildhälfte), bindegewebsfreies Interface zwischen Knochen und ZrO2-Keramikimplantat. - Abb. 4: Quergeschnittenes Blutgefäß (Haverscher Kanal). Vereinzelt, eingemauerte Osteozyten, z.T. direkt auf der Implantatoberfläche aufliegend. - Abb.5: Vitale Osteozyten in unmittelbarer Nähe zur Implantatoberfläche, deutlich zu erkennende Zellausläufer bzw. Canaliculi mit direktem interzellulären und implantären Kontakt.

Diskussion

In den wenigen tierexperimentellen Untersuchungen wird lediglich die mit Titan vergleichbare Biokompatibilität von Zirkonoxid-Keramiken festgestellt. Tiefergehende, histologische Befundungen bezüglich des Einheilmodus konnten nicht recherchiert werden. Kohal et al. gibt in seiner Untersuchung an, keinen signifikanten Unterschied zwischen Titan- und Zirkonoxidoberfläche bezüglich des Knochen-Implantat-Kontakts gefunden zu haben.

Eine wissenschaftlich fundierte Evaluation des biologischen Einheilmodus und des Knochen-Implantat-Kontakts von ZrO2-Keramikimplantaten (Kontakt- vs. Verbundosteogenese) ist erst möglich nach Vorlage entsprechender Ergebnisse tierexperimenteller Untersuchungen. Sollte dies möglich sein, und ZrO2-Keramikimplantate nach den biofunktionellen Kriterien der sogenannten Verbundosteogenese knöchern inkorporiert werden, so bestünde hier jedenfalls ein bedeutender Unterschied zu den bisher gebräuchlichen Titanimplantaten. Die sich ergebenden Vorteile, wie z.B. eine nahtlose biofunktionelle knöcherne Inkorporation mit dem periimplantären Lagerknochen, mit der Konsequenz eines entsprechenden konzipierten und modifizierten Implantat-Insertions- und Belastungsprotokoll, wäre hierbei nur ein zu nennender Aspekt. Bei Titanimplantaten wird eine echte, ankylotische Implantateinheilung im lichtmikroskopischen Bild häufig nur vorgetäuscht (sog. pseudoankylotische Einheilung). Bei der hier vorliegenden verbundähnlichen, osseointegrativen Paarbildung zwischen der technischen Zirkonoxid-Keramikoberfläche und dem biologischen Lagerknochen scheint eine histomorphologisch echte, ankylotische, knöcherne Inkorporation vorzuliegen. Das vorliegende histologische Ergebnis lässt die Vermutung zu, dass bei Zirkonoxidimplantaten ein bidirektionales ossäres Integrationsmuster zu beobachten ist. Im Sinne einer aktiven Osseointegration vollzieht sich die Neoossifikation im Interface hierbei bilateral, d. h. sowohl direkt auf Implantatoberfläche (ZrO2-Keramik) als auch auf der Implantatbettoberfläche (Lagerknochen). Bei einer passiven, d. h. unidirektionalen Osseointegration wird in der Regel die Implantateinheilung einzig von der regenerativen Potenz des Lagerknochens abhängig sein.
Darüber hinaus ist unter mittel- bis langfristigen Aspekten die vergleichsweise geringe Plaque-Akkumulationsrate von ZrO2-Keramik-implantaten zu bewerten. Da horizontale und vertikale Knochenresorptionen zu den Hauptursachen des Implantatverlusts zählen, könnte man erwarten, dass sich durch die Kombination von Verbundosteogenese und minimaler Periimplantitisneigung eine weitaus bessere Langzeitprognose von ZrO2-Keramikimplantaten ergibt.

Eine Literaturliste kann in der Redaktion angefordert werden.


Autor: Dr. Thomas Arzt MOM/Bad Sobernheim, Prof. Dr. Dr. Hans-Albert Merten/Hannover, Prof. Dr. Dipl.-Chem. Alfred Patyk/Göttingen

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