DE19630034A1 - Biohybrides Zahnimplantat - Google Patents
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Description
Zähne sind über einen Halteapparat aus Kollagenfasern (Peridontalligament) elastisch
im Kieferknochen aufgehängt. Die Elastizität dieses Halteapparates ermöglicht unter
anderem eine flexible Anpassung an unterschiedliche Kaubelastungen.
Die heute üblichen Dentalimplantate verwachsen fest mit dem Kieferknochen und
entsprechen hinsichtlich Halteapparat nicht dem natürlichen Vorbild. Dentalimplantate
gemäß dem Stand der Technik sind Stifte oder Schrauben aus Titan, beschichtetem
Titan oder einem keramischen Material, die einen künstlichen Zahnaufbau tragen und
in dieser Kombination einen natürlichen Zahn ersetzen.
Das konventionelle Implantat wird vom Zahnarzt in eine Ausbohrung des
Kieferknochens gesetzt und dort mechanisch befestigt. Ein Merkmal der marktgängigen
Implantate ist ihre spätere knöcherne Integration in den Kieferknochen: Der Knochen
wächst an das Implantat heran, umschließt es und hält es so fest. Diese starre
Integration in den Kieferknochen steht im Gegensatz zu der elastischen Aufhängung
des natürlichen Zahnes. Probleme und Komplikationen treten vor allem auf:
- - bei der gelegentlich erforderlich werdenden Explantation des Implantates: Es muß dann mit der Knochenfräse gearbeitet werden, was den Kiefer lokal zerstört;
- - bei Brückenkonstruktionen zwischen Implantat und natürlichem Zahn: Das starre Implantat und der bewegliche natürliche Zahn haben eine eingeschränkte Kompatibilität als tragende Elemente einer Brücke;
- - beim Kauen: Die starre Integration in den Kieferknochen beeinträchtigt die Bißempfindung.
Darüber hinaus unterbleibt in einigen Fällen die Einwachsung des Implantats, und der
Kieferknochen bildet sich aufgrund unphysiologischer Belastungen partiell zurück.
Obwohl die starre Integration der Implantate in den Kieferknochen Nachteile mit sich
bringt, gibt es Bestrebungen, diesen, als Osseointegration bezeichneten Vorgang durch
spezielle Beschichtungen der Implantate noch zu fördern:
- - US 4 957 509: Beschichtungen mit Zirkon-, Siliziumnitrid oder Siliziumcarbid,
- - US 5 178 901: Beschichtung mit einer keramischen Masse aus CaO/TiO2/P2O5/Na2O,
- - JP 3 151 978: Keramik aus Al2O3/ZrO2,
- - WO 9 222 335: Beschichtung mit Calciumphosphat, das durch eine hydrothermale Behandlung in Hydroxylapatit überführt wurde,
- - EP 0 205 333: Beschichtung mit hydroxylapatithaltigem Polymethacrylat,
- - DE 38 31 260: Aufsintern von Hydroxylapatit/Tricalciumphosphat mit anschließender Säurebehandlung führt zu einer porösen Hydroxylapatit-Schicht.
Im Gegensatz zu diesen Entwicklungen, die auf eine Verbesserung der
Osseointegration der Implantate zielen, steht das Verfahren dieser Erfindung, dessen
Anwendung zu einer dem natürlichen Vorbild folgenden elastischen Aufhängung des
Implantates im Kieferknochen führt. Wesentliche Merkmale zur Erreichung dieses
Zieles sind:
- - die Besiedlung von Implantatoberflächen mit den Zellen, die die Kollagenfasern des natürlichen Halteapparates bilden (Peridontalfibroblasten und andere Zellen der Wurzelhaut),
- - die Schaffung von Bedingungen, die diese Zellen stimulieren,
- - der Einsatz von Implantaten, deren Oberflächen mit der Zellbesiedlung und der Stimulierung der Zellen kompatibel sind.
DE 40 40 872 und DE 42 22 296 offenbaren Implantate für den Dentalbereich, wobei
menschliche Peridontalfibroblasten von extrahierten Zahnwurzeln entnommen, in vitro
über mehrere Wochen vermehrt und dann kurz vor dem Einsetzen des Implantates auf
das Implantat übertragen werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, ein natürlich einwachsendes Zahnimplantat
bereitzustellen, das ohne die in vitro-Vermehrung der Peridontalfibroblasten auskommt.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein biokompatibles Zahnimplantat bestehend
aus:
- - einem Implantatkern aus Titan, einer Titanlegierung oder einem anderen Hartmaterial,
- - einer Biokompatibilität verleihenden Ummantelung aus Siliziumcarbid oder einem PMMA/Kollagenverbundmaterial,
- - und einer unmittelbar vor der Implantierung aufzubringenden Außenschicht aus
einer gelartigen Matrix (Gel), die Wurzelhautzellen und Wurzelhautzellen
stimulierende Faktoren enthält,
wobei die Wurzelhautzellen ohne Vorschaltung eines in vitro-Vermehrungsschrittes in die Matrix eingearbeitet werden.
Im Rahmen der Untersuchungen zur Lösung dieser Aufgabe wurde ein Zahnimplantat
gefunden, bei dem durch Einsatz von speziell behandelten Implantatoberflächen und
Stimulantien, vor allem von Mitosestimulantien, die Peridontalfibroblasten sich
wesentlich schneller vermehren als im unbehandelten Zustand. Die Stimulierung der
Zellaktivität ist überraschenderweise derart hoch, daß bei Einsatz der Stimulantien auf
die von DE 40 40 872 und DE 42 22 246 beschriebene in vitro-Vermehrung der
Peridontalfibroblasten als Voraussetzung für die Besiedlung der Implantate mit diesen
Zellen unterbleiben kann. Somit kann gemäß dieser Erfindung in einer
Behandlungssitzung:
- - der kranke oder abgestorbene Zahn extrahiert werden,
- - das Implantat mit durch Probeexcision erhaltenen oder von der Wurzelhaut des extrahierten Zahnes entnommenen Peridontalfibroblasten besiedelt werden,
- - das so behandelte Implantat implantiert werden.
Erfindungswesentlich ist die Beschichtung des Zahnimplantats mit einem
Wurzelhautzellen und Stimulantien enthaltenden Gel. Dieses Gel läßt sich nach
folgender Methode herstellen:
- - Proteolytische Behandlung der Zahnwurzelhaut, die durch Probeexcision oder durch Abschaben von einer extrahierten Zahnwurzel erhalten wurde, mit Kollagenase und/oder Trypsin und/oder anderen Enzymen. Die proteolytische Behandlung bewirkt die Auflösung des Gewerbeverbandes. Alternativ zur proteolytischen Behandlung bzw. in Kombination mit ihr kann die Zahnwurzelhaut auch mechanisch zerkleinert werden.
- - Konzentrieren und Waschen der erhaltenen Zellsuspension bzw. Gewebesuspension durch Zentrifugation,
- - Zugabe von Blutplasma oder Serum bzw. von Zellwachstumshormonen wie EGF und/oder BMP und/oder weiteren Faktoren mit mitogener Aktivität auf Wurzelhautzellen,
- - Zugabe von einem oder mehreren Antibiotika,
- - Zugabe einer gelbildenden Substanz in Form einer Lösung oder als lösliche Substanz,
- - Zugabe einer anorganischen Substanz, die die Gelbildung auslöst und/oder stabilisiert oder andersseitig eine positive Wirkung auf die Ausbildung des natürlichen Zahnhalteapparates hat.
Das Gel enthält also neben den Wurzelhautzellen die folgenden Komponenten:
- A) eine Gel-bildende Substanz,
- B) ein oder mehrere antibiotisch wirksame Substanzen,
- C) gereinigte oder in komplexer Mischung vorliegende Faktoren, die die Zellaktivität stimulieren,
- D) anorganische Substanzen.
Als gelbildende Substanz werden z. B. Kollagen, Fibrinogen, Aprotinin und/oder
Natriumalginat verwendet.
Die Komponente B enthält Wirkstoffe aus der Klasse der Penicilline, Cephalosporine,
Streptomycine, Ciprofloxazine, Tetracyline und/oder Erythromycine in
Konzentrationen von 10-1 000 µg pro ml.
Als stimulierende Faktoren werden reine Proteine aus der Gruppe der epidermalen
Zellwachstumsfaktoren, der Knochen-morphogenetischen Proteine und/oder komplexe
Extrakte aus juvenilen Zahnknospen von Nutztieren oder fötalem Nutztierserum
eingesetzt.
Die anorganischen Substanzen sind vorzugsweise Calciumphosphat, insbesondere
Hydroxylapatit.
Das Gel ist mit einer Schichtdicke von 0,1-2 mm auf der Implantatoberfläche
aufgebracht.
Mit dem so hergestellten Wurzelhautzellen und Stimulantien enthaltenen Gel werden
Implantate unmittelbar vor ihrer Implantation beschichtet. Die hierfür besonders
geeigneten Implantate haben eine zur Besiedlung mit Wurzelhautzellen und zur
Verankerung der von diesen Zellen zu bildenden Kollagenfasern geeignete Oberfläche.
Beispiele hierfür sind Implantate, die aus dem PMMA/Kollagenverbundmaterial gemäß
der Deutschen Patentanmeldung "Biokompatibles Verbundmaterial und Verfahren zu
seiner Herstellung" (Anmeldenummer: 195 29 036.4) hergestellt werden oder mit
Siliziumcarbid beschichtete Implantate. Diese werden bevorzugt so hergestellt, daß zur
Ausbildung der Implantatoberfläche aus Siliziumcarbid eine künstliche Zahnwurzel, die
aus Titan oder dessen Legierung besteht, mit einem Silizium-haltigen Teig überzogen
und der Teig zunächst bei Temperaturen < 1 000 °C zersetzt und anschließend bei
Temperaturen < 1 400 °C zu SiC umgesetzt wird.
Ein Mehlteig mit 30% Mehl und 70% Siliziumpulver wird mit Wasser zu einem
pastösen Brei angerührt und auf einen Titanstift, der zur Verwendung als künstliche
Zahnwurzel vorgesehen ist, aufgetragen. Nach der Lehre der EP 0 555 760 wird
diese Masse 1-2 h bei einer Temperatur von 200-800°C zersetzt und
anschließend bei einer Reaktionstemperatur von < 1 400°C 1-2 h zu SiC
umgesetzt. Es entsteht ein Metallstift mit einer rauhen vergüteten Oberfläche aus
Siliciumcarbid, die in der Lage ist, neugebildete Kollagenproteine zu binden und so
die Ausbildung der Fibrillenstruktur des Peridontiums unterstützt.
Die Wurzelhaut eines frisch extrahierten Zahnes wird mit dem Skalpell abgeschabt
und in einigen ml Eagles Minimal Essential Medium (MEM) mit einem Zusatz von
30% fötalem Kälberserum aufgenommen. Nach Zugabe von Trypsin und/oder
Kollagenase wird dieser Ansatz ca. 1 h unter Schütteln bei 37°C inkubiert, wobei
die Suspension aus Stücken von Wurzelhautgewebe in eine Suspension vereinzelter
Zeilen übergeht. Zur Entfernung überschüssigem Enzyms wird die Zellsuspension
durch ein Netz mit 50 µm weiten Maschen filtriert und anschließend 5 Minuten bei
150 Upm zentrifugiert. Das zellhaltige Sediment liefert nach zweimaligem Waschen
in einigen ml des angegebenen Mediums (MEM + 30% fötales Kälberserum) einige
ml Medium mit vereinzelten und weitgehend gereinigten Wurzelhautzellen.
Der Zellsuspension werden Antibiotika in einer Menge zugesetzt, die auch unter
Berücksichtigung der Diffusionsverluste nach Implantation der mit dem Gel
ummantelten künstlichen Zahnwurzel eine Sepsis über mehrere Tage verhindert.
Besonders geeignete Antibiotika sind Penicillin und Streptomycin sowie weitere,
vornehmlich lipophile Antibiotika.
Der Zellsuspension werden weiterhin ausreichende Mengen des handelsüblichen
epidermalen Wachstumsfaktor" oder des nach der Methode von Nakae et al. zu
isolierenden Wachstumsfaktors zugesetzt (isolation and partial characterization of
mitogenic factors from cementum: Biochemie 30, 7047-7052 (1991). Andere
gereinigte Wachstumsfaktoren, die zu gesetzt werden können, sind der
morphogenetische Knochenwachstumsfaktor von Nakashima (Arch. Oral. Biol. 35,
493-497 (1990) oder ein Extrakt aus juvenilen Zahnknospen von Nutztieren
(EP 0 263 088). Es kann vorteilhaft sein, zusammen mit den Wachstumsfaktoren
Dextran oder Calciumphosphat zuzusetzen, um eine Retardwirkung zu erzielen
(EP 0 530 458
, JP 6 3105765).
Die die Wirkstoffe enthaltende Zellsuspension kann auf mehreren Wegen in ein Gel
überführt werden:
- - Zusatz von Fibrinogen, Thrombin und Aprotinin
- - Zusatz von Kollagen nach Parson-Wingerter und Saltzman (Biotechnol. Prog. 9, (1993), S. 600-607),
- - Zusatz einer Mischung aus Kollagen und Calciumphosphat,
- - Zusatz von Natriumalginat und anschließende Auslösung der Gelbildung durch Zugabe von CaCl2.
Das Implantat wird z. B. mit Hilfe eines Spatels mit einer 0,1-2 mm dicken Schicht
des Gels ummantelt.
Wurzelhautstücke werden durch Probeexcision bzw. von der Wurzelhaut eines
extrahierten Zahnes gewonnen, mechanisch zerkleinert und in Pufferlösung
gewaschen. Die überstehende Waschlösung wird abgezogen und die verbleibenden
Gewerbestückchen werden in Kulturmedium - das Wachstumsfaktoren und/oder
fötales Kälberserum und Antibiotika enthält - suspendiert und anschließend mit
einer gelbildenden Mischung versetzt.
Als günstig hat sich die wie folgt herzustellende gelbildende Mischung erwiesen:
Eine auf 4°C gekühlte, essigsaure (0,1 n) Kollagenlösung (1 bis 20 mg Kollagen
pro ml) wird mit alkalisch eingestelltem Kulturmedium auf einen pH-Wert von 7,4
gebracht. Zu dieser Lösung gibt man die Gewebesuspension im Verhältnis von
vorzugsweise 1 Teil Gewebesuspension zu 9 Teilen gelbildende Lösung und
vermischt gründlich. In diese Suspension wird dann das zu beschichtende Implantat
getaucht. Nach Erwärmung auf Raumtemperatur geliert die Suspension in wenigen
Minuten und überzieht das eingetauchte Implantat mit einer zellhaltigen Gelschicht.
Das mit dem Gel ummantelte Implantat wird in die leere Alveole oder in eine in den
Kiefer gefräste Bohrung gesetzt und anschließend werden die Lappen des
Zahnfleisches mit einer chirurgischen Naht verschlossen. In der natürlichen
Umgebung setzt eine Proliferation der Zellen und die Bildung der Kollagenfasern
des Halteapparates ein. Es kann sich als nützlich oder notwendig erweisen, bereits
nach 12-14 Tagen die Zahnkrone auf das Implantat zu montieren und mit einer
provisorischen Schiene oder Drahtschlinge zu stabilisieren. Bevorzugt werden
jedoch Einheilzeiten von 4 bis 8 Wochen, bevor die Krone montiert wird.
Alternativ zu dem oben beschriebenen Vorgehen (lastfreie, schleimhautgedeckte
Einheilung) kann die künstliche Zahnwurzel auch bereits vor der Implantation mit
einem durch die Schleimhaut in die Mundhöhle ragenden Aufbau versehen werden.
Über diesen Aufbau wird das Implantat an die Nachbarzähne in einer Weise fixiert,
die einen definierten, geringen Bewegungsspielraum zuläßt (Einheilung unter
definierter Belastung).
Gegenüber DE 40 40 872 und DE 42 22 296 entfällt die mehrwöchige in vitro-
Vermehrungsphase der Wurzelhautzellen und die Extraktion eines nicht mehr
erhaltungswürdigen Zahnes kann zusammen mit dem Einsatz eines Implantats in einer
Behandlungssitzung vorgenommen werden.
Claims (12)
1. Biohybrides Zahnimplantat bestehend aus:
- - einem Implantatkern aus Titan, einer Titanlegierung oder einem anderen Hartmaterial
- - einer Biokompatibilität verleihenden Ummantelung aus Siliziumcarbid oder einem PMMA/Kollagenverbundmaterial
- - und einer unmittelbar vor der Implantierung aufzubringenden Außenschicht aus
einer gelartigen Matrix (Gel), die Wurzelhautzellen und Wurzelhautzellen
stimulierende Faktoren enthält,
wobei die Wurzelhautzellen ohne Vorschaltung eines in vitro-Vermehrungsschrittes in die Matrix eingearbeitet werden.
2. Biohybrides Zahnimplantat,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Gel neben vitalen Zellen eine oder mehrere der folgenden Komponenten
enthält:
- A) eine Gel-bildende Substanz,
- B) ein oder mehrere antibiotisch wirksame Substanzen,
- C) gereinigte oder in komplexer Mischung vorliegende Faktoren, die die Zellaktivität stimulieren,
- D) anorganische Substanzen.
3. Biohybrides Zahnimplantat,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Gel-bildende Substanzen Kollagen, Fibrinogen, Aprotinin und/oder
Natriumalginat verwendet werden.
4. Biohybrides Zahnimplantat,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Gel als antibiotische Substanzen Wirkstoffe aus der Klasse der Penicilline,
Cephalosporine, Streptomycine, Ciprofloxazine, Tetracyline und/oder
Erythromycine in Konzentrationen von 10-1 000 µg pro ml, bzw. 10-1 000
I.U./ml enthält.
5. Biohybrides Zahnimplantat,
dadurch gekennzeichnet,
daß als stimulierende Faktoren ausgewählt aus Proteinen, Teilen von Proteinen
oder Proteingemischen aus der Gruppe der epidermalen Zellwachstumsfaktoren, der
Knochen-morphogenetischen Proteinen und/oder komplexen Extrakten aus
juvenilen Zahnknospen von Nutztieren oder fötalem Nutztierserum eingesetzt
werden.
6. Biohybrides Zahnimplantat,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Gel anorganische Salze, ausgewählt aus Calciumphosphat und/oder
Hydroxylapatit, enthält.
7. Biohybrides Zahnimplantat,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Zellen aus Wurzelhautstücken, die von einer extrahierten Zahnwurzel
abgeschabt wurden, durch Behandlung mit proteolytischen Enzymen vereinzelt
werden und nach dieser Behandlung in Konzentrationen von 102 bis 106 vitalen
Zellen pro ml in der Zellsuspension vorliegen.
8. Biohybrides Zahnimplantat,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Wurzelhautstücke, die von einer extrahierten Zahnwurzel abgeschabt
wurden oder durch Probeexision erhalten wurden, mechanisch zerkleinert werden
und nach dieser Zerkleinerung in einer Dichte von 101 bis 103 Stückchen pro ml
Suspension vorliegen.
9. Biohybrides Zahnimplantat,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Gel mit einer Schichtdicke von 0,1 bis 2 mm auf der Implantatoberfläche
vorliegt.
10. Biohybrides Zahnimplantat,
dadurch gekennzeichnet,
daß das mit dem Gel zu beschichtende Implantat eine Oberfläche aus Siliziumcarbid
hat.
11. Biohybrides Zahnimplantat,
dadurch gekennzeichnet,
daß das mit dem Gel zu beschichtende Implantat zumindest an seiner Oberfläche
aus einem PMMA/Kollagenverbundmaterial besteht.
12. Biohybrides Zahnimplantat,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Ausbildung der Implantatoberfläche aus Siliziumcarbid eine künstliche
Zahnwurzel, die aus Titan oder dessen Legierung besteht, mit einem Silizium
haltigen Teig überzogen und der Teig zunächst bei Temperaturen < 1 000 °C
zersetzt und anschließend bei Temperaturen < 1 400 °C zu SiC umgesetzt wurde.
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