Der Einfluss von mittels Direct Laser Metal Sintering hergestellten Implantaten auf die frühen Phasen der Osseointegration bei diabetischen Mini-Schweinen

Naiwen Tan, Xiangwei Liu, Yanhui Cai, Sijia Zhang, Bo Jian, Yuchao Zhou, Xiaoru Xu, Shuai Ren, Hongbo Wei, Yingliang Song

Full text link : https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/28814861/

Der Einfluss von mittels Direct Laser Metal Sintering hergestellten Implantaten auf die frühen Phasen der Osseointegration bei diabetischen Mini-Schweinen

1. Wissenschaftliche Referenz

• Studientitel: Der Einfluss von mittels Direct Laser Metal Sintering hergestellten Implantaten auf die frühen Phasen der Osseointegration bei diabetischen Mini-Schweinen
• Autoren: Naiwen Tan, Xiangwei Liu, Yanhui Cai, Sijia Zhang, Bo Jian, Yuchao Zhou, Xiaoru Xu, Shuai Ren, Hongbo Wei, Yingliang Song
• Fachzeitschrift: International Journal of Nanomedicine
• Erscheinungsjahr: 2017
• DOI: 10.2147/IJN.S138615

2. Wissenschaftlicher Hintergrund

Die Osseointegration stellt die biologische Grundlage für den langfristigen Erfolg dentaler Implantate dar. Bei Patienten mit Diabetes mellitus können jedoch Stoffwechselstörungen, chronische Entzündungsprozesse und eine beeinträchtigte Knochenheilung die Einheilung von Implantaten negativ beeinflussen. Dadurch steigt das Risiko für verzögerte Knochenneubildung und potenzielle Implantatkomplikationen.

Vor diesem Hintergrund gewinnen Implantatoberflächen zunehmend an Bedeutung. Moderne Herstellungsverfahren ermöglichen die Entwicklung komplexer dreidimensionaler Oberflächenstrukturen, die gezielt auf die Förderung der Knochenheilung ausgerichtet sind. Das Verfahren des Direct Laser Metal Sintering (DLMS) erlaubt die Herstellung hochporöser Titanoberflächen mit miteinander verbundenen Porensystemen, die eine verbesserte Zelladhäsion und Gewebeintegration unterstützen könnten.

Die vorliegende Studie untersucht, ob solche additiv gefertigten Implantatoberflächen die frühe Osseointegration unter diabetischen Bedingungen verbessern können. Damit adressiert sie eine klinisch relevante Fragestellung innerhalb der modernen Implantologie und oralen Rehabilitation.

3. Ziel der Studie

Ziel dieser Untersuchung war es zu prüfen, ob dentalen Implantaten mit einer mittels Direct Laser Metal Sintering hergestellten Oberfläche eine verbesserte Osseointegration in einem diabetischen Tiermodell ermöglichen.

Zusätzlich sollte analysiert werden, wie sich diese Oberflächenstruktur auf das Zellverhalten, die Expression osteogener Marker sowie auf radiologische und histologische Parameter der Knochenintegration im Vergleich zu Implantaten mit einer durch Micro Arc Oxidation (MAO) erzeugten Oberfläche auswirkt.

4. Methodik

Es handelt sich um eine präklinische Studie, die sowohl In-vitro-Experimente als auch Untersuchungen an einem Tiermodell umfasst.

Verglichen wurden zwei Implantatoberflächen:

• Direct Laser Metal Sintering (DLMS)
• Micro Arc Oxidation (MAO)

Für die zellbiologischen Untersuchungen wurden MG63-Zellen auf beiden Oberflächen kultiviert. Analysiert wurden die Zellmorphologie sowie die Expression osteogener Gene, darunter Kollagen (COL), RUNX2 und alkalische Phosphatase (ALP).

Für den Tierversuch wurde bei sechs Minischweinen durch Streptozotocin-Injektion ein Diabetes mellitus induziert. Insgesamt wurden 36 Implantate in den Unterkiefer-Prämolarenregionen inseriert.

Die Beurteilung der Osseointegration erfolgte nach 3 und 6 Monaten mittels:

• Mikro-Computertomographie (Micro-CT)
• Histologischer Analyse mit Van-Gieson-Färbung
• Bestimmung des Bone-to-Implant Contact (BIC)

5. Hauptergebnisse

Die Oberflächenanalyse zeigte deutliche Unterschiede zwischen den beiden Implantattypen. Die durchschnittliche Rauigkeit (Ra) betrug bei den MAO-Implantaten 2,3 ± 0,3 µm, während die DLMS-Oberflächen eine Rauigkeit von 27,4 ± 1,1 µm aufwiesen.

Die mikroskopischen Untersuchungen zeigten, dass sich die Zellen auf den DLMS-Oberflächen stärker ausbreiteten. Es wurden vermehrt Filopodien und Lamellipodien beobachtet, was auf eine intensivere Interaktion mit der Implantatoberfläche hinweist.

Die Analyse osteogener Marker ergab insgesamt höhere Expressionswerte auf den DLMS-Oberflächen. Besonders die Kollagenexpression war nach zehn Tagen signifikant erhöht.

Die radiologische Auswertung mittels Micro-CT zeigte nach drei Monaten eine ausgeprägtere Knochenneubildung um die DLMS-Implantate. Signifikante Unterschiede zugunsten der DLMS-Gruppe wurden für BV/TV, Tb.Th und Tb.Sp festgestellt.

Auch die histologische Untersuchung bestätigte diese Ergebnisse. Nach drei Monaten lag der Knochen-Implantat-Kontakt bei 33,2 % ± 11,2 % in der DLMS-Gruppe gegenüber 18,9 % ± 7,3 % in der MAO-Gruppe.

Nach sechs Monaten zeigten beide Implantatsysteme eine fortgeschrittene Knochenintegration. Die Unterschiede zwischen den Gruppen waren zu diesem Zeitpunkt nicht mehr statistisch signifikant. Der BIC-Wert betrug 42,8 % ± 10,1 % für DLMS und 38,3 % ± 10,8 % für MAO.

6. Klinische Analyse

Die Studie deutet darauf hin, dass die durch DLMS erzeugte dreidimensionale Oberflächenarchitektur vor allem die frühen Phasen der Osseointegration positiv beeinflussen kann.

Die ausgeprägte Porosität und die miteinander verbundenen Kanäle schaffen offenbar günstige Bedingungen für die Anheftung und Ausbreitung osteogener Zellen. Die beobachtete stärkere Zellinteraktion könnte die initialen Heilungsprozesse beschleunigen und damit die frühe Implantatstabilität fördern.

Gerade bei Patienten mit Diabetes mellitus besitzt dieser Aspekt besondere Bedeutung. Diabetes kann die Knochenheilung verzögern und die frühe Implantatintegration beeinträchtigen. Eine Oberfläche, die die ersten biologischen Heilungsprozesse unterstützt, könnte daher klinisch von Interesse sein.

Gleichzeitig zeigt die Studie, dass die langfristigen Unterschiede zwischen den Oberflächen geringer ausfallen. Nach sechs Monaten erreichten beide Implantattypen vergleichbare Integrationswerte. Die Ergebnisse sprechen daher eher für eine Beschleunigung der frühen Osseointegration als für einen dauerhaft höheren Integrationsgrad.

Da die Untersuchung an einem Tiermodell durchgeführt wurde, sollten die Ergebnisse nicht unmittelbar auf klinische Situationen beim Menschen übertragen werden. Weitere klinische Studien sind erforderlich, um die tatsächliche Relevanz dieser Beobachtungen in der implantologischen Praxis zu bestätigen.

7. Klinische Anwendungen

Die Ergebnisse dieser Untersuchung könnten insbesondere für folgende Bereiche relevant sein:

• Implantologische Versorgung von Patienten mit Diabetes mellitus
• Entwicklung neuer Implantatoberflächen zur Förderung der frühen Osseointegration
• Forschung im Bereich additiver Fertigungstechnologien für dentale Implantate
• Optimierung von Implantatdesigns für biologisch kompromittierte Patienten
• Verbesserung der frühen periimplantären Knochenheilung

Darüber hinaus liefert die Studie interessante Ansätze für zukünftige Entwicklungen individualisierter Implantatlösungen und moderner CAD/CAM-basierter Herstellungsverfahren.

8. Evidenzniveau, Limitationen und Transparenz

Bei der vorliegenden Arbeit handelt es sich um eine präklinische Studie mit In-vitro- und Tierexperimenten.

Das Evidenzniveau ist daher niedriger einzustufen als bei randomisierten klinischen Studien, systematischen Reviews oder Metaanalysen. Die Ergebnisse liefern wichtige biologische Erkenntnisse, erlauben jedoch keine direkten klinischen Therapieempfehlungen.

Zu den wesentlichen Limitationen zählen:

• Verwendung eines Tiermodells statt menschlicher Probanden
• Begrenzte Stichprobengröße von sechs Minischweinen
• Fehlende klinische Langzeitdaten beim Menschen
• Beobachtungszeitraum von maximal sechs Monaten

Die Autoren geben an, keine Interessenkonflikte in Zusammenhang mit dieser Studie zu haben. Die Forschung wurde durch Fördermittel der National Natural Science Foundation of China unterstützt.

9. Kernaussagen der Studie

• Studientyp: Präklinische Studie (In-vitro- und Tiermodell)
• Evidenzniveau: Präklinische Evidenz
• Untersuchte Population: 6 diabetische Minischweine
• Anzahl der Implantate: 36 Implantate
• Nachbeobachtungszeit: 3 und 6 Monate
• Primärer Endpunkt: Osseointegration dentaler Implantate
• Wichtigstes Ergebnis: DLMS-Implantate zeigten eine verbesserte frühe Osseointegration gegenüber MAO-Implantaten
• Wissenschaftliche Schlussfolgerung: Hochporöse DLMS-Oberflächen können die frühe Knochenintegration unter diabetischen Bedingungen beschleunigen
• Wesentliche Limitationen: Tiermodell, begrenzte Fallzahl, fehlende klinische Humanstudien

10. Wissenschaftliche Bedeutung

Die Studie erweitert die wissenschaftliche Evidenz zur Rolle additiver Fertigungstechnologien in der Implantologie. Besonders hervorzuheben ist der Nachweis, dass die mikround makrostrukturelle Gestaltung einer Implantatoberfläche das biologische Verhalten an der Knochen-Implantat-Grenze beeinflussen kann.

Die Ergebnisse unterstützen die Annahme, dass hochporöse Titanoberflächen die frühe Knochenheilung fördern und die Zellinteraktion verbessern können. Dies besitzt insbesondere für Patienten mit beeinträchtigter Knochenregeneration, wie sie bei Diabetes mellitus beobachtet wird, eine hohe wissenschaftliche Relevanz.

Darüber hinaus liefert die Untersuchung wichtige experimentelle Daten zur biologischen Leistungsfähigkeit lasergefertigter Implantate. Sie trägt dazu bei, die mechanistischen Grundlagen der Osseointegration besser zu verstehen und schafft eine Grundlage für zukünftige klinische Studien.

11. Redaktionelle Schlussfolgerung

Diese präklinische Untersuchung zeigt, dass mittels Direct Laser Metal Sintering hergestellte Implantatoberflächen die frühen Phasen der Osseointegration in einem diabetischen Umfeld positiv beeinflussen können. Die beobachteten Vorteile betreffen vor allem die initiale Knochenheilung und die frühe Knochen-Implantat-Interaktion. Obwohl sich die Unterschiede im weiteren Heilungsverlauf abschwächen, liefert die Studie wertvolle Erkenntnisse für die Entwicklung zukünftiger Implantatoberflächen. Für eine klinische Übertragbarkeit auf den Menschen sind jedoch weitere hochwertige klinische Untersuchungen erforderlich.