Metallische Nano- und Mikropartikel in der dentalen Implantologie und ihre Bedeutung bei der Periimplantitis

Eine Fallstudie von Ioannis Papadimitriou, Fachzahnarzt in der Oralchirurgie, Funktionsoberarzt an der Klinik für Mund-, Kiefer-, Gesichtschirurgie St. Lukas Krankenhaus, Solingen (Chefarzt: Priv. Doz. Dr. Dr. M. Martini)

In der Mitte des 20. Jahrhunderts wurde erstmals von der Göteborger Forschungsgruppe um Per-Ingvar Brånemark die Bioverträglichkeit unterschiedlicher Materialien im Knochen erforscht und hat seitdem einen bis heute ungebrochenen Aufschwung in der dentalen Implantologie ausgelöst. Es wurde festgestellt, dass Implantate aus Reintitan ohne Zeichen einer Entzündung oder Abstoßungsreaktion im Knochen einheilen. Diesen Vorgang definierte er als Osseointegration, die alle Elemente der Biokompatibilität, der Bioaktivität und eines bioinerten Werkstoffs umfasst.^3,4 Der Begriff der Biokompatibilität definiert Werkstoffe, die keine negativen Effekte auf lebende Organismen haben. Dies ist bei Implantaten äußerst entscheidend, da sie langfristig im lebenden Gewebe verbleiben. Für die Implantologie vorgesehene Materialien müssen ferner bioinert sein. Das heißt, es dürfen dazu keine toxischen Substanzen freigesetzt werden. Eine Bioaktivität wird angezielt, die darin besteht, dass eine chemische Verbindung zwischen dem Implantat und dem umgebenden Gewebe hergestellt wird. ^3,4 Da Brånemark diese Eigenschaften bei Reintitan nachweisen konnte, ist es heute das Material der Wahl für Implantate. Eine Alternative zu Reintitan ist Zirkonoxid, das ebenfalls sehr gute biokompatible Eigenschaften besitzt. Außerdem werden in der Medizin auch weitere Metalle, Metalllegierungen, Polymere und Keramiken als biokompatible Werkstoffe verwendet. ^3,4

Die für die Osseointegration wichtige Knochenanlagerung an der Titanimplantatoberfläche konnte ebenfalls in vielen Studien bestätigt werden (Abb. 1). Die Primärstabilität wird durch ein mechanisches Verblocken realisiert. Während sich natürliche Zähne gleichzeitig mit einem parodontalen Gewebe entwickeln und eine funktionelle Einheit bilden, bestehen enossale Implantate als künstlicher Zahnersatz aus anorganischem Material, zu dem jedoch bisher kein künstliches Parodont gefunden werden konnte. Hierin besteht ein Schwachpunkt gegenüber späteren periimplantären Entzündungen. ^11,14

Die morphologischen Differenzen zwischen einem natürlichen Zahn und einem Titanimplantat verursachen eine höhere Entzündungsneigung bei Implantaten. Insgesamt weisen Metalle gute mechanische Eigenschaften auf, aber ihre Korrosionsanfälligkeit, die mögliche Freisetzung von Metallionen und infolgedessen die Sensibilisierung des Organismus stellen Nachteile dar. Deshalb ist ein manschettenförmiges stabiles Weichgewebe, um das in die Mundhöhle ragende Implantat definitiv anzupeilen, für den Langzeiterfolg eines Implantats inklusive der prothetischen Versorgung. Die Heilungsabläufe nach Implantation können ausschließlich von einem vitalen Knochen ausgehen.^{12, 14, 19}.

Metallabrieb bei der Insertion und seine Folgen

Die originale Implantatoberfläche und -form werden durch den Insertionsvorgang modifiziert. Dabei verursacht eine sehr tiefe Insertion größere Schäden an Knochen und Implantat als eine weniger forcierte Insertion. Durch Torsion und Reibung des Implantats am Knochen werden Titanpartikel aus der Oberflächenstruktur des Implantats herausgelöst und in das schon geschädigte Knochengewebe abgesondert. Die Größe der freigesetzten Titanpartikel schwankt zwischen 10 nm bis 20 μm. An den scharfen Implantatkanten ist durch die Insertion zum Teil auch die gesamte Oxidschicht verlorengegangen. Der Verlust der Oxidschicht hängt auch vom Implantattyp ab.^7,18,23 Dass Implantate mit einer Beschichtung aus mit Fluorhydroxyapatit (FHA-Ti) weniger anfällig gegenüber Abrieb während der Insertion waren als plasmabeschichtete Implantate (Titan-Plasma-Spray = TPS-Implantate), zeigten Martini et al. in ihrer Studie aus dem Jahr 2003. Titanpartikel, die von plasmabeschichteten Implantaten freigesetzt worden waren, waren in einem Abstand von 200 bis 250 μm von der Implantatoberfläche zu finden und verhinderten eine Neoosteogenese. Eine Deformierung des Implantatgewindes ist vor allem in den Bereichen der Mikrofrakturen des Knochens zu erkennen. Sowohl in der periimplantären Mukosa als auch im neugebildeten Knochen lässt sich ein Titanabrieb finden. Es ist sogar auch möglich, dass sich Titanpartikel in weiter entfernt liegenden Organen wie Leber, Niere, Lunge oder Herz nachweisen lassen.^{8, 26} Neben der Implantatinsertion sind die hohen mechanischen Belastungen der Verbindung zwischen dem Implantat und dem Abutment ein weiterer Faktor, der zur Freisetzung von metallischen Partikeln beiträgt. Auch ein gänzliches Implantatversagen kann infolgedessen auftreten. Zudem können sich an der Implantat-Abutment-Verbindung Mikrospalten bilden, an denen sich ebenfalls Titan- und Metallpartikel lösen können. Mikroleckagen, Materialabnutzung, Materialermüdung und Schraubenlockerung sind weitere mögliche Folgen, die aus diesen Mikrospalten resultieren können. Besonders bei Sechskantverbindungen mit Spielpassung zeigen sich Mirkoleckagen (Abb. 5), durch die – außer dem Metallabrieb und der Materialschädigung – Flüssigkeiten und Bakterien in das Implantatinnere gelangen und eine interne Korrosion des Implantats bewirken. Durch eine konische Verbindung zwischen Implantat und Abutment können die Mikrospaltbewegungen verringert werden.²⁴

Fazit

Stand zu Anfang der Implantologie-Ära die Euphorie über die Problemlösung der Osseointegration im Vordergrund, rückte in den vergangenen Jahren die Fragestellung nach den Gründen einer verkürzten Lebensdauer der Implantate mehr und mehr in den Fokus der Wissenschaft. Die mitunter auch sich als therapieresistent erweisende Periimplantitis wurde als weiterer Hinweis gesehen, dass zur Erlangung einer Osseointegration neben einer lege artis ausgeführten Insertion Faktoren verantwortlich sein können, die bereits während der Insertion den Grundstein für eine Periimplantitis legen. Nano- und mikroskalige Titan- und Zirkonoxid-Partikel lösen sich sowohl von den Instrumenten als auch von den Implantaten schon während der Insertion sowie in der chirurgischen, prothetischen und der Nachsorgephase. Sie lassen sich sowohl im Knochen als auch in anderen Geweben nachweisen und sind erst kürzlich als zytotoxisch eingestuft worden. Die Freisetzung der Partikel kann nach heutigem Stand der Forschung unabhängig von der Implantatoberfläche noch nicht unterbunden werden. Durch die in das periimplantäre Hart- und Weichgewebe versprengten Metall- und Titanionen und -partikel werden zelluläre Reaktionen ausgelöst, die sich mit einer aseptischen chronischen Entzündung vergleichen lassen. Es kann so zu einer therapieresistenten Periimplantitis und damit scheiternden Osseointegration kommen. Zwar zeigen diese klinisch und röntgenologisch sichtbaren periimplantären Veränderungen große Ähnlichkeit mit der Parodontitis auf, aber nicht immer ist eine Periimplantitis bakteriell bedingt. Aus diesem Grund lässt sich das klassische Behandlungskonzept einer Parodontitis nicht allgemein auf die Periimplantitis übertragen. Ein Konzept zur Behandlung der nicht bakteriell bedingten Periimplantitis liegt bislang nicht vor. Häufig ist die partikelinduzierte Periimplantitis von einer Osteolyse begleitet, die eindeutig nicht als bakteriell bedingt betrachtet wird. In solchen Fällen muss eine Explantation mit gründlicher Lavage der Knochenkavität erfolgen. Es bedarf weiterer Untersuchungen, ob und inwieweit knochregenerative Maßnahmen ergriffen werden müssen. Insgesamt gilt dennoch die vorherrschende Meinung, dass metallischen Nano- und Mikropartikel in der dentalen Implantologie nicht von Bedeutung sind. Die Konsensuskonferenz von 2017 definiert aus diesem Grund, die Periimplantitis ohne Faktoren wie Metallpartikel und ihre Zytotoxizität mit einzubeziehen. Allerdings wird ausdrücklich darauf verwiesen, dass weitere Forschungen bezüglich der metallischen Nanopartikel aufgrund ihrer potenziellen Gefährlichkeit unbedingt erforderlich sind.

Literatur:

1. Borm PJA, Robbins D, Haubold S, Kuhlbusch T, Fissan H, Donaldson K, Schins R, Stone V, Kreyling W, Lademann J, Krutmann J, Warheit D, Oberdörster E: The potential risks of nanomaterials: A review carried out for ECETOC. Part Fibre Toxicol 2006, 3: 1-35.
2. Berglundh T, Lindhe J, Ericsson I, Marinello CP, Liljenberg B, Thornsen P: The soft tissue barrier at implants and teeth. Clin Oral Imp Res 1991, 2 (2): 81-90.
3. Brånemark P-I: Osseointegration and its experimental background. J Prosthetic Dent 1983, 50 (3): 399-411.
4. Brånemark P-I, Breine, U, Johansson B, Roylance PJ, Röckert H, Yoffey JM: Regeneration of bone marrow. Acta anat 1964, 59 (1-2): 1-64.
5. Corrêa MG, Pimentel SP, Ribeiro FV, Casati MZ: Host response and peri-implantitis. Braz Oral Res 2019, 33 (Suppl): e066
6. Damgaard C, Holmstrup P, van Dyke TE, Nielsen CH: The complement system and its role in the pathogenesis of periodontitis: current concepts. J Periodontal Res 2015, 50 (3): 283-293.
7. Elshaer RN, Ibrahim KM, Barakat AF, Abbas RR. Effect of Heat Treatment Processes on Microstructure and Mechanical Behavior of TC21 Titanium Alloy. Open Journal of Metal 2017, 7: 39-57
8. Franchi M, Bacchelli B, Martini D, Pasquale VD, Orsini E, Ottani V, Fini M, Giavaresi G, Giardino R, Ruggeri A: Early detachment of titanium particles from various different surfaces of endosseous dental implants. Biomaterials 2004, 25 (12): 2239-2246.
9. Fretwurst T, Buzanich G, Nahles S, Woelber JP, Riesemeier H, Nelson K: Metal elements in tissue with dental peri-implantitis: a pilot study. Clin Oral Implants Res 2016, 27(9):1178-1186.
10. Gittens RA, Olivares-Navarrete R, Tannenbaum R, Boyan BD, Schwartz Z: Electrical implications of corrosion for osseointegration of titanium implants. J Dent Res 2011, 90 (12): 1389-1397.
11. Grimm W-D, Giesenhagen B, Vukovic MA, Fritsch T: Osseointegration von Zirkoniumdioxid- und Titanimplantaten. Implantologie, 2017 ZWP online. Abgerufen am 15.10.2019 unter: https://www.zwp-online.info/fachgebiete/implantologie/ keramikimplantate/osseointegration-von-zirkoniumdioxid-und-titanimplantaten.
12. Lang NP, Berglundh T on Behalf of Working Group 4 of the Seventh European Workshop on Periodontology: Periimplant diseases: Where are we now? – Consensus of the Seventh European Workshop on Periodontology. J Clin Periodontol 2011, 38, (s11): 178-181.
13. Krekeler G, Pelz K, Nelissen R: Mikrobielle Besiedlung der Zahnfleischtaschen am künstlichen Titanpfeiler. Dtsch Zahnärztl Z 1986, 41: 569-572.
14. Listgarten MA, Lang NP, Schroeder HE, Schroeder A: Periodontal tissues and their counterparts around endosseous implants. Clin Oral Implants Res 1991, 2 (3): 1-19.
15. Hämmerle CHF, Schou S, Holmstrup P, Hjorting‐hansen E, Lang NP: Plaque‐induced marginal tissue reactions of osseointegrated oral implants: A review of the literature. Clin Oral Implant Res 1992, 3 (4): 149-161.
16. Rosenberg ES, Torosian JP, Slots J: Microbial differences in 2 clinically distinct types of failures of osseointegrated implants. Clin Oral Implant Res 1991, 2 (3): 135-144
17. Mombelli A, van Oosten MAC, Schürch Jr E, Lang NP: The microbiota associated with successful or failing osseointegrated titanium implants. Oral Microbiol Immunol 1987, 2 (4): 145-151.
18. Senna P, Cury AAD, Kates S, Meirelles L: Surface damage on dental implants with release of loose particles after insertion into bone. Clin Implant Dent Relat Res 2015, 17 (4): 681-692.
19. Sennerby L, Ericson LE, Thomsen P, Lekholm U, Astrand P: Structure of the bone-titanium interface in retrieved clinical oral implants. Clin Oral Implants Res 1991, 2: 103-111.
20. Quirynen M, Naert I, van Steenberghe D, Dekeyser C, Callens A: Periodontal aspects of osseointegrated fixtures supporting a partial bridge. An up to 6‐years retrospective study. J Clin Periodontol 1992, 19 (2): 118-126.
21. van Steenberghe D, Lekholm U, Bolender C, Folmer T, Hermann I, Higuche K, Laney W, Linden U, Astrand P: Applicability of osseointegrated oral implants in the rehabilitation of partial edentulism: A prospective multicenter study on 558 fixtures. Int J Oral Maxillofac Implants 1990; 5: 272-281.
22. Vieira AR, Albandar JM: Role of genetic factors in the pathogenesis of aggressive periodontitis. Periodontol 2000 2014, 65 (1): 92-106.
23. Wawrzinek C, Sommer T, Fischer-Brandies H: Microdamage in cortical bone due to the overtightening of orthodontic microscrews. J Orofac Orthop 2008, 69 (2): 121-134.
24. Zipprich H, Weigl P, Lange B, Lauer H-C: Erfassung: Ursachen und Folgen von Mikrobewegungen am Implantat-Abutment-Interface. Implantologie 2007, 15,1: 31-46.
25. Prando D, Brenna A, Diamanti MV, Beretta S, Bolzoni F, Ormellese M, Pedeferri M: Corrosion of titanium: Part 1: Aggressive environments and main forms of degradation. J Appl Biomater Funct Mater 2017, 15 (4): e291-e302.
26. Flatebø RS, Høl PJ, Leknes KN, Kosler J, Lie SA, Gjerdet NR: Mapping of titanium particles in peri-implant oral mucosa by laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry and high-resolution optical darkfield microscopy. J Oral Pathol Med 2011, 40 (5): 412-420.
27. Li S, Jiang Q, Liu S, Zhang Y, Tian Y, Song C, Wang J, Zou Y, Anderson GJ et al.: A DNA nanorobot functions as a cancer therapeutic in response to a molecular trigger in vivo. Nature Biotechnology 2018, 36: 258-264.
28. Metalle. In: Handbuch für technisches Produktdesign. Kalweit A, Paul C, Peters S, Wallbaum R (Hrsg.). Springer. Berlin, Heidelberg 2006: 19-60.
29. Li L, Li S, Qu Q, Zuo L, He Y, Zhu B, Li C. Streptococcus Sanguis Biofilm Architecture and Its Influence on Titanium Corrosion in Enriched Artificial Saliva. Materials 2017, 10 (3): 225. doi: 10.3390/ma10030255.
30. Nakagawa M, Matsuya S, Udoh K: Effects of fluoride and dissolved oxygen concentrations on the corrosion behavior of pure titanium and titanium alloys. Dent Mater J 2002, 21(2): 83-92.
31. Heitz-Mayfield LJ, Mombelli A: The therapy of peri-implantitis: a systematic review. Int J Oral Maxillofac Implants 2014, 29 Suppl: 325-345.3