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Alloplastische Knochenimplantate und Knochenersatzmaterialien

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Definition

Alloplastische Materialien

Dieses sind Biomaterialien, die entweder vollsynthetisch hergestellt sind oder durch ausgiebige physikalische oder chemische Bearbeitung xenogener (speziesfremder) Gewebearten bzw. Gerüstbausteine gewonnen werden.

Anforderungen an alloplastische Materialien

  • Es sollten sogenannte komplexe Systeme (drug delivery systems) sein. Diese setzen sich aus einer Grundsubstanz, dem Trägermaterial oder Carrier und aus den darin transportierten aktiven Stoffen zusammen.
    Carrier sind Materialien ohne aktive Faktoren. Sie können sowohl aus organischen Gewebearten als auch aus synthetischen Gerüstbausteinen hergestellt sein.
  • Die Carrier sollten die aktiven Stoffe räumlich und zeitlich begrenzbar aufnehmen und für lokale Anforderungen zur Verfügung stellen (Hollinger und Leong 1996).
  • Gleichzeitig soll der Carrier als Knochenersatzmaterial funktionieren (Zellin und Linde 1997) mit einer definierbaren Resorptions- und Umbaurate.
  • Er soll in seinen biochemischen, physikalischen und pharmakologischen Eigenschaften charakterisiert werden können und muß biokompatibel sein.
  • Die Langzeitverträglichkeit betrifft auch die Degradationsprodukte, die beim Abbau entstehen.
  • Entscheidend bei der osteokonduktiven Wirkung des Carriers ist die Synchronisation zwischen Abbaurate des Carriers und Aufbaurate des Knochens (Hutmacher et al.1998)

Einteilung in Biomaterialgruppen

Natürliche organische und anorganische Materialien

Materialien tierischen Ursprungs
Navigraft® Spongiosa Transplantat
prozessierte bovine Spongiosa

Bio-Oss® Spongiosa Granulat
natürliches Knochengranulat bovin

Bio-Oss® Spongiosa Block
natürliches Knochengranulat bovin

Bio-Oss® Collagen
natürliches Knochenmineral bovin und 10% Volumenanteil Kollagenfasern (Schwein)

BioGen C®, BioGen S®, BioGen Mix®
natürliches Knochenmineral (Spongiosa, Kortikalis, Mix)/Equin

BioGen B®
natürliches Knochenmineral/Equin
Kollagen
Kollagen I stellt mit 90% den Hauptbestandteil der organischen Knochenmatrix. Typ I Kollagen bindet Osteoblasten über spezifische Rezeptoren (Basle et al. 1998).

Targobone®
Kollagenlyophilisat boviner Herkunft, enthält das Antibioticum Teicoplanin

Colloss®
Kollagenlyophilisat boviner Herkunft
Hydroxylapatit
Osteograf® N-300/N-700
natürliches Hydroxylapatit bovin

Bio-Oss® Corticalis
natürliches Hydroxylapatit bovin
Materialien pflanzlichen Ursprungs
Frios® Algipore
knochenanaloges hochporöses Calciumphosphat als biologisches Hydroxylapatit (Herkunft: Algenart)

Biocoral®
natürliches kristallines Kalziumkarbonat in Aragonitstruktur aus Korallen. Das natürliche anorganische Skelett bleibt erhalten. Die Porengröße beträgt 250-750 µm.

Synthetische anorganische Materialien

HTR-Bioplant®
Ein langsam absorbierbares Copolymer, aus Polymethylmethacrylat ("PMMA") und Polyhydroxyethylmethacrylat ("PHEMA") mit einer sehr dünnen Schicht Bariumsulfat für die Radiopacität und einer Grenzfläche aus Kalziumhydroxid/-carbonat.

Tricalciumphosphat [Ca3(PO4)2]

Cerasorb®
synthetisches, phasenreines ß-Tricalciumphosphat

KSI-Tricalciumphosphat®
synthetisches, phasenreines ß-Tricalciumphosphat

chroOs™
synthetisches, phasenreines ß-Tricalciumphosphat

BioResorb®
synthetisches, phasenreines ß-Tricalciumphosphat

Ossaplat®
synthetisches, phasenreines ß-Tricalciumphosphat

Dieses Material ist umstritten. Einerseits wurden in einer Studie TCP in einen von zwei Schädelknochendefekten eingebracht und nach 6 Monaten Einheilung ohne Belastung mit der unbehandelten Gegenseite verglichen. Die unbehandelte Gegenseite war nahezu vollständig knöchern regeneriert. Das TCP war nach 6 Monaten nicht abgebaut und die einzelnen Granula waren von einer fibrösen Schicht ohne Osteoblasten umgeben (Handschel et al. 2001).

In einer anderen Studie wurde zur Sinusaugmentation Tricalciumphosphat und autologer Knochen bilateral bei 4 Patienten verwendet, allerdings war bei allen Patienten auch eine zusätzliche Onlay-Plastik erforderlich. Die Knochenbiopsien nach 6 Monaten zeigten keine Seitendifferenz (Szabo et al. 2001).

Synthetische organische Materialien

Polylactid-Polyglycolidsäuren

Fisiograft
Kopolymerisierte Polyglycolidsäure (PGA) und Polylactidsäure (PLA) im Verhältnis 1:1, synthetisch

Vorteile:
Tierexperimentelle und klinische Studien ergaben vielversprechende Ergebnisse sowohl im Einsatz als Knochenersatzmittel als auch als Carrier für Proteine und Wachstumsfaktoren (Peter et al. 1998, Hutmacher DW 2000).

Nachteile:
Der hydrolytische Abbau des Materials bewirkt eine lokale Ansäuerung des Gewebes und unterhält während der Resorption eine entzündliche Reaktion (Martin et al. 1996).

Glaskeramik o. Bioglas

Biogran™

Synthetische Komposition von Si, Ca Na, P

Resorbierbares bioaktives Glas ist ein exzellentes Material für die Stimulation und den Transport von Zellen und Molekülen, die für den Aufbau von Knochen benötigt werden (Ducheyne und Qiu 1999).

Komposite

PepGen P-15™
synthetisches Peptid mit natürlichem Hydroxylapatit bovin

PepGen P-15™ Flow
synthetisches Peptid mit natürlichem Hydroxylapatitträger i. Hydrogel aus Sodiumcarboxymethylcellulose, Glycerol und Wasser

Übersicht

Knochenersatzmaterialien
  Verfügbarkeit Wirkung Nachteile
Allogene nahezu freie Verfügbarkeit osteokonduktiv
nach geeigneter Aufbereitung osteoinduktiv
Übertragung von Infektionskrankheiten möglich
Xenogene freie Verfügbarkeit osteokonduktiv Übertragung von Infektionskrankheiten möglich
Bone Morphogenetic Proteins   osteoinduktiv geeignete Trägersubstanzen notwendig

Die Anwendung von alloplastischen Knochenimplantaten bzw. Knochenersatzmaterialien

Synthetische Knochenersatzmaterialien

Vorteile
  • Uneingeschränkte Verfügbarkeit
  • Uneingeschränkte Haltbarkeit
  • Kein Transfer von Erregern
  • Keine Immunreaktion
Nachteile
  • Keine Osteogenese
  • Keine Osteoinduktion
  • Fragliche Osteokonduktion
  • Keine definierbaren Resorptions- und Umbauraten
  • Unterschiedliche mechanische Belastbarkeit
  • Infektionsrisiko bei ausbleibendem knöchernen Einbau oder Durchbauung
Kein Material ist osteoinduktiv. Allenfalls ist das Material osteokonduktiv, hält also eine Leitstruktur für die knöcherne Durchbauung bereit (Schlegel und Neukam 2002)

Anwendung von synthetischen Knochenersatzmaterialien

Um eine funktionell belastbare Hartgewebsrekonstruktion zu erreichen, sollten diese Materialien nur in der Mischung mit Knochenbohrspänen oder Bonechips im Verhältnis 1:1 verwandt werden. Um eine bindegewebige Einscheidung zu vermeiden und eine subperiostale Bewegung zu verhindern, ist eine Abdeckung mittels Membran sinnvoll. In reiner Form augmentiert bewirken sie lediglich eine äußere Volumenexpansion des entsprechenden Alveolarfortsatzes mit Ersatzmaterial ohne Volumenzunahme an Knochen.


Dokumente

> Handschel.pdf


Quellen

  • Basle MF, Lesourd M, Grizon F, Pascaretti C, Chappard D (1998)   Type I collagen in xenogenic bone material regulates attachment and spreading of osteoblasts over the beta1 integrin subunit   Orthopade 27:136-42
  • Ducheyne P, Qiu Q (1999)   Bioactive ceramics: the effect of surface reactivity on bone formation and bone cell function   Biomaterials 20:2287-303
  • Handschel J, Figgener L, Joos U (2001)   Forensic evaluation of injuries to nerves and jaw bone after wisdom tooth extraction from the viewpoint of current jurisprudence   Mund Kiefer Gesichtschir. 2001 Jan;5(1):44-8
  • Hollinger J, Leong K (1996)   Poly(a-hydroxy acids): carriers for bone morphogenetic proteins   Biomaterials 17: 187-194
  • Hutmacher D, Kirsch A, Ackermann K, Hürzeler M (1998)   Matrix and carrier materials for bone growth factors: state of the art and future perspectives   Berlin Heidelberg, Springer
  • Hutmacher DW (2000)   Scaffolds in tissue engineering bone and cartilage   Biomaterials 21:2529-43
  • Martin C, Winet H, Bao JY (1996)   Acidity near eroding polylactide-polyglycolide in vitro and in vivo in rabbit tibial bone chambers   Biomaterials 17:2373-80
  • Peter SJ, Miller MJ, Yasko AW, Yaszemski MJ, Mikos AG (1998)   Polymer concepts in tissue engineering   J Biomed Mater Res 43:422-7
  • Schlegel KA, Neukam FW (2002)   Augmentationen, Knochenersatzmaterialien, Membranen    Curriculum Zahnärztliche Chirurgie Band 1
  • Szabo G, Suba Z, Hrabak K, Barabas J, Nemeth Z (2001), Autogenous bone versus beta-tricalcium phosphate graft alone for bilateral sinus elevations (2- and 3-dimensional computed tomographic, histologic, and histomorphometric evaluations): preliminary results, Int J Oral Maxillofac Implants 16:681-92
  • Zellin G, Linde A (1997), Importance of delivery systems for growth-stimulatory factors in combination with osteopromotive membranes. An experimental study using rhBMP-2 in rat mandibular defects, J Biomed Mater Res 35:181-190