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Fallstudien

Die Auswirkungen des Einsetzens auf die Oberflächentopologie von Zahnimplantaten

Dental implants, Fallstudien, Medical Devices, Mikrofertigung
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Universität Mondragon (Gruppe für Oberflächentechnik). Die im Baskenland (Spanien) ansässige akademische Forschungsgruppe für Oberflächentechnik konzentriert sich auf die Analyse und Entwicklung von funktionsoptimierten Bauteiloberflächen. Im Mittelpunkt der Forschungsarbeiten stehen Studien über Oberflächenmesstechnik und über die Auswirkungen der Oberflächentopographie auf das funktionelle Verhalten (Tribologie, Korrosion, Ermüdung, Reibung und biologische Reaktionen u. a.). Dabei kommen sowohl experimentelle als auch numerische Ansätze zum Einsatz.

Die konfokale Technologie ist eine zerstörungsfreie Messtechnik, die es ermöglicht, verschiedene Stellen in modernen Zahnimplantatoberflächen mit hoher Auflösung zu charakterisieren

Die Oberflächentopographie von Zahnimplantaten gilt als eine der wichtigsten Oberflächeneigenschaften im Hinblick auf die biologische Reaktion. Im Bereich der Implantate wurden daher erhebliche Forschungsanstrengungen für die Entwicklung neuer Oberflächenbehandlungen zur Steigerung der Oberflächenrauheit unternommen, wodurch die biologische Reaktion und letztlich die Osseointegration verbessert werden sollen.

Doch durch die ausgeprägtere Rauigkeit verursachte feinere Oberflächenelemente können während des Einsetzens in den Kieferknochen brechen oder beschädigt werden. Daher ist ein wichtiger, wenn auch oft übersehener Aspekt, dass die immer komplexeren Oberflächenmerkmale moderner Zahnimplantate beim Einsetzen tatsächlich erhalten bleiben.

Ziel dieser Forschungsarbeit war es, zu untersuchen, wie sich das Einsetzen von Zahnimplantaten auf deren Oberflächentopographie auswirkt. Dazu wird bewertet, ob das chirurgische Verfahren die geringere Oberflächenrauheit beeinträchtigt, indem die Oberflächentopografie vor und nach dem Einsetzen an exakt denselben Stellen gemessen und verglichen wird.

Der vorliegende Bericht ist Teil einer research1,2 1-. Zabala, A. The use of 3D surface topography analysis techniques to analyse and predict the alteration of endosseous titanium dental implants generated during the surgical insertion. (Mondragon Unibertsitatea, 2015). 2-. Zabala, A., Blunt, L., Tejero, R., Llavori, I., Aginagalde, A. and Tato, W. Quantification of dental implant surface wear and topographical modification generated during insertion,. Surf. Topogr. Metrol. Prop., 8, no. 1, p. 015002 (2020), doi: 10.1088/2051-672X/ab61e5. die von Dr. Alaitz Zabala, Dr Wilson Tato, Dr. Andrea Aginagalde und Dr. Iñigo Llavori durchgeführt wurde.

Wennerberg et al.3 3-. Wennerberg, A. & Albrektsson, T. Suggested guidelines for the topographic evaluation of implant surfaces. Int. J. Oral Maxillofac. Implants 15, 331–44 (2000). unternahm die ersten Schritte zur Standardisierung von Messungen, indem er Richtlinien für die Charakterisierung von Zahnimplantaten formulierte: drei Proben in einer Charge müssen bewertet werden, dreidimensionale Messungen müssen an drei Bewertungsbereichen (Oberseite, Flanken und Täler) durchgeführt werden, die Filtergröße muss angegeben werden, und von jedem Höhen-, Raum- und Hybridparameter muss mindestens einer vorgelegt werden. Darüber hinaus legte Wennerberg et al. fest, dass konfokale Profilometer und Interferometer die einzig akzeptable Methode zur Bewertung von oralen Implantaten mit dichtem Gewinde sind.

Dies ist einer der Hauptgründe, warum das kommerzielle optische 3D-Profilometer Plµ (frühere Version von S neox, Sensofar Metrology, Spanien) für die Durchführung dieser Arbeit gewählt wurde. Dieses bemerkenswerte optische Profilometer ist das einzige auf dem Markt, das konfokale, interferometrische (Phasenverschiebung und Coherence Scanning Interferometry) und Fokusvariationstechniken in ein und demselben optischen Instrument vereint. Diese Funktion ermöglicht die rasche Bewertung von Zahnimplantaten unter Einsatz verschiedener optischer Techniken. Zahlreiche internationale zahnmedizinische Forschungslabors haben die Geräte von Sensofar für die Oberflächencharakterisierung von Zahnimplantaten verwendet, was die Technologie validiert und sie zu einem der Goldstandards für diesen Zweck gemacht hat.4-12 4-. Walter, M. et al. Bioactive implant surface with electrochemically bound doxycycline promotes bone formation markers in vitro and in vivo. Dent. Mater. 30, 200–214 (2014). 5-. Frank, M. et al. Polarization of modified titanium and titanium–zirconium creates nano-structures while hydride formation is modulated. Appl. Surf. Sci. 282, 7–16 (2013). 6-. D’Almeida, M., Amalric, J., Brunon, C., Grosgogeat, B. & Toury, B. Relevant insight of surface characterization techniques to study covalent grafting of a biopolymer to titanium implant and its acidic resistance. Appl. Surf. Sci. 327, 296–306 (2015). 7-. Andrukhov, O. et al. Proliferation, behavior, and differentiation of osteoblasts on surfaces of different microroughness. Dent. Mater. 32, 1374–1384 (2016). 8-. Bertolini, R., Bruschi, S., Ghiotti, A., Pezzato, L. & Dabalà, M. Influence of the machining cooling strategies on the dental tribocorrosion behaviour of wrought and additive manufactured Ti6Al4V. Biotribology 11, 60–68 (2017). 9-. Spies, B. et al. Stability and aging resistance of a zirconia oral implant using a carbon fiber-reinforced screw for implant-abutment connection. Dent. Mater. 34, 1585–1595 (2018). 10-. Medvecky, L. et al. Effect of tetracalcium phosphate/monetite toothpaste on dentin remineralization and tubule occlusion in vitro. Dent. Mater. 34, 442–451 (2018). 11-. Pierre, C., Bertrand, G., Rey, C., Benhamou, O. & Combes, C. Calcium phosphate coatings elaborated by the soaking process on titanium dental implants: Surface preparation, processing and physical–chemical characterization. Dent. Mater. 35, e25–e35 (2019). 12-. Aguirrebeitia, J., Müftü, S., Abasolo, M. & Vallejo, J. Experimental study of the removal force in tapered implant-abutment interfaces: A pilot study. J. Prosthet. Dent. 111, 293–300 (2014).

In unserer Studie wurden Zahnimplantate an vier verschiedenen Stellen mit dem Konfokalsystem vermessen (Abb. 1), sowohl vor als auch nach dem Einsetzen in den Rinderrippenknochen (als Ersatz für den menschlichen Knochen, Abb. 2).

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Abbildung 1. Bezeichnung der Bewertungsstellen und Profilbeispiele
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Abbildung 2. Einsetzen in den Rippenknochen eines Rindes auf die herkömmliche Weise: (a) Einsetzen; (b) Nicht traumatische Implantatentnahme durch Trennen der beiden zuvor erzeugten Knochenblockhälften.

Aufgrund der komplexen Geometrie von Zahnimplantaten mit Gewinde stellt die Messung der jeweiligen Implantatpositionen und deren Lokalisierung sowohl vor als auch nach dem Einsetzen eine Herausforderung dar.

Mit Hilfe eines ad-hoc entwickelten Handhabungs- und Positionierungsgeräts für Zahnimplantate mit drei Bewegungsachsen wurden verschiedene Stellen korrekt lokalisiert (Abb.3).

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Abbildung 3. Handhabungs- und Positionierungsgeräts zur richtigen Positionierung: (a) Messung des Zahns; (b) Messung der Flanke;
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(c): beide Messungen können mit einem speziellen Rotationsystem (z.B. S neox Five Axis) durchgeführt werden

Das fortschrittlichste Gerät von Sensofar umfasst jedoch ein Rotationsmodul (d. h. S neox Five Axis), das die automatisierte dreidimensionale Oberflächencharakterisierung ermöglicht.

Die Messungen wurden mit einem Objektiv mit 100-facher SLWD-Vergrößerung durchgeführt, um alle topografischen Merkmale im Detail zu erfassen. Die Messungen wurden mit der Messsoftware SensoMAP (Digital Surf) nachbearbeitet, um Form (Polynomanpassung zweiter Ordnung), Rauschen (Gaußfilter-Cut-off 0,36 µm) und Welligkeit (Robust Gaußfilter-Cut-off 50 µm) zu entfernen. Diese Werte werden aufgrund früherer Studien als optimal für diese Anwendung erachtet.1 Zur vollständigen Charakterisierung der Oberflächeneigenschaften wurden topografische Parameter aus der Familie der Höhen-, Raum-, Hybrid- und Funktionen nach ISO 25178-2 berechnet.

Abb 4. zeigt repräsentative axonometrische Projektionen der Messungen, die an denselben Regionen vor und nach dem Einsetzen der säuregeätzten Implantate vorgenommen wurden. Die Stellen, die statistisch signifikante Veränderungen der topografischen Parameter aufwiesen (p<0,05), sind mit * gekennzeichnet. Es ist festzustellen, dass die anfänglich vorhandenen scharfen Spitzen nach dem Einsetzen an allen untersuchten Stellen mit Ausnahme des Halses weniger ausgeprägt oder ganz verschwunden waren.

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Abbildung 4. Repräsentative axonometrische Projektionen der Messungen eines säuregeätzten Zahnimplantats an den vier Bewertungsstellen vor und nach der Insertion. Die Stellen, die statistisch signifikante Veränderungen der topografischen Parameter aufwiesen, sind mit * gekennzeichnet.*
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Abbildung 5. Unterschiedliche Schritte des Vorgangs zur Messung des Profils

Die konfokale Technologie hat sich als wirksame Technik zur Untersuchung und Charakterisierung der Oberflächentopographie und der Schäden erwiesen, die an modernen Zahnimplantaten beim Einsetzen in den Knochen auftreten. Diese zerstörungsfreie Messtechnik ermöglicht es, verschiedene Stellen der komplexen, dreidimensionalen Zahnimplantate mit hoher Auflösung zu charakterisieren. Qualitative und quantitative Analysen wurden durchgeführt, um die Oberflächenveränderungen zu bewerten.
Aus den verschiedenen Komponenten dieser Studie lassen sich die folgenden Hauptpunkte ableiten:

Die Oberflächenbeschädigung variierte an verschiedenen Bewertungsstellen des Implantats (Hals, Zahn, Grund und Flanke) und auch entlang des Implantats an jeder Stelle.

Die Veränderung des entwickelten Grenzflächenverhältnisses (Sdr) korrelierte positiv mit der Veränderung des Materialvolumens (Vm) und gilt als der beste Schadensindikator.

Aufgrund der höheren Empfindlichkeit wird die Nutzung von für das Funktionsvolums-Parametern nach der ISO-Norm 25178 anstelle der Parameter der Rk-Familie vorgeschlagen, die im europäischen Bericht EUR 15178N definiert sind.

Das optische 3D-Profilometer S neox (Sensofar, Spanien) hat sich als genaues Instrument zur Untersuchung der Oberflächentopografie von Zahnimplantaten vor und nach dem Einsetzen in den Knochen erwiesen. Fortschrittlichere Geräte wie das S neox Five Axis würden nicht nur schnellere und automatisierte hochauflösende Messungen ermöglichen, sondern auch die 3D-Rekonstruktion der Form des gesamten Zahnimplantats, was für Verschleißanalysen und Qualitätskontrollen in weiteren Studien von Interesse sein kann.

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