Fogászati és orofaciális implantátumok Prof. Dr. Hegedűs Csaba, Dr. Turzó Kinga
Készült: 2015.05.31.
A tananyag elkészítését "Az élettudományi- klinikai felsőoktatás gyakorlatorientált és hallgatóbarát korszerűsítése a vidéki képzőhelyek nemzetközi versenyképességének erősítésére" TÁMOP 4.1.1.C-13/1/KONV-2014-0001 számú projekt támogatta. A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg.
1
TARTALOMJEGYZÉK
13. FOGÁSZATI ÉS OROFACIÁLIS IMPLANTÁTUMOK ........................................................3 13.1 A fej keményszöveti defektusainak helyreállítása bioanyagokkal .......................................3 13.1.1 Csontpótló anyagok ...........................................................................................................4 13.1.2 Fogászati implantátumok ..................................................................................................6 13.1.3 Titán és ötvözetei...............................................................................................................8 FELADATOK ............................................................................. Hiba! A könyvjelző nem létezik. Felhasznált szakirodalom ...............................................................................................................11
2
13. FOGÁSZATI ÉS OROFACIÁLIS IMPLANTÁTUMOK
13.1 A fej keményszöveti defektusainak helyreállítása bioanyagokkal A fej keményszöveti defektusainak helyreállítására gyakran alkalmaznak alloplasztikai (vagy bio-) anyagokat. Ezek az implantátumok készülhetnek fémből, kerámiából vagy műanyagból (polimerekből). Bioanyagnak nevezzük azokat az élő szervek vagy szervrészek pótlására szolgáló készülékekben használt szintetikus anyagokat, amelyek az élő szövettel szoros kapcsolatban működni képesek. Nem tekintjük bioanyagnak a külső segédeszközöket, pl. hallókészüléket, vagy művégtagot, melyeket a bőr választ el a szervezet többi részétől. Az orofaciális régió implantátumainak zömét az állcsont hiányok rekonstrukciójára (csontösszekötő lemezek, hálók, vázak) és az elvesztett fogak pótlására alkalmazott dentális implantátumok teszik ki. Bár ezeknél a helyreállításoknál a kerámiák és a műanyagok is szóba jöhetnek, jelenleg a fémek rendelkeznek a legjobb tulajdonságokkal a biointegráció, a mechanikai szilárdság és a technológiai alkalmasság szempontjából, élettartamuk hosszú és jól megbecsülhető. A fémek, és ezek között leginkább a titán és annak ötvözetei (Ti-6Al-4V), anyagtani tulajdonságok tekintetében optimális módon teljesítik az ilyen anyagokkal szemben támasztott biológiai, mechanikai és technológiai elvárásokat. Ebben a fejezetben ezeket a követelményeket fogjuk összefoglalni, különös tekintettel a titánból készült fogászati implantátumokra.
3
Fontos kérdés a klinikai felhasználásnál, hogy milyen szempontok alapján választják ki a megfelelő helyreállításhoz szükséges alloplasztikai anyagot. Minden esetben a betöltött funkciót kell figyelembe venni. Fémeknél a leggyakrabban alkalmazott anyagok a titán és annak ötvözetei, a tantál, a CoCrMo ötvözetek és ideiglenes helyreállításra rozsdamentes acélt is használnak. A kerámiák közül az alumínium oxid és kalcium foszfát kerámiákat alkalmazzák, míg a polimerek családjából az akrilátokat, a polietilént és a szilikont. A fogászati anyagtan negyedik családját, a kompozitokat is egyre gyakrabban alkalmazzák, pl. csontrögzítésnél, a szénszál erősítésű kompozitokat. Az egyik leggyakoribb törés az orofaciális régióban az állcsonttörés. Ennek a rekonstrukcióját fémből készült csontösszekötő lemezekkel, csavarokkal, hálókkal és vázakkal oldják meg (1. ábra).
1. ábra: Fémből készült csontösszekötő lemezek. 13.1.1 Csontpótló anyagok A csonthiányokat (vagy csont defektusok) csontpótló anyagokkal állítják helyre, leggyakrabban hidroxiapatittal. Ezek az anyagok az alábbi követelményeknek kell eleget tegyenek: 4
-
biokompatibilitás
-
sterilizálhatóság
-
könnyű előállíthatóság
-
könnyű alakíthatóság
Emellett rendelkezniük kell osszeoinduktív és osszeokonduktív tulajdonságokkal. Az osszeoinduktív sajátság azt jelenti, hogy a mezenchimális sejtek átalakulnak csontképző sejtekké, míg az osszeokonduktív vonással rendelkező bioanyag állványzatként szolgál az újonnan képződő csontnak.
2. ábra: A βTCP szemcsék PEM képe
3. ábra: 25%-os βTCP-t tartalmazó Ti-lemez PEM képe
5
13.1.2 Fogászati implantátumok A másik leggyakoribb pótlás az elvesztett fogaké. Ebben az esetben fogászati (dentális) implantátumokat alkalmaznak. A fogászati implantátumokat általában elhelyezésük alapján osztályozzák. Lehetnek endosszeális, amikor az implantátumok az állkapocs- csontban helyezkednek el. A szubperioszteális implantátum esetében a fémváz fekszik az állkapocscsonton, az íny (perioszteum) alatt és csak a protézis alapjául szolgáló rész látható a szájban. A transzoszteális fogpótlásoknál az implantátum teste átfúrja teljesen az állkapocscsontot.
4. ábra: Fogászati implantátumok osztályozása elhelyezésük alapján A fogászati implantátumok esetében, akárcsak a többi bioanyagnál fontos megemlíteni a biointegráció fogalmát. A biointegráció során az alloplasztikai anyag az élő szövetekkel közvetlen kapcsolatba kerül, ott funkcióját hosszú ideig képes fenntartani és ez idő alatt biológiai környezetére károsító hatást nem fejt ki.
6
Dentális implantátumok esetében a biointegráció sikerességét három tényező biztosítja: a teljes osszeointegráció (elhorgonyzás a csontban), a jó periimplantális zárás (vagy gingivális tapadás) és a megfelelő, felépítmény által közvetített rágóerő-átvitel.
5. ábra: Fogászati implantátum biointegrációja: osszeointegráció, periimplantális zárás és biomechanikai erők Az osszeointegráció során, amely közvetlen direkt kapcsolatot jelent a csontszövet és a terhelést elviselő implantátum felülete között, erős kapcsolat fog kialakulni a bioanyag és az őt körülvevő csont között (Binon et al., 1992; Cochran, 1999; Morra & Cassinelli, 1997; Olefjord & Hansson, 1993). Ennek megfelelően a fogászati implantátumoknak három funkcionális része van: A) a hámtapadás és a plakktól való mentesíthetőség feltételeinek egyaránt megfelelő, sima felszín; B) a kötőszövet rögzülésére kiképzett esztergált, ferde rész és C) a csontintegrációra legalkalmasabb, érdesített felszín (6. ábra). A B
C
6. ábra: Fogászati implantátumok funkcionális részei
7
13.1.3 Titán és ötvözetei A titán és ötvözetei univerzálisan alkalmazhatóak a fogászat minden területén, a fogpótlástanban, az implantológiában, az arc-, állcsont- és szájsebészetben és az ortopédiában. (Brånemark et al., 1983b; Meffert et al., 1992). Különlegesen jó tulajdonságaik vannak, nevezetesen: -
alacsony atomtömeg (47,867 g/mol)
-
kis sűrűség (4,506 g/cm3 szobahőmérsékleten; az acélnál 45%-al könnyebb, de ugyanolyan erős)
-
csekély hővezetőképesség (21,9 J/(m·s·K))
-
viszonylag könnyű megmunkálhatóság
-
nagyon jó röntgenárnyékot ad
-
kiemelkedő korrózióálló képesség
-
jó biokompatibilitás
A titánt több mint 40 éve alkalmazzák a fogászatban; sebészeti alkalmazása még korábbra tehető. 1947-ben J. Cotton a titánt és ötvözeteit hasznosította orvosi célú implantátumok gyártásánál. A hetedik leggyakoribb elem a földön és nagyon könnyű anyag. Sűrűsége 4,5 g/cm3, vagyis sokkal kevesebb, mint a többi fogászatban használt anyagé (az arany sűrűsége 19,3 g/cm3 vagy a CoCrMo ötvözeté 8,5 g/cm3). Nem ötvözött formájában (CP grade 4) a Ti ugyanolyan erős, mint az acél, de 45% -al könnyebb (a nemesacél sűrűsége 7,9 g/cm3). Olvadás pontja 1672-1727°C között van és termikus hővezetőképessége közelíti a fogszövetekét. Vickers keménysége (Vickers Hardness Number - VHN) 210, hasonló a III, IV arany ötvözetek értékéhez (135-250). A Ti6Al4V ötvözet VHN értéke 320, amely szintén megközelíti a CoCr ötvözetekét: 350-390 (Wang & Fenton, 1996; O’Brien, 2002). A kereskedelmi tisztaságú (Commercially Pure -CP) Ti négy formában érhető el, az oxigén (0,18-0,40 súly százalék) és a vas tartalomtól függően (0,20-0,50 súly százalék). Ezek a kis koncentráció különbségek lényeges hatással vannak a fém fizikai tulajdonságaira. Az oxigén befolyásolja a titán duktilitását és szilárdságát (Park & Kim, 2000; O’Brien, 2002). A titánt több elemmel (Al, V, Nb, Zr) lehet ötvözni, annak érdekében, hogy javítsuk a tulajdonságait, mint pl. a szilárdságát, kúszás állóságát, hegeszthetőségét és alakíthatóságát.
8
A Ti dimorf allotróp elem, mivel allotróp fázis átalakuláson megy keresztül a hőmérséklettől függően. Szoba hőmérsékleten a CP Ti α-fázisban található (HCP-hexagonally closed packed), míg 883ºC felett β−fázisba kerül (tércentrált köbös: body centred cubic - BCC). A β−fázis erősebb, de ugyanakkor törékenyebb, mint az α−fázis (Lautenschlager & Monaghan, 1993). A titán két legfontosabb tulajdonsága kiemelkedő korrózióálló képessége és a fémek között a legmagasabb szilárdság/tömeg aránya (Lautenschlager & Monaghan, 1993; O’Brien, 2002; Park & Kim, 2000; Wang & Fenton, 1996). A titán és ötvözetei rendkívül korrózióállóak, mert stabil és oldhatatlan TiO2 (ún. natív) réteg alakul ki a felületén (7. ábra). A titán dioxid réteg reakcióhője magas érték: ΔH = -912 kJ/mol. Levegőben, az oxidréteg (általában TiO2), alig 1 s alatt eléri a 20–100 Å vastagságot. Ez a réteg nagyon erősen tapad a fém titánhoz, megvédi a titánt más szennyeződésektől és áthatolhatatlan az oxigénnek (Lautenschlager & Monaghan, 1993). A TiO2 réteg nagyon fontos az implantátum és befogadó szövet közötti biológiai kölcsönhatásokban. A szerves és szervetlen kémiai folyamatok számára ez a réteg biztosítja a kompatibilitást és molekulák fognak kapcsolódni van der Waals kötések révén a felülethez. Ez a folyamat még nem teljesen tisztázott, de valószínű, hogy a TiO2 magas dielektromos állandója felel a másodlagos kötések kialakulásáért (ε = 50-170 szemben az Al2O3 4-10 –es értékével). Eddigi kutatások bizonyítják, hogy ennek a rétegnek a különleges tulajdonságai adják a titán kiemelkedő biokompatibilitását (Lautenschlager & Monaghan, 1993).
20-100 Å Titan
0
1 sec
7. ábra: 20–100 Å vastag és oldhatatlan TiO2 réteg kialakulása a fém titánon
9
Kimutatták, hogy a CP Ti és a Ti6Al4V széles pH határok között és sok oxid állapot esetében is rendkívül korrózióálló (Wang & Fenton, 1996), de nem teljesen inert. Az ionok kémiai kioldódás során szabadulnak ki a titán dioxidból. Az implantátumot körülvevő fibrózus kapszulában a Ti6Al4V ötvözetből az alábbi koncentrációban mutatták ki az elemeket: 21 ppm Ti, 10,5 ppm Al, 1 ppm V (Puleo & Nanci, 1999). Ezek nagyon alacsony, nem toxikus értékek. A titán további előnye, hogy mechanikai tulajdonságai, nevezetesen rugalmassági állandója közelebb van a csontéhoz mint a nemesacél és a CoCr ötvözet. Annak ellenére, hogy nyíró szilárdsága elég alacsony, a fogászati implantátumok első számú anyaga. Az alloplasztikai anyagok sikeres beépülése a szervezetbe sok tényezőtől függ: az anyag térfogati, és felületi tulajdonságaitól, a formai kivitelezéstől („design”) és a biokompatibilitásától. Nagyon fontos a sebészi beültetés technikája és a beteg egészségi állapota és életmódja is. Egy anyagot biokompatibilisnek nevezünk, amikor tartós biológiai kapcsolat alakul ki (befogadás) a mesterséges anyag/implantátum és a közvetlen környezetében lévő szövetek és a teljes élő szervezet között. A bioanyag integrációját elsősorban a térfogati tulajdonságai határozzák meg, és tervezésekor leginkább a funkcionalitására, tartósságára és mechanikai stabilitására helyezik a hangsúlyt. Ugyanakkor, a bioanyag felületi tulajdonságai szintén meghatározóak a biológiai válasz kialakulásában. Ezért fejlesztettek ki ún. felületmódosítási lehetőségeket, amelyek célja: a bioanyag és a befogadó gazdaszervezet között kialakuló kölcsönhatás befolyásolása/elősegítése anélkül, hogy a térfogati tulajdonságokat megváltoztatnánk. A biológiai kölcsönhatás, az ún. biofelismerés az implantátum és a gazdaszövet határfelületén jön létre. A biológiai szövetek főleg az implantátum külső atomrétegeivel lépnek kölcsönhatásba (0,1-1 nm vastag). A molekuláris és sejt folyamatok nagymértékben ismertek; Puleo & Nanci, (1999) és Kasemo (2002) szerzők által jól leírtak, de vannak még tisztázatlan részletek (Klinger et al., 1998). A felületmódosítások nagy előnye, hogy az implantátum lényeges fizikai tulajdonságait megtartjuk és csak a legkülső rétegeket változtatjuk meg, annak érdekében, hogy pozitívan befolyásoljuk a biofelismerés folyamatait.
10
FELHASZNÁLT SZAKIRODALOM
[1] [2] [3] [4] [5] [6]
[7] [8] [9] [10]
[11] [12] [13] [14]
R.H. SAMMOUR: Biotechnology – Molecular Studies and Novel Applications for Improved Quality of Human Life. InTech, 2012 BINON, P.P., WEIR, D.J. & MARSHALL, S.J.: Surface analysis of an original Brånemark implant and three related clones. Int J Oral Max Imp, (1992).Vol.7, pp.168-175 COCHRAN, D.L.: A comparison of endosseous dental implant surfaces. J Periodontology, (1999). Vol.70, pp.1523-1539 MORRA, M. & CASSINELLI, C. Organic surface chemistry on titanium surfaces via thin film deposition. (1997). J Biomed Mater Res, Vol.37, pp.198-206 OLEFJORD, I. & HANSSON, S.: Surface analysis of four dental implant systems. (1993). Int J Oral Max Imp, Vol.8, pp.32-40 BRÅNEMARK, P.I., ADELL, R., ALBREKTSSON, T., LEKHOLM, U., LUNDKVIST, S. & ROCKLER, B.: Osseointegrated titanium fixtures in the treatment of edentulousness. Biomaterial. (1983b). Vol.4. pp. 25–28 MEFFERT, R.M., LANGER, B. & FRITZ, M.E.: Dental implants: a review. J Periodontol, (1992). Vol.63, pp. 859–870 O’BRIEN, W.J.: Dental Materials and Their Selection. (2002). 3. ed. Quintessence, ISBN 0-86715- 406-3 WANG R.R. & FENTON: A. Titanium for prosthodontic applications: A review of the literature. Quintessence Int, (1996). Vol.27, pp. 401–408 PARK, J.B. & KIM, Y.K.: Metallic biomaterials. In: The Biomedical Engineering Handbook (2000). 2nd ed., Vol. I, Bronzino, J.D., (Ed.), 37-1–37-20, CRC Press and IEEE Press, ISBN 0-8493-0461-X, Boca Raton, Florida, USA LAUTENSCHLAGER, E.P. & MONAGHAN, P.: Titanium and titanium alloys as dental materials. Int Dent J, (1993). Vol.43, pp. 245–253 KASEMO, B.: Biological surface science. Surface Science, (2002). Vol.500, pp. 656-677 PULEO, D.A. & NANCI, A.: Understanding and controlling the bone-implant interface. Biomaterials. (1999). Vol.20, No.23-24, (December), pp.2311-2321 KLINGER, M.M., RAHEMTULLA, F., PRINCE, C.W., LUCAS, L.C. & LEMONS, J.E.: Proteoglycans at the bone-implant interface. Crit Rev Oral Biol Med, (1998). Vol.9, No.4, pp.449-463
11
12
