Implantnet

Θέματα παιδείας, κοινωνίας, οδοντιατρικής επιστήμης και όχι μόνο…

Βιο-υλικά και βιομηχανική των οδοντικών εμφυτευμάτων. Τι υπάρχει στο μέλλον.

Στις διαφημίσεις ένα εμφύτευμα με το μεγαλύτερο ποσοστό επαφής οστού-εμφυτεύματος(BIC) πρέπει να είναι το «καλύτερο» εμφύτευμα. Αυτό δεν είναι αναγκαστικά αληθινό. Ένα βραχύ κυλινδρικό εμφύτευμα με σχετικά μικρή διάμετρο αναπτύσσει BIC 100 %. Ενώ η 100 % επαφή μπορεί να είναι επιθυμητή, από μόνη της δεν εγγυάται ότι το εμφύτευμα θα δουλέψει σε κλινικό επίπεδο. Κάποιος θα μπορούσε να χρησιμοποιήσει ένα ιδίου μήκους εμφύτευμα αλλά με μεγαλύτερη διάμετρο συν το σχήμα βίδας ή η μακροαδρότητα στην γεωμετρία για 2 λόγους:

1. αυτό το εμφύτευμα θα επιτύχει 70 % BIC

2. αυτή η 70 % επαφή είναι γνωστό ότι είναι επαρκής για τις προσδοκώμενες in vivo φορτίσεις

Τα γεγονότα που οδηγούν στην ενσωμάτωση του εμφυτεύματος στο οστούν μετά την φόρτιση λαμβάνουν χώρο σε μεγάλο βαθμό στον διάμεσο χώρο οστού-εμφυτεύματος. Αυτά περιλαμβάνουν αναρίθμητους παράγοντες, όχι μόνο σχετιζόμενους με τα εμφυτεύματα όπως το υλικό, το σχήμα, η τοπογραφία και η χημεία της επιφάνειας, αλλά επίσης και η μηχανική φόρτιση, η χειρουργική τεχνική και παράμετροι του ασθενή, όπως η ποιότητα και η ποσότητα του οστού.

Γεγονότα που λαμβάνουν χώρα στον διάμεσο χώρο οστού-εμφυτεύματος

Το γεγονός που συμβαίνει αμέσως μετά την εμφύτευση των μετάλλων και άλλων βιο-υλικών είναι η προσρόφηση πρωτεϊνών. Αυτές οι πρωτεΐνες έρχονται πρώτα από το αίμα και τα υγρά των ιστών στην περιοχή του τραύματος και αργότερα από την κυτταρική δραστηριότητα στην διάμεση περιοχή. Από την στιγμή που θα βρεθούν στην επιφάνεια οι πρωτεΐνες αποβάλλονται ή παραμένουν για να μεσολαβήσουν τις αλληλεπιδράσεις ιστού-εμφυτεύματος. Στην πραγματικότητα η φύση αυτού του ρυθμιστικού φιλμ που εναποτίθεται στα βιο-υλικά μπορεί να είναι καθοριστικός παράγοντας στην αντίδραση του ξενιστή. Σημαντικές επίσης αλλαγές συμβαίνουν στην επιφάνεια του υλικού, όπως η οξείδωση του μετάλλου των εμφυτευμάτων τόσο in vivo όσο και in vitro. Τα εμφυτεύματα καθαρού τιτανίου έχουν ένα πάχος οξειδίου 2 με nm πριν την εμφύτευση. Εντούτοις, τα φιλμ των εμφυτευμάτων ελήφθησαν από ανθρώπινους ιστούς είναι 2 με 3 φορές παχύτερο. Η συνεχιζόμενη αύξηση της οξείδωσης αντανακλά σε συνεχιζόμενα ηλεκτροχημικά γεγονότα στον διάμεσο χώρο ιστού-εμφυτεύματος. Μια άλλη συνέπεια αυτών των γεγονότων είναι η απελευθέρωση μεταλλικών στοιχείων στους ιστούς. Αυτά τα προϊόντα διάβρωσης συσσωρεύονται τοπικά αλλά επίσης εκτείνονται και συστηματικά.

Αντίδραση ξενιστή

Η αντίδραση του ξενιστή οδηγεί σε στενή εναπόθεση οστού πάνω στο βιο-υλικό. Για να συμβεί αυτή η στενή επαφή χάσματα που αρχικά υπάρχουν ανάμεσα στο οστούν και το εμφύτευμα στην χειρουργική επέμβαση πρέπει αρχικά να γεμίσουν με θρόμβο και το οστούν που τραυματίζεται κατά την παρασκευή της θέσης του εμφυτεύματος πρέπει να επουλωθεί. Σε αυτήν την φάση, μη επιθυμητές καταστάσεις, π.χ. μικροκίνηση θα διαταράξει τον νεοσχηματιζόμενο ιστό οδηγώντας στον σχηματισμό ινώδους κάψουλας.

Οστεοβλάστες, οστεοειδές και πλέγμα ορυκτού (mineralized matrix) έχουν παρατηρηθεί απέναντι από την γραμμή οστέωσης (lamina limitans), προτείνοντας ότι οστούν μπορεί να εναποτεθεί άμεσα στην επιφάνεια του εμφυτεύματος προεξέχοντας από το βιο-υλικό. Έτσι ο σχηματισμός οστού στην περιπροσθετική περιοχή λαμβάνει χώρα σε 2 διευθύνσεις: όχι μόνο το επουλωτικό οστό προσεγγίζει το βιο-υλικό, αλλά επίσης εκτείνεται από το εμφύτευμα προς το επουλωτικό οστό.

Λόγω της πολυπλοκότητας του in vivo περιβάλλοντος, ο διάμεσος χώρος οστού-εμφυτεύματος δεν έχει ακόμη πλήρως χαρακτηριστεί. Αρκετά βιομόρια έχουν ταυτοποιηθεί στον διάμεσο χώρο και περαιτέρω δουλειά χρειάζεται για να προσδιοριστούν και να καθοριστεί η λειτουργία τους στον διάμεσο χώρο.

Ελέγχοντας τον διάμεσο χώρο οστού-εμφυτεύματος με την επιλογή και τροποποίηση των βιο-υλικών

Οι βιολογικοί ιστοί αλληλεπιδρούν κυρίως με τα περισσότερο εξωτερικά στρώματα του εμφυτεύματος. Η πρωταρχική ζώνη αλληλεπίδρασης (primary interaction zone) είναι γενικά μόνο 0.1 με 1 nm σε πάχος. Κατά συνέπεια αρκετή προσπάθεια έχει αφιερωθεί σε μεθόδους τροποποίησης των υπαρχόντων βιο-υλικών για να επιτευχθούν οι επιθυμητές βιολογικές ανταποκρίσεις. Οι προσεγγίσεις αυτές μπορούν να ταξινομηθούν σε φυσικοχημικές, μορφολογικές, ή βιοχημικές.

Φυσικοχημικές μέθοδοι

Οι φορτισμένες επιφάνειες έχουν προταθεί σαν αγώγιμες στην ενσωμάτωση των ιστών. Οι επικαλύψεις με calcium phosphate έχουν εκτεταμένα ερευνηθεί λόγω της χημικής τους ομοιότητας με τα ανόργανα του οστού. Η διάλυση των επικαλύψεων όπως επίσης και το σπάσιμο και ο αποχωρισμός τους από το μεταλλικό υπόστρωμα αποτελεί ένα λόγο ανησυχίας για τις επικαλύψεις υδροξυαπατίτη.

Μορφολογικές μέθοδοι

Οι μεταβολές στην μορφολογία και την αδρότητα της επιφάνειας του βιουλικού έχουν χρησιμοποιηθεί για να επηρεάσουν τις αντιδράσεις ιστών και κυττάρων στα εμφυτεύματα. Αρχικά αναπτύχθηκαν πορώδη επικαλύμματα με το σκεπτικό ότι λόγω της μηχανικής διασύνδεσης η προς τα μέσα ανάπτυξη του οστού θα αυξήσει την προσκόλληση και την σταθερότητα του εμφυτεύματος. Εντούτοις, πληροφορίες από ανασκοπήσεις μελετών πορωδών ορθοπεδικών εμφυτευμάτων δείχνουν ότι μόνο ένα σχετικά μικρό τμήμα του διαθέσιμου όγκου του πόρου γεμίζει με οστούν.

Χρησιμοποιώντας in vitro καλλιέργειες κυττάρων υπάρχουν κάποια συμπεράσματα για τον ρόλο της αδρότητας της επιφάνειας. Οι Cochran και συν. ανέφεραν ότι οι ανθρώπινοι ινοβλάστες και η επιθηλιακή πρόσφυση των κυττάρων και ο πολλαπλασιασμός τους in vitro επηρεάστηκαν από τα χαρακτηριστικά της επιφάνειας του τιτανίου.

Ο Martin και συν. χρησιμοποίησαν κύτταρα όμοια με οστεοβλάστες (MG63) και παρατήρησαν ότι η αδρότητα της επιφάνειας του τιτανίου μετέβαλε τον πολλαπλασιασμό των οστεοβλαστών, την διαφοροποίηση και την παραγωγή πλέγματος.

Χρησιμοποιώντας τα ίδια κύτταρα οι Boyan και συν. που εργάστηκαν με επιφάνειες τιτανίου διαφορετικής αδρότητας εκτεθειμένες σε κύτταρα μυελού των οστών ποντικού δεν μπορούσαν ξεκάθαρα να επιβεβαιώσουν την επίδραση της αδρότητας της επιφάνειας στον πολλαπλασιασμό, την διαφοροποίηση, και την ενασβεστίωση των κυττάρων του μυελού των οστών ποντικού.

Παρόμοια οι Sauberlich και συν. μελέτησαν ινοβλάστες ούλων ανθρώπων σε επιφάνειες τιτανίου που είχαν υποστεί διαφορετική μεταχείριση στην επιφάνειά τους και συμπέραναν ότι δεν έγινε φανερή μια σχέση ανάμεσα στην κυτταρική συμβατότητα της τροποποιημένης επιφάνειας και της ίδιας της τροποποίησης.

In vivo μελέτες.

Οι Buser και συν. τοποθέτησαν εμφυτεύματα τιτανίου με 6 διαφορετικές επιφάνειες στην μετάφυση της κνήμης και του μηριαίου σε miniature pigs για 3 και 6 βδομάδες. Η υψηλότερη BIC ήταν για τις επιφάνειες SLA και ΗΑ, με ποσοστά επαφής από 50-60 % (SLA) και 60 με 70 % (ΗΑ). Οι συγγραφείς ανέφεραν ότι η έκταση του διάμεσου χώρου οστού-εμφυτεύματος συσχετίζεται θετικά με μια αυξημένη αδρότητα της επιφάνειας του εμφυτεύματος.

Οι Chehroudi και συν. ανέφεραν ότι η τοπογραφία της επιφάνειας επηρέασε την συχνότητα και το ποσό του οστού που εναποτίθεται κοντά στα εμφυτεύματα.

Οι Wong και συν. εξέτασαν την αντίδραση του οστού σε pressfit κυλινδρικά εμφυτεύματα από 3 υλικά και διαφορετικές τροποποιήσεις της επιφάνειας σε σπογγώδες οστούν γονάτων ώριμων miniature pigs. Μετά 12 βδομάδες εμφύτευσης, τα εμφυτεύματα με ΗΑ επένδυση είχαν το μεγαλύτερο φόρτο αφαίρεσης (pushout loads) και την μεγαλύτερη κάλυψη της επιφάνειας με οστούν, π.χ. 79.9 % έναντι 38.5 % των άλλων ομάδων μετάλλων. Υπήρχε μια εξαιρετική συσχέτιση ανάμεσα στην μέση αδρότητα της επιφάνειας του εμφυτεύματος και στον φόρτο αφαίρεσης.

Οι Ericsson και συν. έκαναν μια ιστομορφομετρική σύγκριση στην άνω γνάθο σκυλιών των κοχλιωτού σχήματος οδοντικών εμφυτευμάτων με επιφάνειες που χαρακτηρίζονται ως machined έναντι των αδρών αμμοβολημένων με οξείδιο τιτανίου. Στους 2 μήνες, και οι 2 τύποι εμφυτευμάτων είχαν ένα μέσο BIC γύρω στο 40 %. Εντούτοις, στους 4 μήνες τα αδρά εμφυτεύματα είχαν μέσο BIC 65,1 % το οποίο ήταν μεγαλύτερο (Ρ<.05) από το τυπικό machined. (42,9 %)

Οι Wenneberg και συν. μελέτησαν εμφυτεύματα κοχλιωτά με 3 διαφορετικές επιφάνειες σε οστούν κουνελιού: αμμοβολημένα με 25 μm οξείδιο τιτανίου (TiO2), αμμοβολημένα με 75-μm οξείδιο αλουμινίου, και μια επιφάνεια machined. Μετά 12 βδομάδες υπήρχε ένα υψηλότερο ποσοστό BIC για τα εμφυτεύματα με το 25-μm TiO2 αμμοβολή. Το συμπέρασμα από αυτήν την μελέτη ήταν ότι υπήρχε μεγαλύτερη προσκόλληση χρησιμοποιώντας εμφυτεύματα με μεγαλύτερη αδρότητα.

Αντίθετα με τις προηγούμενες μελέτες άλλες εργασίες δεν αποκάλυψαν μια κύρια επίδραση της τραχύτητας in vivo.

Οι Jansen και συν. δοκίμασαν 3 διαφορετικά κράματα τιτανίου καθώς επίσης και επενδυμένα με ΗΑ σε κνήμη κουνελιού για 6 και 16 βδομάδες. Τα υλικά δεν είχαν ταυτόσημη αδρότητα. Μετά την μέτρηση της εναπόθεσης του οστού, οι συγγραφείς σημείωσαν ότι δεν παρουσιάστηκαν διακριτές διαφορές στην οστική αντίδραση στα διαφορετικά υλικά εμφυτευμάτων και ότι αυτά με επένδυση ΗΑ έδειξαν απώλεια πάχους.

Οι Caulier και συν. δοκίμασαν την ανταπόκριση χαμηλής πυκνότητας οστού σε κοχλιωτά, μη επενδυμένα, εμφυτεύματα καθαρού τιτανίου όπως επίσης του ιδίου μετάλλου αμμοβολής με 3 διαφορετικούς τύπους υλικών. Μετά την εμφύτευση των 3 με 6 μηνών στην άνω γνάθο αιγών δεν βρέθηκαν διαφορές στις ιστομορφομετρικές μετρήσεις που έγιναν. Οι συγγραφείς δεν βρήκαν στατιστικά σημαντικές διαφορές στην αντίδραση του οστού ανάμεσα στα διάφορα υλικά εμφυτευμάτων.

Κλινικές έρευνες με εμφυτεύματα διαφορετικής υφής ή αδρότητας επιφάνειας

Οι Helsingen και Lyberg σύγκριναν την σύνθεση της επιφάνειας και την μικροδομή 4 εμφυτευμάτων τιτανίου ταυτόσημων στο εξωτερικό σχήμα (κοχλιωτά) αλλά κατασκευασμένα από 4 διαφορετικούς κατασκευαστές (Nobel Biocare, CoreVent, 3i, Osseodent). Δεν βρέθηκαν ουσιαστικές ποιοτικές διαφορές

Οι Lamoni και συν. τοποθέτησαν ειδικά κοχλιωτά εμφυτεύματα τα οποία ήταν μισοεπενδυμένα στον διαμήκη άξονά τους με plasmasprayed HA. Πυρήνες οστικοί αφαιρέθηκαν σε 1, 3, 6, και 12 μήνες και αναλύθηκαν ιστολογικά. Η μελέτη ανέφερε μια τάση προς υψηλότερο ποσοστό BIC για κάθε περίοδο επούλωσης για τα εμφυτεύματα επενδυμένα με ΗΑ.

Συνολικά σε αυτές τις in vitro, πειραματικές σε ζώα και κλινικές μελέτες δεν προσφέρονται ακαταμάχητα συμπεράσματα για τον ρόλο της σύνθεσης της επιφάνειας και της υφής αυτής αναφορικά με την αντίδραση του οστού στον διάμεσο χώρο.

Ο Davies υποθέτει ότι η αδρότητα των επιφανειών αιχμαλωτίζει τον θρόμβο ινικής εύκολα και έτσι επηρεάζει θετικά τα αρχικά στάδια της ενσωμάτωσης.

Βιοχημικές Μέθοδοι

Ο στόχος της τροποποίησης της βιοχημικής επιφάνειας είναι να κινητοποιήσει πρωτεΐνες, ένζυμα ή πεπτίδια στα βιο-υλικά με σκοπό την εισαγωγή ειδικών αντιδράσεων των κυττάρων και των ιστών, με άλλα λόγια να ελέγξει τον διάμεσο χώρο ιστών-εμφυτεύματος με μόρια τα οποία διοχετεύονται απευθείας στον διάμεσο χώρο.

Μια δεύτερη προσέγγιση είναι με χρήση βιομορίων με οστεοτροπική επίδραση. Πολλοί παράγοντες αύξησης έχουν κλωνοποιηθεί και έχουν ανασυνδυαστεί. Έχουν επιδράσεις που κυμαίνονται από μιτογεννετικότητα (π.χ. ο παράγοντας αύξησης ιντερλευκίνη-1, FGF-2, ο παράγοντας αύξησης από τα αιμοπετάλια-ΒΒ) σε αυξημένη δραστηριότητα των οστικών κυττάρων, (π.χ. TGF-β1 που αυξάνει την σύνθεση κολλαγόνου) σε οστεοεισαγωγή (osteoconduction) (π.χ. μορφογενετικές πρωτεΐνες του οστού, BMP). Διοχετεύοντας ένα ή περισσότερα από αυτά τα μόρια τα οποία παίζουν ουσιαστικούς ρόλους στην οστεογένεση άμεσα στον διάμεσο χώρο ιστού-εμφυτεύματος, είναι πιθανόν ότι προάγεται ο σχηματισμός οστού στις εφαρμογές εμφυτευμάτων.

Υπάρχουν 2 σπουδαιότητες σχετικά με την διοχέτευση βιομορίων στον διάμεσο χώρο ιστού-εμφυτεύματος:

1. οι τοπικοί πληθυσμοί των κυττάρων πρέπει να αλληλεπιδρούν με τα βιομόρια για ένα χρονικό διάστημα για να εισάγουν τα κυτταρικά γεγονότα και

2. οι συγκεντρώσεις των βιομορίων πρέπει να υπερβαίνουν ορισμένα επίπεδα για την κυτταρική δραστηριότητα.

Ο πιο απλός τρόπος για την διοχέτευση βιομορίων στον διάμεσο χώρο ιστού-εμφυτεύματος είναι βουτώντας το εμφύτευμα σε ένα διάλυμα πρωτεΐνης πριν την τοποθέτησή του. Με μια παρόμοια προσέγγιση η αλκαλική φωσφατάση προσροφάται από εμφυτεύματα τιτανίου αυξάνοντας τον περιπροσθετικό σχηματισμό οστού. Οι πρωτεΐνες αποβάλλονται από την επιφάνεια με μη ελεγχόμενο τρόπο για να εισάγουν τις επιθυμητές αντιδράσεις. Αν και έχουν παρατηρηθεί θετικές αντιδράσεις με αυτήν την απλή προσέγγιση, δεν υπάρχει ένδειξη ότι είναι ιδανικές για κλινικές εφαρμογές. Υπάρχει επίσης ένα ενδεχόμενο πρόβλημα με την διάχυση οστεογενετικών παραγόντων και τον σχηματισμό ανόργανων σε μη επιθυμητές περιοχές.

Ο δεσμός των βιομορίων με τα εμφυτεύματα είναι ένας εναλλακτικός τρόπος για την διοχέτευσή τους στον διάμεσο χώρο ιστού-εμφυτεύματος. Αυτή η προσέγγιση είναι περισσότερο επιλεγμένη από την προσρόφηση.

Το αδρανές φιλμ οξειδίου σε αυτά τα μέταλλα των εμφυτευμάτων έχει εντούτοις επιφανειακές υδροξυλ- ομάδες που προσφέρουν θέσεις για δεσμό χρησιμοποιώντας την χημεία των σιλανίων. Αυτή η προσέγγιση έχει χρησιμοποιηθεί για να κινητοποιήσει πεπτίδια, ένζυμα, και πρωτεΐνες συγκόλλησης σε διαφορετικά βιουλικά.

Επενδύσεις που ενσωματώνουν βιομόρια έχουν επίσης ερευνηθεί για την διοχέτευση βιομορίων στον διάμεσο χώρο ιστού-εμφυτεύματος. Αυτή η προσέγγιση είναι ελκυστική γιατί μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να ελέγξει την απελευθέρωσή τους. Μερικά από τα υλικά στα οποία προσανατολίζονται είναι τα ethylene vinyl acetate (EVAc), poly(lactidecoglycolide), collagen.

Μικροκίνηση και αντίδραση των ιστών in vivo

Δεν είναι η απουσία φόρτισης αυτή καθεαυτή που είναι κρίσιμη για την οστεοενσωμάτωση γύρω από τα εμφυτεύματα, αλλά μάλλον η απουσία υπερβολικής μικροκίνησης στον διάμεσο χώρο. Κάτω από αυτό το πρίσμα ο όρος οστεοενσωμάτωση μπορεί καλύτερα να κατανοηθεί ότι σημαίνει «ανενόχλητη επούλωση του οστού γύρω από το εμφύτευμα».

Η μικροκίνηση αν είναι υπερβολική πιστεύεται ότι καταστρέφει τους ιστούς και τις αγγειακές δομές που είναι μέρος των πρώιμων σταδίων της επούλωσης του οστού. Η μικροκίνηση πιθανώς εμπλέκεται με την ανάπτυξη ανεπαρκούς πρώιμου ικριώματος από τον θρόμβο ινικής. Επίσης η μικροκίνηση πιθανά διαταράσσει την αγγειογένεση και την ανάπτυξη νέας αγγείωσης για την επούλωση του ιστού, η οποία με την σειρά της σχετίζεται με την άφιξη αναγεννητικών κυττάρων. Τελικά η υπερβολική μικροκίνηση θα προάγει με τρόπους που δεν είναι απόλυτα κατανοητοί, μια επαναδιευθέτηση της επουλωτικής διεργασίας σε επούλωση με ουλώδη ιστό αντί της αναγέννησης του οστού. Ο Davies έχει επίσης προτείνει ότι η υπερβολική μικροκίνηση μπορεί να εμποδίσει τον θρόμβο ινικής από την προσκόλληση στην επιφάνεια του εμφυτεύματος κατά την διάρκεια της πρώιμης επούλωσης. Η αδρότητα της επιφάνειας μπορεί να βοηθήσει στην ελαχιστοποίηση των αρνητικών επιδράσεων της μικροκίνησης σε σχέση με το τι θα μπορούσε να συμβεί αν επρόκειτο για μια τέλεια λεία επιφάνεια.

Advertisements

Single Post Navigation

Σχολιάστε

Εισάγετε τα παρακάτω στοιχεία ή επιλέξτε ένα εικονίδιο για να συνδεθείτε:

Λογότυπο WordPress.com

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό WordPress.com. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Φωτογραφία Twitter

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Twitter. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Φωτογραφία Facebook

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Facebook. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Φωτογραφία Google+

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Google+. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Σύνδεση με %s

Αρέσει σε %d bloggers: