Ziel der Entwicklung
Aufgrund der verbesserten medizinischen Versorgung und Lebensbedingungen kommt es heutzutage zu einer stetig wachsenden Lebenserwartung. Demnach wird nicht nur dem menschlichen Achs- und Stützskelett, sondern auch den Zähnen zunehmend mehr abverlangt. Hinzu kommt außerdem eine weite Verbreitung von Extremsportarten, sodass das Alter der Patienten, auch für den Zahnersatz, sinkt. So werden jährlich allein in Deutschland etwa eine Million Zahnimplantate implantiert, wobei ein steigender Trend zu verzeichnen ist. Hierauf basierend war es das Ziel des Vorhabens, ein reproduzierbares und prozesssicheres Verfahren zur zellselektiven Oberflächenfunktionalisierung von zementfrei verankernden Zahnimplantaten zu entwicklen. Die Oberflächenfunktionalisierung sollte durch deterministische und stochastische Nanostrukturen auf der Implantatoberfläche mithilfe ultrakurzer Laserpulse im Piko- sowie Femtosekundenbereich realisiert werden. Die speziell zu strukturierenden Oberflächenrauigkeiten sollten primär das Proliferations- und Anwachsverhalten verschiedener Zellen, wie zum Beispiel Osteoblasten, Fibroblasten oder Bakterien beeinflussen, um den klinischen Erfolg des Implantats zu verbessern. Das rein photonische Verfahren sollte zudem konventionelle Bearbeitungsverfahren aufgrund mehrerer Vorteile substituieren.
Zu Beginn der Versuche sollten im Rahmen intensiver Parameterstudien mit Piko- und Femtosekundenpulsen die Grenzen der mittels industrietauglichen Ultrakurzpulslaser zu erzeugenden Oberflächentopologie aufgezeigt werden. Diese Studien sollten zudem eine Übersicht über die Einflüsse verschiedenster Prozessparameter auf die Dimensionen der Nano- und Mikrostrukturen verschaffen. Anhand von Benetzungsversuchen mit Wasser konnten anschließend erste Aussagen zu den hydrophilen und hydrophoben Eigenschaften der erzeugten Oberflächen gemacht werden.
Anhand von in vitro-Versuchen waren die Einflüsse der nano- und mikrostrukturierten Oberflächen auf Probekörpern aus Reintitan auf das Verhalten verschiedener Zellen und Bakterien zu untersuchen, um die Ergebnisse bezüglich Proliferation und Morphologie zu analysieren. In Hinsicht auf den in vivo-Zustand von enossalen Zahnimplantaten sollte das Osteoblasten-Anwachsverhalten der intraossären, also im Knochen verankernden Implantatbereiche verbessert und eine Proliferation von Fibroblasten verringert werden, um die Primär- sowie Langzeitstabilität zu erhöhen.
Vor diesem Hintergrund sollte in dem Projekt eine photonische Technologie zur Oberflächenfunktionalisierung von Zahnimplantaten entwickelt werden, welche einen verbesserten klinischen Erfolg und somit eine Steigerung der Lebensqualität von Patienten mit dentalen Implantaten mit sich bringt. Da anhand der optischen Technologie keine Fremdmaterialien, wie beispielsweise beim Strahlen oder Ätzen, Verwendung finden, können diverse Nachbearbeitungsschritte umgangen werden, was die Ergebnisse des Projektes auch aus ökonomischer und volkswirtschaftlicher Sicht vielversprechend macht.
Vorteile und Lösungen
Anhand ausgeweiteter Parameterstudien wurden relevante Prozessparameter eingegrenzt, auf Probekörper übertragen sowie bezüglich ihrer Benetzbarkeit und in zell- bzw. mikrobiologischen Versuchen experimentell untersucht. Anhand der Mikro- und Nanostrukturierungen konnten Benetzungswinkel zwischen 0 und 120° realisiert werden, sodass hydrophile bis hin zu superhydrophobe Benetzungseigenschaften erzielt werden konnten.
Anhand zellbiologischer Untersuchungen bezüglich der Morphologie und Proliferationsfähigkeit von MG-63 Osteoblasten konnte bestätigt werden, dass die Laserstrukturierungen zu unterschiedlichen Verhalten der Zellen beitragen. Es konnten dabei Oberflächen funktionalisiert werden, welche die Zellproliferation im Vergleich zur glatten Referenzfläche begünstigen. Bezogen auf den wichtigen „Run for the Surface“, also das Rennen zwischen Bakterien und Zellen um die Besiedlung der Implantatoberfläche, konnten hier vielversprechende Oberflächenfunktionalisierungen realisiert werden. Andere Parametersätze führten hingegen zu einem wachstumshemmenden Proliferationsverhalten der Osteoblasten, was für Zahnimplantate irrelevant, für wiederum andere Implantatsysteme (temporäre Implantate) von hohem Interesse sein kann. Es ließ sich zudem zeigen, dass anhand leichter Mikroriefen die laterale Wachstumsrichtung der Osteoblasten beeinflusst werden kann, was ebenfalls in anderen biomedizinischen Systemen von Interesse sein kann. Es zeigte sich hingegen keine direkte Korrelation zwischen den gemessenen Kontaktwinkeln und dem Verhalten der Zellen.
Die experimentellen Untersuchungen mit oralen Keimen in Form von S. oralis zeigten hingegen keine aussagekräftigen Änderungen des Bakterienverhaltens auf den Referenz- sowie laserstrukturierten Oberflächen. Aufgrund der deutlich kleineren Dimensionen der Bakterien im Vergleich zu den Zellen zeigte sich kein direkter Einfluss der Topografie der Mikro- und Nanostrukturen.
Das Projekt hat Ansätze aufgezeigt, um die biologische Wirkung von Implantaten anhand der UKP-Laserbearbeitung ohne Fremdkörperkontamination oder additive Verfahren zu beeinflussen. Es können damit Implantatoberflächen funktionalisiert werden.
Zielgruppe und Zielmarkt
Die zahlreichen Zahnimplantat-Hersteller rauen die Oberflächen derweil zum Beispiel mit Strahl- und Ätztechnologien auf, um die Osseointegration zu verbessern. Da es sich um eine Oberflächenbearbeitung bereits zugelassener und in den Markt eingeführter Produkte (Zahnimplantate) handelt, können sämtliche Hersteller als auch Oberflächendienstleister als potentielle Kunden betrachtet werden. Die in dem Projekt adressierten Bereiche von kundenspezifischen Aufgabenstellungen, speziell für den Bereich der Zahnimplantologie, sind weiterhin hoch aktuell. Die im Rahmen des Vorhabens erzielten Ergebnisse konnten dabei bereits einige Unternehmen von der technischen Umsetzbarkeit überzeugen.
