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Die
Erfindung betrifft ein sofort belastbares Kieferimplantat mit verbesserten
Osseointegrationseigenschaften. Das Implantat besteht aus Titan
oder einer Titanlegierung und ist geeignet für Implantation in Knochen,
besonders in Kieferknochen. Das Implantat ist mindestens teilweise
mit einer homogenen nanostrukturierten Oberfläche versehen, die zelluläre Reaktionen
und Knochenwachstum fördert,
während die
Oberflächenstruktur
nicht wesentliche Implantat-Eigenschaften wie zum Beispiel schart
schneidende Kanten beeinträchtigt.
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Es
wird ein Implantat mit Gewinde für
die gering-traumatische Insertion in ein vorgebohrtes Knochenlager
im Kiefer vorgestellt, das eine primäre Stabilität sowie initialen Knochenkontakt
erreicht. Das Implantat hat ein Gewinde zum Einschrauben in einen
Kiefer und einem Halteabschnitt zum Halten von Zahnersatz. Solche
Implantate sind bekannt, sie werden meist in den Kiefer an der Stelle
eines extrahierten oder ausgefallenen Zahns durch Einschrauben eingesetzt,
um dort den Zahnersatz zu halten. Hierbei kann ein Ersatz für einen
einzelnen Zahn oder, bei Verwendung mehrerer Kieferimplantate, ein
Ersatz mehrerer Zähne
verwendet werden.
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Zum
Halten weist das Kieferimplantat einen Pfosten auf, der an dem Teil
des Kieferimplantates, der mit dem Gewinde zum Einschrauben in den
Kiefer versehenen ist, ein- oder mehrstückig angesetzt ist. Im Übergangsbereich
des gewindebewährten Teils
zum Pfosten ist vielfach ein Schaft ausgebildet, der im eingesetzten
Zustand des Kieferimplantates im Bereich der Gingiva angeordnet
ist.
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Begründung der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich generell auf Implantatoberflächen und
speziell auf einen Implantatkörper
mit Gewinde, der schnell und sicher geringtraumatisch in einen Kieferknochen
eingesetzt werden kann und eine hohe Primärstabilität erreicht, insbesondere bei
sofortiger Insertion nach Extraktion der natürlichen Zähne.
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Vorbekannt
aus der Literatur ist, dass Zellanlagerungen, -migration und Zellorientierung
sowie extrazelluläre
Matrixsynthese und deren Orientierung beeinflusst werden durch die
Strukturierung der Implantatoberflächen (z.B. Micromorphologie)
sowie durch die chemische Oberflächen-Zusammensetzung.
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Wilke,
H.J. et al. haben demonstriert, dass es möglich ist, die Retentionsstabilität von Implantaten im
Knochen zu beeinflussen durch Veränderung der Oberflächenstruktur-Morphologie: „The Influence
of Various Titanium Surfaces on the Interface Strength between Implants
and Bone", Advances
in Biomaterials, Vol. 9, pp. 309–314, Elsevier Science Publishers
BV, Amsterdam, 1990.
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Die
Autoren zeigten, dass eine vergrößerte Oberflächenrauhigkeit
eine stärkere
Verankerungsfähigkeit
des Implantats erzeugt, und sie kommentierten: „es kann nicht die Schlussfolgerung
gezogen werden, wie in diesem Experiment gezeigt, dass dies ausschließlich durch
die Rauhigkeit einer Oberfläche bewirkt
wird. Offensichtlich ist auch die Abscherkraft abhängig von
der Art und Dimension der Rauhigkeit der Oberfläche, als auch durch durch die
chemische Zusammensetzung der Oberfläche."
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Wie
Buser et al. betonen (Ibid S. 890), „bleibt es unklar, welcher
Prozentsatz des Knochen-Implantat-Kontakts erforderlich ist, um
ausreichende Verankerung im Knochen für ein Implantat zu erreichen, damit
eine Langzeitfunktion als belastbares Instrument erfolgreich garantiert
ist." Ebenfalls
zeigen Wennerberg et al. in der Publikation „Design and Surface Characteristics
of 13 Commercially Available Oral Implant Systems", Int. J. Oral Maxillofacial
Implants 1993, 8:622–633,
auf, dass die verschiedenen untersuchten Implantate erheblich in
der Oberflächenbeschaffenheit
variierten, und kommentieren: „Es
ist nicht bekannt, welche der Parameter für die Oberflächenrauhigkeit
am besten den Erfolg eines Implantats beschreibt und vorhersagt" (S. 632).
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Jedoch
betrachten die Erkenntnisse in solchen Publikationen nicht den Effekt,
den das mechanische Implantatdesign auf den Grad der Stabilität und folgerichtig
die Vorhersehbarkeit der ungestörten Einheilung
hätte.
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Nano-Wissenschaft
und Nano-Technologie ist zur Zeit ein Hauptthema der fundierten
Oberflächenforschung.
Es ist bekannt, dass die Chemie und Topographie an festen Oberflächen und
der Implantat-Knochen-Kontaktfläche
eine wichtige Rolle bei vielen Anwendungen spielen, wie z.B. Adhäsionsfähigkeit,
Adsorption, Benetzbarkeit und Friktion. Nanostrukturen haben sich
als weitaus effektiver erwiesen als Strukturen im Mikrobereich in
Bezug auf Protein-Anlagerung, Collagen- und Zellbindung. Zur Zeit werden
diese Nanostrukturen durch kontrollierte Zusammensetzung von Polymeren
hergestellt.
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In
einer kürzlichen
Studie an der Universität von
Alabama, Department of Chemistry, Dr. Hircham Fenniri in Kooperation
mit Dr. Thomas Webster der Purdue Universität, wurden Titanimplantate mit
und ohne „Nanotube-Oberfläche" Osteoblasten ausgesetzt.
Die Studiengruppe fand heraus, dass sich bei den Nanotube-beschichteten
Implantaten 30% mehr Osteoblasten angelagert hatten. (Ai Lin Chun
et al. 2004, Nanotechnology 15 S234–S239 Helical rosette nanotubes:
a more effective orthopaedic implant material).
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Eine
Art von zahnärztlichen
Implantaten, die in der Industrie gebräuchlich ist, wird typischerweise als „Schraub"-Implantat bezeichnet.
Der distale Teil des Implantatkörpers
wird üblicherweise
mit einer rauen Oberfläche
versehen, die die Oberflächengeometrie
des Implantats verändert.
Die gegenwärtigen Methoden
der Oberflächenstrukturierung
von dentalen Implantaten sind üblicherweise
Anrauung durch Bestrahlung mit Partikeln wie Aluminiumoxid oder
Titan und/oder Säureätztechniken.
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Während der
Operationstechnik zur Implantatinsertion wird ein Bohrloch im Knochen
entsprechend dem Umfang des Implantats vorgebohrt, damit ein enger
Kontakt zwischen Implantatkörper
und umgebenden Kieferknochen entsteht. Das Gewinde auf dem Implantatkörper schraubt
sich vorzugsweise durch eine Selbstschneidefähigkeit ein, um eine hohe Primärstabilität zu erreichen.
Diese Primärstabilität ist ein
mechanischer Faktor, der die Gefahr der Mikrobewegung am „Interface" zwischen Implantatoberfläche und
umgebenden Knochen minimiert. Hohe Primärstabilität reduziert das Risiko einer
ausbleibenden Osseointegration.
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Eine
besondere Situation für
die Implantatinsertion besteht sofort nach Extraktion von natürlichen Zähnen. In
diesem Fall muss ein dentales Implantat im Kieferknochen verankert
werden, der bisher die Zahnwurzel umgeben hat, während der Kieferkamm einen
knöchernen
Defekt in der Größe der vorherigen Zahnwurzel,
die sogenannte Alveole, aufzeigt. Die äußere Oberfläche dieser Alveole besteht
aus einem dichten Kortikalknochenbereich, der zur Verankerung der
Implantates genutzt werden sollte, um eine optimale kortikale Abstützung und
nachfolgende hohe Primärstabilität zu erreichen.
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Eine
makro- und mikro-angerauhte Oberfläche auf dem Gewinde beeinträchtigt die
Schärfe
der Schnittkerben und reduziert den innigen Kontakt zwischen Implantatoberfläche und
unversehrtem Knochen.
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Schart
schneidende, selbstschneidende Gewinde mit bedeutender Gewindetiefe
sind für
die Primärstabilität optimal.
Die Gewindetiefe sollte angepasst sein für die Sofortimplantation. Um
den kortikalen Knochen der Alveole zu erhalten, sollte der Gesamtdurchmesser
des Implantats gleich oder geringer sein als die Alveole. Mit zunehmender
Knochendicke in der Umgebung der Extraktionswunde sollte die Gewindetiefe
und der äußere Implantatdurchmesser
zunehmend größer sein,
um eine optimale Verankerung und nachfolgend eine gute Verteilung der
okklusalen Kaukräfte
innerhalb des mittleren Bereichs des Implantats zu erreichen. Während der Einheilungsphase
sollten die Bereiche der Implantatoberfläche, die in Kontakt mit dem
umgebenden Knochen sind, vorzugsweise topographische Eigenschaften
aufweisen, die eine Knochenanlagerung fördern.
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Somit
besteht ein Bedarf an verbessertem Gewindedesign von zahnärztlichen
Implantaten mit garantiert selbstscheidendem Gewinde und nanostrukturierter
Oberfläche.
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Die
gebräuchlichen
Techniken der Herstellung von dentalen Implantaten mit angerauter
Oberfläche
beeinträchtigen
die Selbstschneideeigenschaften des Implantats, besonders die Schärfe der Schneidekanten.
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3. Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein Rasterelektronenmikrograph (REM) eines Schraubimplantats vorbekannten
Designs mit makro- und mikro- angerauter Oberfläche und beeinträchtigter
Geometrie sowie stumpfen Schneidekanten
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2 ist
ein Rasterelektronenmikrograph (REM) eines erfindungsgemäßen Schraubimplantats mit
nanostrukturierter Oberfläche
und nicht beeinträchtigter
Geometrie sowie scharten Schneidekanten
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3 ist
ein Rasterelektronenmikrograph (REM) eines erfindungsgemäßen Schraubimplantats mit
nanostrukturierter Oberfläche
in höherer
Vergrößerung und
zeigt die homogene Nanostruktur, die eine interkonnektierende Porosität unterhalb
eines Mikron bildet
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4 ist
ein Rasterelektronenmikrograph (REM) eines erfindungsgemäßen Schraubimplantats mit
nanostrukturierter Oberfläche
in höherer
Vergrößerung und
zeigt die Anlagerung von Osteoblasten an die Oberfläche
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5 zeigt
ein erfindungsgemäßes Schraubimplantat
in einer axialen Schnittansicht
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4. Ausführliche
Beschreibung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung wird in den Ansprüchen definiert und bezieht
sich auf ein Implantat, das sofort belastbar ist und verbesserte
Osseointegrationseigenschaften besitzt. Das Implantat besteht aus
Titan oder einer Titanlegierung und ist für die Implantation in Knochen
geeignet, insbesondere Kieferknochen. Das Implantat ist mindestens
teilweise mit einer homogenen Nanostruktur-Oberfläche versehen,
die zelluläre
Reaktionen und Knochenanlagerung fördert, wodurch die Oberflächenstruktur
die Implantatdesignmerkmale wie die Schärfe der Schneidekanten nicht
maßgeblich
beeinträchtigt.
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Es
wurde festgestellt, dass eine nanostrukturierte Oberfläche biomemetische
Eigenschaften aufweist bezüglich
Proteinadsorption, Collagen- und Zellbindung, Zelldifferenzierung
und Knochenanlagerung. Die Herstellung einer solchen nanostrukturierten
Oberfläche
wurde durch die Installation eines validierten Hochtemperatur – Subtraktionsverfahrens umgesetzt,
indem chemische Ätzung
mit einer Mischung aus anorganischen Säuren vorgenommen wurde als
Resultat zahlreicher Experimente mit nachfolgender REM-Analyse.
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Die
Osseointegration wird definiert als der feste Verbund von Knochen
mit einer Implantatoberfläche
als Resultat eines Heilungsprozesses nach Insertion eines Implantats.
Die Einheilungszeit wird nicht nur durch die Implantatoberflächeneigenschaften
beeinflusst, sondern auch durch die Distanz der nicht traumatisierten
Knochenanteile zu der Implantatoberfläche. Die Insertion eines Implantats,
das Unregelmäßigkeiten
an der äußeren Geometrie
im Sinne einer Mikro- und Makro-Rauhigkeit besitzt, führt zu einem
Ankratzen des umgebenden Knochens und nachfolgendem vergrößerten Bereich
von traumatisiertem Knochen. Ein Implantat analog der vorliegenden
Erfindung führt
zu einem minimierten Spalt zwischen Implantatoberfläche und
nicht traumatisiertem Knochen und nachfolgend zu einer beschleunigten Knochenausheilung.
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Das
Operationstrauma der Implantatinsertion ist auch abhängig von
der Knochenquantität,
die durch einen Bohrvorgang vor der Implantatinsertion entfernt
werden muss. Außerdem
ist die Höhe
der Primärstabilität von der
Verankerung des Implantats durch die eingreifenden Gewinde abhängig. Ein
Implantat nach vorliegender Erfindung ist für gering-traumatische Insertion
und optimale Verankerung optimiert, da das Knochenvolumen, das vor
der Implantatinsertion entfernt werden muss, nur den kleineren Implantatkerndurchmesser
betrifft, während
die tiefen eingreifenden schart schneidenden Gewinde eine erhöhte Verankerung
in engem Kontakt mit einem größeren Bereich
von nichttraumatisiertem Knochen ermöglicht.
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Es
wird ein Implantat mit Gewinde für
die gering-traumatische Insertion in ein vorgebohrtes Knochenlager
im Kiefer vorgestellt, das eine primäre Stabilität sowie initialen Knochenkontakt
erreicht. Das Implantat (1) hat ein Gewinde (2)
zum Einschrauben in einen Kiefer und einem Halteabschnitt (3)
zum Halten von Zahnersatz. Solche Implantate sind bekannt, sie werden
meist in den Kiefer an der Stelle eines extrahierten oder ausgefallenen
Zahns durch Einschrauben eingesetzt, um dort den Zahnersatz zu halten.
Hierbei kann ein Ersatz für
einen einzelnen Zahn oder, bei Verwendung mehrerer Kieferimplantate,
ein Ersatz mehrerer Zähne
verwendet werden.
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Zum
Halten weist das Kieferimplantat einen Pfosten auf, der an dem Teil
des Kieferimplantates, der mit dem Gewinde zum Einschrauben in den
Kiefer versehenen ist, ein- oder mehrstückig angesetzt ist. Im Übergangsbereich
des gewindebewährten Teils
zum Pfosten ist vielfach ein Schaft ausgebildet, der im eingesetzten
Zustand des Kieferimplantates im Bereich der Gingiva angeordnet
ist.
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Das
beschriebene Implantat (1) hat mindestens teilweise eine
topographische nanostrukturierte poröse Oberfläche in den Bereichen, in denen
das Implantat in Kontakt zu dem umgebenden Kieferknochen treten
soll, um Knochenanlagerung zu ermöglichen. Der Gewindebereich
(4) besteht aus multiplen V-förmigen Schnittkerben zur Scharfschneide-
und Gewindeeingriff-Eigenschaft.
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Zur
Insertion eines Implantats nach der vorliegenden Erfindung ist es
lediglich erforderlich, das Volumen des Implantatschaftkörpers (5)
im Knochen vorzubohren. Dieser Implantatschaftkörper ist im Volumen geringer,
um das Operationstrauma zu reduzieren. Der Gewindebereich hat tiefe
eingreifende Gewinde zur optimalen Verankerung in spongiösem Knochen.
Der Gewindebereich hat einen maximalen Durchmesser im mittleren
Implantatbereich, der sich in beiden Richtungen verringert, um eine
leichte Insertion und belastungsfreien Kontakt im dichten Kieferkammbereich
zu gewährleisten.