In vitro Degradation eines PLA/Mg-Verbundwerkstoffs als Knochenaufbaumaterial im direkten Kontakt mit Titan- und PEEK-Implantaten

Abstract

Deutsch) ............................................................................................................. 1 Abstract (Englisch) ............................................................................................................ 2Englisch) ............................................................................................................ 2 Abkürzungsverzeichnis ..................................................................................................... 3 1. Einleitung/Fragestellung ........................................................................................ 4 2. Material und Methodik ........................................................................................ 10 3. Ergebnisse .............................................................................................................. 14 4. Diskussion .............................................................................................................. 20 5. Literaturverzeichnis ............................................................................................. 25 Eidesstattliche Versicherung........................................................................................... 29 Ausführliche Anteilserklärung an der erfolgten Publikation ...................................... 30 Auszug aus der Journal Summary List ......................................................................... 31 Druckexemplar der ausgewählten Publikation ............................................................ 32 Lebenslauf ......................................................................................................................... 41 Publikationsliste ............................................................................................................... 42 Danksagung ...................................................................................................................... 43 Tycho Zimmermann: In vitro Degradation eines PLA/Mg-Verbundwerkstoffs als Knochenaufbaumaterial im direkten Kontakt mit Titanund PEEK-Implantaten 1 Abstract (Deutsch) Das Ziel der vorliegenden Studie war die Untersuchung der Hypothese, dass bei direktem Kontakt eines neu entwickeltes Knochenersatzmaterial auf PLA/Mg-Basis in Form eines „Bone Rings“ mit dentalen Implantaten aus Titan im Verglich zu elektrochemisch inerten Implantaten aus dem Hochleistungspolymer PEEK eine Erhöhung der Degradationsrate durch galvanische Kopplung, gemessen an Hand der Wasserstoffentwicklung des Magnesiumanteils, festgestellt werden kann. Ferner bestand das Ziel, die Degradationsweise der Probenkörper in vitro zu dokumentieren und zu evaluieren. Die Probekörper in Form sog. Bone Rings wurden hergestellt, indem mit PLA umhüllte sphärischen Magnesiumpartikel zu zylindrischen Pellets gepresst wurden, in deren zentraler Bohrung jeweils ein Implantatkörper eingeschraubt wurde. Dabei wurden drei Bone Rings mit Titanimplantaten verbunden und drei weitere mit elektrochemisch inerten Implantaten aus PEEK. Die Probekörper wurden für 30 Tage bei physiologischer Temperatur in Zellkulturmedium inkubiert. Dabei wurde der bei der Magnesiumdegradation freiwerdende Wasserstoff mittels über den Proben stehender umgekehrter Büretten aufgefangen und dessen Volumen bestimmt, um Rückschlüsse über die Degradationsgeschwindigkeit zu ziehen. Nach Versuchsende wurden die Probekörper in PMMA eingebettet zur Hälfe beschliffen und deren Erscheinungsform mikrooptisch und elektronenmikroskopisch dokumentiert. Im Rahmen der Limitationen der Versuchsanordnung kam es nicht zu einer galvanischen Verstärkung der Degradationsgeschwindigkeit der PLA/Mg-Probenkörper durch den direkten Kontakt mit den Titanimplantaten im Vergleich zu elektrochemisch inerten Implantaten. Bezogen auf das Risiko einer unerwünschten galvanischen Kopplung besteht also keine Einschränkung in der eventuellen klinischen Verwendung des Verbundmaterials. Damit besteht ein klarer Vorteil im Vergleich zu reinem Magnesium und seinen Legierungen Nach den ersten drei Tagen ist die Degradation des Magnesiumanteils verlangsamt und gleichmäßig im Vergleich zu reinem Magnesium, was klinisch erwünscht ist. Zum Versuchsende zeigten die in PLA eingebetteten Magnesiumpartikel eine Stratifizierung. Ferner konnte die Bildung von konfluierenden Poren mikroskopisch dokumentiert werden. Die beobachtete Bildung von Porositäten ist möglicherweise von Vorteil für die Blutversorgung und Osteokonduktivität des Aufbaumaterials. Um die hier diskutierten, potentiell vorteilhaften Aspekte zu untermauern, sind weitere entsprechende Studien notwendig, insbesondere Zellkulturversuche und Beobachtungen über einen längeren Zeitraum. Tycho Zimmermann: In vitro Degradation eines PLA/Mg-Verbundwerkstoffs als Knochenaufbaumaterial im direkten Kontakt mit Titanund PEEK-Implantaten 2 Abstract (English) The aim of the present study was the evaluation of the hypothesis, that direct contact between a newly developed PLA/Mg bone augmentation material in the form of bone rings and titanium implants leads to an increase of degradation rate compared to an electrochemically inert implant made of the high-performance polymer PEEK through galvanic coupling, as measured by hydrogen evolution. Furthermore the in vitro degradation characteristics of the test specimens were to be documented and evaluated. The test specimens were manufactured into so called bone rings by pressing PLA-coated spherical magnesium particles to cylindrical pellets and inserting one implant each into a centrally located borehole. Three of the bone rings were combined with titanium implants and another three were combined with PEEK implants. The test specimens were incubated for 30 days in cell medium at physiological temperature. The hydrogen released by the magnesium degradation was collected via inverted burettes placed above the specimens. The measured volume of evolved hydrogen served as an indicator of magnesium corrosion speed. After conclusion of the experiment the test specimens were invested in PMMA and ground to cross sections. The appearance was recorded using optical and scanning electron microscopy. Within the limitations of the experimental design no difference in degradation speed due to galvanic coupling between titanium and PLA/Mg in direct contact could be determined as compared to the electrochemically inert control group upon conclusion of the experiment. Regarding the risk of an undesirable galvanic coupling there are consequently no restrictions to be observed in a clinical application. This constitutes a marked benefit compared to pure magnesium and its alloys. After the first three days the degradation of the magnesium component slowed down and was more or less uniform compared to pure magnesium, which is desirable in a clinical setting. At the end of the experiment the magnesium particles embedded in the PLA matrix showed signs of stratification. Furthermore, the development of confluent pores could be documented microscopically. The observed porosities could be advantageous for the blood supply and osteoconductivity of the bone replacement material. To further support the potentially beneficial aspects discussed herein, further studies are necessary, particularly cell culture tests and tests over a longer period. Tycho Zimmermann: In vitro Degradation eines PLA/Mg-Verbundwerkstoffs als Knochenaufbaumaterial im direkten Kontakt mit Titanund PEEK-Implantaten 3 Abkürzungsverzeichnis ANOVA Analysis of variance/Varianzanalyse HEPES 2-(4-(2-Hydroxyethyl)-1-piperazinyl)-ethansulfonsäure Mg Magnesium NaHCO3 Natriumhydrogencarbonat PBS Phosphate Buffered Saline PEEK Polyetheretherketon PLA Polylactic acid/Polylactid PMMA Polymethylmethacrylat POM Polyoxymethylen REM Rasterelektronenmikroskop SBF Simulated Body Fluid/Simulierte Körperflüssigkeit SiC Siliciumcarbid THF Tetrahydrofuran Tycho Zimmermann: In vitro Degradation eines PLA/Mg-Verbundwerkstoffs als Knochenaufbaumaterial im direkten Kontakt mit Titanund PEEK-Implantaten 4 1. Einleitung/Fragestellung Die vorliegende Dissertationsschrift ist Teil einer Publikationspromotion und beruht auf folgender vorausgegangener Publikation des Autors: Zimmermann T, Ferrandez-Montero A, Lieblich M, Ferrari B, GonzálezCarrasco JL, Müller WD, et al. In vitro degradation of a biodegradable polylactic acid/magnesium composite as potential bone augmentation material in the presence of titanium and PEEK dental implants. Dent Mater. 2018;34(10):1492– 500. doi: 10.1016/j.dental.2018.06.009. Die Verwendung von Implantaten zum Ersatz von Zähnen bei Zahnverlust und zur Verankerung von herausnehmbarem Zahnersatz gehört mittlerweile zu den Standardverfahren in der Zahnmedizin und wird als integraler Bestandteil der Zahn-, Mundund Kieferheilkunde bezeichnet (DGZMK, 2005). Der Prozentsatz insbesondere der älteren Patienten mit vorhandenem implantatgetragenem Zahnersatz nimmt in Deutschland von Jahr zu Jahr zu. So wurde in der vierten deutschen Mundgesundheitsstudie (DMS IV) im Jahre 2005 bei 2.6% der untersuchten Senioren (Alter: 6574 Jahre) implantatgetragener Zahnersatz vorgefunden, im Vergleich zu 0,7% acht Jahre zuvor (Micheelis et al., 2006). In der fünften deutschen Mundgesundheitsstudie im Jahre 2014 wurden bereits bei 8,1% der Senioren der Stichprobe implantatgetragener Zahnersatz vorgefunden (Jordan and Micheelis, 2016). Eine weitere Zunahme ist zu erwarten, da die Implantatversorgung gegenüber ihren herkömmlichen Alternativen große Vorteile aufweist. So können zum Beispiel Einzelzahnlücken ohne Schädigung der Nachbarzähne geschlossen werden, da es bei der Verwendung von Implantatkronen anders als bei den herkömmlich verwendeten Brücken nicht zu einem traumatischem Hartsubstanzverlust durch die Präparation der Pfeilerzähne kommt. Bei zahnlosen Patienten kann eine hervorragende Retention, Funktionalität und eine Schonung der oralen Mukosa und des knöchernen Prothesenlagers erreicht werden, was zu eine