BSP in der Implantatbeschichtung

BSP verbessert Einwachseigenschaften von Knochenimplantaten

Das Matrixprotein Bone Sialoprotein (BSP) stellt — neben Osteocalcin, Osteopontin und Osteonektin — einen Großteil der nicht-kollagenen Proteine in der extrazellulären Knochenmatrix dar. Die Expression von BSP erfolgt zeitgleich mit der initialen Knochenmineralisierung und bildet einen Kristallisationspunkt für die Hydroxylapatit-Bildung, die der Knochenbildung zugrunde liegt (Hilbig et al. 2005).

Diese Eigenschaften erklären, warum Knochenimplantate, die zuvor mit BSP beschichtet wurden, deutlich verbessert in den Knochen einwachsen.

Vorteile der Implantatbeschichtung mit BSP

Grenzschicht zwischen Implantat und Knochen — entscheidend für Bioverträglichkeit

Die Langzeitstabilität von Knochenprothesen, insbesondere von Zahnimplantaten, hängt neben den Werkstoffeigenschaften des Implantats auch davon ab, wie schnell und stabil das Implantat mit dem Knochengewebe verwächst. Eine Vergrößerung der Implantat-Oberfläche und der Knochenkontaktzone kann eine stabilere Verankerung mit dem lebenden Knochengewebe bewirken. Die Bioverträglichkeit des Implantatwerkstoffes wird an der Grenzschicht zwischen Implantat und Knochen bestimmt — und gerade dort entfaltet eine bioaktive Beschichtung mit BSP ihre Wirkung.

1. BSP erleichtert das Grenzflächenwachstum

In der zahnärztlichen Implantologie werden glatt polierte Titan-Werkstoffe häufig zusammen mit biokompatiblen Titanbeschichtungen verwendet. Implantate mit porösen Oberflächen heilen besser im Knochen ein, da eine rauhe Oberflächenstruktur mit Rillen die Zellanlagerung fördert. Eine Porengröße von etwa 100 µm ist nach Studien optimal für das Einwachsen in den Knochen und die langzeitstabile knöcherne Integration.

Titan-Werkstoffe mit Porengrößen kleiner als 1 µm tragen jedoch zahlreiche Abriebpartikel auf der Materialoberfläche, die in vitro deutlich das Knochenzellwachstum hemmen. Glatte Implantat-Oberflächen liefern zwar gute Druck- und Scherfestigkeit, bieten gegenüber Oberflächen mit Porenstruktur aber einen schlechteren Halt bei Zugbelastung.

In den bislang veröffentlichten Patenten zu diesem Thema liegt der Schwerpunkt vor allem in der Adsorption von Kollagen an Titanoxid-Oberflächen und der optimalen Aufbereitung knochen­ähnlicher Hydroxylapatit-Strukturen an der Grenzfläche von Implantaten. Nachteilig an diesen Implantatwerkstoffen und Beschichtungen ist jedoch, dass das Knochenzellwachstum in unmittelbarer Nähe des Implantatkörpers sehr langsam ist.

Eine normale Geschwindigkeit beim Knochenwachstum ist hingegen wichtige Voraussetzung für Knochenumbau, Knochenmatrixbildung, Knochenreifung und schließlich Heilung des Knochens mit physiologischer Mineralisation. Entscheidend dabei ist, dass Stammzellen aus dem Mesenchym zu Osteoblasten heranreifen, die dann die für die Knochenmatrixbildung und Implantatintegration erforderlichen Proteine herstellen. Das Vorhandensein nicht-kollagener Knochenmatrix-Proteine wie BSP oder OPN (Osteopontin) in solchen Wachstumszonen ist ein Beleg für die erfolgreiche Neubildung von Knochenmatrix (Hilbig et al. 2005).

2. Kiefer-Implantologie: schnellere und dauerhafte Zugfestigkeit

BSP fördert das Knochenwachstum an der Grenzfläche des Implantates, so dass die Implantate schon nach kurzer Zeit sowohl druck-, scher- als auch zugbelastbar werden. Mit BSP steht Implantatherstellern damit ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Titan-Werkstoffen zur Verfügung, das die hemmende Wirkung der Titan-Abriebpartikel auf die Reifung der Osteoblasten aus Stammzellen des Knochenmarks neutralisiert.

3. Humanes BSP beseitigt Zelltoxizität der Mikropartikel am Implantat

Ein weiterer wichtiger Aspekt der Nutzung von BSP zur Implantatbeschichtung ist die Verminderung der Zelltoxizität vieler Werkstoffe für Knochenimplantate und Knochenprothesen. Das hochreine humane Biopolymer BSP bindet Feinstaubpartikel aus der Fertigung. Dieses Verfahren empfiehlt sich besonders für die Behandlung von Werkstoffen aus Titan oder mit einer Oberflächenschicht aus Titan bzw. Titanoxid.

4. BSP-Beschichtung verringert die Aktivierung des Immunsystems

Die Beschichtung von Implantaten durch humanes BSP bewirkt, dass das Implantat vom Körper nicht mehr als fremd erkannt wird. Abstoßungsreaktionen werden verringert und das Einwachsen des Implantats wird dadurch erleichtert.

Veröffentlichungen

• Hilbig H et al. (2005). Effects of dental implant surfaces on the expression of bone sialoprotein in cells derived from human mandibular bone. Medical Science Monitor 11(4): BR111–115.
• Wiener Th et al. (2003). In vitro development of human mandibular bone: bone sialoprotein expression and mineralization. Poster, Anatomentagung Dresden 2003.
• Hilbig H et al. (2005). Effects of surface coatings using bone sialoprotein, collagen, and fibronectin on cells derived from human maxillar bone. Poster, Biotechnologie-Tag, 03.06.2005, Biozentrum Dresden.

Patente