piezobrush® PZ2
Plasmabehandlung auf Titanoberflächen bei Implantaten

Wirkung der Plasmabehandlung einer Titanoberfläche auf das Gewebe um das Implantatmaterial

Einleitung:

Autoren: Tsujita, H.; Nishizaki, H.; Miyake, A.; Takao, S. & Komasa, S.

Publikation: Effect of Plasma Treatment on Titanium Surface on the Tissue Surrounding Implant Material, International Journal of Molecular Sciences, 2021, 22.

Zuerst veröffentlicht: https://www.mdpi.com/1422-0067/22/13/6931

Die Wirkung von kaltem Atmosphärendruckplasma auf eine Titanoberfläche wurde mittels REM, XPS, Kontaktwinkelmessungen, Zellmorphologie und ROS untersucht. Außerdem wurden die Implantate zur in vivo Analyse in den Oberschenkelknochen von Ratten implantiert. Anschließend wurde nach acht Wochen das Einwachsverhalten mittels CT-Analyse und histologischer Analyse untersucht.

Sowohl die in vitro als auch die in vivo Analyse zeigen eine veränderte Titanoberfläche, die zu einer besseren Benetzbarkeit und damit zu einer erhöhten Knochenneubildung im Gewebe um das Implantat führt.

Übersicht über Analysen
Abb. 1. Das Studiendesign wird dargestellt. Die Experimente lassen sich in zwei Bereiche unterteilen. Zum einen soll festgestellt werden, wie sich die Atmosphärendruck-Plasmabehandlung auf der Titanoberfläche auf die Materialoberfläche auswirkt. Der andere ist eine in vivo Analyse, für die Rattenoberschenkelknochen genutzt wurden. Acht Wochen nach der Implantation wurde die Ratte eingeschläfert, und der Oberschenkelknochen wurde zusammen mit dem Implantat entfernt, woraufhin eine CT-Analyse und eine histologische Untersuchung durchgeführt wurden.

Zusammenfassung:

Die Wirkung der Oberflächenstruktur von Titan auf die Knochenbildung ist Gegenstand mehrerer Untersuchungen. Insbesondere die Behandlung mit kaltem Atmosphärendruckplasma zeigt hierbei vielversprechende Ergebnisse. Während sich die meisten Untersuchungen auf in vitro Untersuchungen konzentrieren, verbindet diese Arbeit von Tsujita et al. die Oberflächencharakterisierung mit Untersuchungen der in vivo Hartgewebeintegration.

Dabei wurden Titanimplantate 30 Sekunden lang in einem Abstand von 10 Millimetern mit kaltem Atmosphärendruckplasma behandelt, das vom piezobrush® PZ2 erzeugt wurde. Das Prozessgas wurde von dem Gerät aus der Umgebungsluft erzeugt.

Die Oberflächeneigenschaften wurden anschließend mittels REM und Kontaktwinkelanalyse untersucht. Hierbei ergab die REM-Analyse, dass die Oberflächenstruktur durch die Plasmabehandlung nicht verändert wurde. Die im Folgenden durchgeführte XPS-Analyse zeigt, dass dieWirkung des Plasmas auf einer Oberflächenmanipulation auf atomarer Ebene beruht, was zu einer geringeren Kohlenstoffbelastung der Oberfläche führt. Der Wasserkontaktwinkel betrug vor der Behandlung 32°, nach der Plasmabehandlung war das Implantat superhydrophil.

REM-Bild von plasmabehandelten und unbehandelten Titanschrauben
Abb. 2. REM-Bild von plasmabehandelten (a, c) und unbehandelten (b, d) Titanschrauben.

Die Gewebeintegration von Implantaten hängt stark vom Zelladhäsionsverhalten ab. Daher wurde die Haftung von RBMC-Zellen untersucht. Während die Zellen auf dem unbehandelten Titan (Abb. 3 b, d) eine ovale Form haben, sind die Zellen auf dem behandelten Titan (Abb. 3 a, c) vergrößert und fadenförmige Pseudopodien entstehen.

REM-Bilder von RBMC-Zellen auf Titanplatten zeigt die Wirkung der Plasmabehandlung von Titan
Abb. 3. REM-Bilder von RBMC-Zellen auf Titanplatten. Links: plasmabehandelt, rechts: unbehandelt.

Zusätzlich zu den in vitro Versuchen wurden plasmabehandelte und unbehandelte Titanimplantate in den Oberschenkelknochen von Ratten implantiert. Hierauf wurde  das Implantat nach acht Wochen Heilung weiter untersucht. In Abbildung 4 sieht man eine dreidimensionales Computertomografie-Aufnahme des Implantats. Darauf ist deutlich zu erkennen, dass die Knochenneubildung bei dem behandelten Implantat höher ist (Abb. 4 a) als bei dem unbehandelten Implantat (Abb. 4 b).

Dreidimensionale Computertomografie zeigt die Wirkung der Plasmabehandlung von Titan
Abb. 4. Dreidimensionale Computertomografie des plasmabehandelten (a) und des unbehandelten (b) Implantats acht Wochen nach der Implantation.

Aus der nachfolgenden quantitativen histomorphometrischen Analyse (Abb. 5) konnten sowohl das Knochenflächenverhältnis (bone-to-area ratio, BA) als auch der Knochen-Implantat-Kontakt (bone-to-implant contact, BIC) bestimmt werden. Beide Werte sind bei den plasmabehandelten Implantaten stark erhöht. In Kombination mit dem histopathologischen Bild des Knochengewebes um das Implantat und der fluoreszenzmarkierten dynamischen Gewebemorphometrie konnten eine frühe verbesserte Osseointegration und Bildung von Hartgewebe bestätigt werden.

Quantitative histomorphometrische Analyse des Knochenflächenverhältnisses und des Knochen-Implantat-Kontakts
Abb. 5. Quantitative histomorphometrische Analyse des Knochenflächenverhältnisses (RA) und des Knochen-Implantat-Kontakts (BIC).

Die durchgeführten Analysen zeigen, dass eine frühzeitige Osseointegration wichtig ist, um eine anfängliche Stabilität nach der Implantation zu erreichen. Die Untersuchung umfasste  dabei Kontroll- und Versuchsgruppen mit unbehandelten bzw. mit mittels piezobrush® mit Atmosphärendruckplasma behandelte Titanproben. Für die in vivo Versuchewurden die Oberschenkelknochen von Ratten verwendet. Die letztlich durchgeführte Micro-CT-Analyse zeigte, dass in der Testgruppe mehr neuer Knochen gebildet wurde als in der Kontrollgruppe. Ähnliche Ergebnisse erbrachte auch die histologische Analyse. Somit konnte die mit Atmosphärendruckplasma behandelte Titanschraube auch in vivo eine starke Differenzierung des Hartgewebes bewirken.

Lesen Sie den gesamten Bericht hier.

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