Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-4268
In der vorliegenden Arbeit wurden Verfahren entwickelt, um die Oberfläche von Zahnimplantaten
gezielt zu modifizieren. Ein wesentliches Merkmal war die Applikation einer porösen
Beschichtung auf den im Kontakt mit dem Knochen stehenden Bereich des Zahnimplantats.
Hierzu wurde die am IEF-1 etablierte pulvermetallurgische Platzhaltermethode
weiterentwickelt. Die Ermittlung der optimalen Verfahrensparameter basierte unter anderem
auf einer Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften, speziell der Druck- und Ermüdungsfestigkeit,
an Modellgeometrien. Der Nachweis der prinzipiellen Funktion der Zahnimplantate
wurde in einem modifizierten Ermüdungstest nach ISO 14801 erbracht. Dieser
zeigte, daß die entwickelten Zahnimplantate mit offen-poröser Beschichtung bis zu 2 Millionen
Zyklen ohne Schaden überstehen. An den zwei am aussichtsreichsten bewerteten
Implantatgeometrien wurden mit Hilfe der Finiten Element Methode (FEM) verschiedene
Belastungssituationen simuliert. Zuerst wurde die Spannungsverteilung in den Implantaten bei
der Ermüdungsprüfung berechnet. Anschließend wurde die Belastung im Kieferknochen unter
Berücksichtigung unterschiedlicher Einwachsgrade des Knochens in die poröse Struktur modelliert.
Durch die FEM-Berechnungen wurde deutlich, daß mit steigendem Einwachsgrad des
Knochens in die poröse Struktur die Belastung der einzelnen Komponenten abnimmt. Durch
Simulation extremer Belastungsfälle konnten die hauptbelasteten Komponenten des Zahnimplantats
identifiziert werden.
Zur Verbesserung der Biokompatibilität des Zahnimplantats wurden zwei Beschichtungskonzepte
untersucht. Um das Einwachsen von Knochengewebe in die poröse Struktur zu beschleunigen,
wurde durch einen elektrochemischen Beschichtungsprozeß eine bioaktive Calciumphosphatschicht
auf die poröse Titanstruktur aufgetragen. Hier bildet sich nur am Rand
der Probe eine kristalline Schicht, die 1…2 Porenlagen in die poröse Struktur eindringt. Mittels
EDX wurde die Bildung einer Zwischenschicht nachgewiesen, die durch die beginnende
Umwandlung der primär gebildeten Brushit-Phase in Hydroxylapatit entsteht. Vermutlich
aufgrund der kantigen Form der Kristallite wies die Schicht bei Zellkulturexperimenten eher
ungünstige Eigenschaften auf. Als zweites Beschichtungskonzept wurde mittels Elektronenstrahlverdampfen
eine Zirkondioxidschicht auf massivem Titan aufgetragen und untersucht.
Deren Ziel ist es, den Kontakt zwischen Zahnfleisch und Implantat zu verbessern. Bei der
Zirkonoxidschicht zeigte sich eine starke Abhängigkeit der Schichtmorphologie von der Substrattemperatur
während der Beschichtung. Durch Zellkulturexperimente konnte nachgewiesen
werden, daß Fibroblasten auf Zirkondioxid dichter anwachsen als auf Titan.
Implants are increasingly gaining importance in modern medicine. For loaded implants, such
as dental and hip implants, metallic materials are predominantly employed. Their excellent
biocompatibility together with their advantageous mechanical and physical properties mean
that titanium and its alloys have a high potential for use as long-term implants. To improve
the quality of the connection between tissue and implant, the surface of metallic implants can
be specifically modified. Surface keying and open porous coatings have proven beneficial.
Additionally, the coating of the implant with bioactive materials, such as calcium phosphates,
can accelerate the healing process and can also improve the primary stability of the implant in
the bone.
In this dissertation, different techniques are developed that systematically modify the surface
of dental implants. An essential feature is the application of a porous coating to the area of the
dental implant that is in contact with the bone. For this purpose, the powder-metallurgical
space holder method, developed at IEF-1, was advanced. The evaluation of the ideal process
parameters was based on the characterization of mechanical properties, especially the compression
strength and the fatigue strength, for model geometries. Evidence of the principal
functionality of the implants was supplied by a modified fatigue test according to ISO 14801.
This test showed that the developed implants with an openporous coating can withstand up to
2 million cycles without damage. For the two most promising implant geometries, different
loading conditions were simulated using the finite element method (FEM). First, the load distribution
within the implants during the fatigue test was calculated. Then, the loading in the
jaw-bone was modelled, taking into account different rates at which bone grew into the porous
structure. FEM calculations demonstrated that the loading of the individual implant components
decreases with increasing bone content in the porous structure. The simulation of
extreme loading conditions identified the main loaded components of the dental implants.
In order to improve the biocompatibility of dental implants, two coating techniques were examinated.
To accelerate the growth of bone tissue into the porous structure, a bioactive calcium
phosphate layer was applied to the porous titanium structure by an electrochemical
process. A crystalline layer formed at the edge of the sample only and only infiltrated the first
1…2 pore layers of the porous structure. The formation of an intermediate layer was detected
by EDX. This layer can be attributed to the incipient conversion of the brushite phase to hydroxyapatite.
The angular form of the crystals is probably the reason behind the disadvantageous
properties observed during cell culture experiments. A second coating technique consisted
of applying a zirconia layer to dense titanium by electron beam evaporation. The aim
was to improve the quality of the contact between the gingiva and the implant. The coating
morphology of the zirconia layers showed a strong dependence on the substrate temperature
during the coating process. Cell culture experiments revealed that fibroblasts adhere better to
zirconia than to titanium.
Schiefer, Herwig
Entwicklung und Charakterisierung von Zahnimplantaten mit definierter Porosität und biokompatiblen Beschichtungen
IX, 148 S., 2008
Implantate gewinnen in der modernen Medizin zunehmend an Bedeutung. Für lasttragende
Implantate, z. B. Zahnimplantate und Hüftimplantate, werden hauptsächlich metallische
Werkstoffe eingesetzt. Titan und seine Legierungen besitzen hierbei aufgrund der ausgezeichneten
Biokompatibilität in Kombination mit günstigen mechanischen und physikalischen Eigenschaften
das größte Potential für Langzeitimplantate. Um die Qualität der Verbindung
zwischen Gewebe und Implantat weiter zu verbessern, kann die Oberfläche metallischer
Implantate zusätzlich gezielt modifiziert werden: Als vorteilhaft haben sich das Aufrauhen der
Oberfläche bzw. der Auftrag offen-poröser Schichten auf das Implantat erwiesen. Zusätzlich
kann durch Beschichten des Implantats mit bioaktiven Substanzen, z. B. Calciumphosphaten,
der Einheilprozeß beschleunigt und so die Primärstabilität des Implantats im Knochen verbessert
werden.
Development and characterization of dental implants with selected porosity and biocompatible
coatings
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