Auswirkungen der Plasmabehandlung auf die Bioaktivität

von alkalibehandelten Ceroxid-stabilisiertem Zirkoniumdioxid-/Aluminiumoxid-Nanokompositen (NANOZR)

Autoren: Takao, S.; Komasa, S.; Agariguchi, A.; Kusumoto, T.; Pezzotti, G. & Okazaki, J.,

Publikation: Effects of Plasma Treatment on the Bioactivity of Alkali-Treated Ceria-Stabilised Zirconia/Alumina Nanocomposite (NANOZR), International Journal of Molecular Sciences, 2020, 21.

Zuerst veröffentlicht: https://www.mdpi.com/1422-0067/21/20/7476/htm

Zusammenfassung:

Zirkoniumdioxidkeramiken, wie z.B. Ceroxid-stabilisierte Zirkoniumdioxid-/Aluminiumoxid-Nanokomposite (nano-ZR), werden aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen Eigenschaften als Implantatmaterial eingesetzt. Um eine ausreichende Biokompatibilität zu erreichen, ist jedoch eine Oberflächenbehandlung erforderlich. In der vorliegenden Studie wurde die Oberflächenfunktionalisierung des Materials mit Plasma untersucht und die anfängliche Adhäsion von mesenchymalen Stammzellen aus Rattenknochenmark, ihre osteogene Differenzierung und die Produktion von Hartgewebe auf plasmabehandeltem, alkalimodifiziertem nano-ZR bewertet.

Auswirkungen der Plasmabehandlung auf die Bioaktivität von Implantaten — ^{Bild 1. Mit REM- und SPM-Messungen konnten keine Veränderungen der Oberflächenstruktur und Rauhigkeit durch die Plasmabehandlung festgestellt werden. Dagegen sinkt der Wasserkontaktwinkel von 63° auf 0°. XPS-Messungen zeigen, dass der Kohlenstoffanteil an der Oberfläche verringert, während der Sauerstoff- und Zirkonium-Anteil steigt.}

In dieser Arbeit wurde der piezobrush^® PZ2 von relyon plasma zur Modifizierung der Oberflächeneigenschaften von nano-ZR-Proben mit kaltem Atmosphärendruckplasma genutzt. Die Oberflächeneigenschaften wurden bewertet. Außerdem wurden in-vitro– und in-vivo-Studien durchgeführt. Die Oberflächenstruktur von Implantaten ist gut definiert. Daher ist es wichtig, dass eine Vorbehandlung von Zahnimplantaten nur die Biokompatibilität verändert, während die mechanischen Eigenschaften wie z.B. die Rauheit unverändert bleiben. Die Oberflächeneigenschaften wurden mit Rasterelektronenmikroskopie REM (scanning electron microscopy, SEM), Rastersondenmikroskopie (scanning probe microscopy, SPM), Kontaktwinkelmessung und Röntgenphotoelektronenspektroskopie (x-ray photoelectron spectroscopy, XPS) untersucht. Mit REM und SPM konnten keine Veränderungen zwischen der Referenz und der plasmabehandelten Sonde festgestellt werden. Dies zeigt, dass die Oberflächenrauheit konstant bleibt und die makroskopische Oberflächenstruktur nicht durch die Behandlung beeinträchtigt wird. Bei der Kontaktwinkelmessung ergibt sich jedoch ein ganz anderes Bild. Der ursprüngliche Kontaktwinkel von 63° konnte auf 0° reduziert werden, was auf eine Superhydrophilie hinweist. Dies kann durch die XPS-Daten erklärt werden. Der Kohlenstoffanteil auf der Oberfläche nimmt ab, während der Oxid- und Zirkoniumpeak zunimmt. Dies deutet auf eine Entfernung von kohlestoffhaltigen Verunreinigungen hin, die das Zirkoniumdioxid freilegen.

^{Bild 2. Mit Fluoreszenzmikroskopie wurde der Anteil und die Morphologie von rBMMSCs und HUVECs auf unbehandelten und behandelten Zirkon-Proben untersucht.}

Mit Fluoreszenzmessungen wurde die Zelladhäsion von mesenchymalen Stammzellen aus Rattenknochenmark (rat bone marrow mesenchymal stem cells, rBMMSCs) und menschlichen Nabelvenenendothelzellen (human umbilical vein endothelial cells, HUVECs) in-vitro analysiert. Die Zell-Substanz-Interaktionen gehören zu den ersten Ereignissen, die zwischen dem Implantatmaterial und dem Körper stattfinden, wenn das Implantat nach der Implantation einwächst. Durch die Kaltplasmabehandlung konnte nicht nur die Anzahl der an der Implantatoberfläche haftenden Zellen erhöht werden, sondern es konnte auch eine Dehnung der Zellen beobachtet werden. Dies deutet darauf hin, dass Veränderungen der Oberflächenstruktur mit der anfänglichen Adhäsion und Proliferation verschiedener Zellen verbunden sind. Die Beobachtung der Reaktion von HUVECs auf die Materialoberfläche nach einer Implantation ist ein wichtiger Indikator für die Wundheilung.

^{Bild 3. 3D-Makro-CT-Bilder zeigen einen erhöhten Anteil an Knochenmasse (grün) bei den plasmabehandelten Zirkon-Implantaten (rot).}

In-vivo-Experimente wurden an Implantaten, die in den Oberschenkelknochen von Ratten implantiert wurden, durchgeführt. Nach acht Wochen wurden weitere Untersuchungen durchgeführt. Im dreidimensionalen Makro-CT wird die erhöhte Knochenmenge (grün) um das plasmabehandelte Zirkonoxidimplantat (rot) deutlich. Quantitativ wurde dies anhand des Verhältnisses von Knochenmasse zu Gesamtmasse (BV/TV), der durchschnittlichen Trabekelanzahl (average trabecular number, Tb.N), der durchschnittlichen Trabekeldicke (average trabecular thickness, Tb.Th) und der Trabekelseparation (trabecular separation, Tb.Sp) bewertet. Mit Ausnahme des letzten Wertes wurden alle diese Werte für die plasmabehandelten Proben als signifikant höher ermittelt. Alle diese gemessenen Parameter deuten auf eine stabilere Integration des Implantats acht Wochen nach der Implantation durch die Plasmabehandlung hin.

^B^{ild 4. Histologische Schnitte von unbehandelten (links) und behandelten Zirkonimplantaten.}

Die Knochenneubildung wurde durch histologische Schnitte weiter untersucht. Nicht nur das Knochenflächenverhältnis (bone area ratio, BA), sondern auch der Knochen-Implantat-Kontakt (bone-to-implant contact, BIC) wurde durch die Plasmabehandlung erhöht. Beides sind Hinweise auf die Qualität der Osseointegration.

In dieser Veröffentlichung wurden die Auswirkungen der Behandlung von Nano-ZR-Implantaten mit kaltem atmosphärischem Plasma auf die Bioaktivität von Implantaten untersucht. Während die Plasmabehandlung die Rauheit des Implantats nicht beeinträchtigt, konnte Superhydrophilie erreicht werden. In in-vitro– und in-vivo-Studien konnte eine schnellere und bessere Protein-, Zell- und Knochenadhäsion gemessen werden, woraus schließen lässt, dass die atmosphärische Plasmabehandlung als prothetische Behandlungsoption für Patienten mit Metallallergie nützlich ist.

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