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Sonstige beteiligte Institutionen
In modern medicine hip and knee joint replacement are common surgical procedures. However, about 11 % of hip implants and about 7 % of knee implants need re-operations. The comparison of implant registers revealed two major indications for re-operations: aseptic loosening and implant infections, that both severely impact the patients’ health and are an economic burden for the health care system. To address these problems, a calcium hydroxide coating on titanium was investigated in this thesis. Calcium hydroxide is a well-known antibacterial agent and used with success in dentistry. The coatings were applied with electrochemically assisted deposition, a versatile tool that combines easiness of process with the ability to coat complex geometries homogeneously. The pH-gradient during coating was investigated and showed the surface confinement of the coating process. Surface pre-treatment altered the surface morphology and chemistry of the titanium substrates and was shown to affect the morphology of the calcium hydroxide coatings. The influence of the coating parameters stirring speed and current pulsing were examined in various configurations and combinations and could also affect the surface morphology. A change in surface morphology results in a changed adhesion and behavior of cells and bacteria. Thus, the parameters surface pre-treatment, stirring speed and current pulsing presented a toolset for tailoring cellular response and antibacterial properties. Microbiological tests with S. aureus and S. epidermidis were performed to test the time-dependent antibacterial activity of the calcium hydroxide coatings. A reduction of both strains could be achieved for 13 h, which makes calcium hydroxide a promising antibacterial coating. To give insight into biofilm growth, a protocol for biofilm staining was investigated on titanium disks with S. aureus and S. epidermidis. Biofilm growth could be detected after 5 days of bacterial incubation, which was much earlier than the 3 weeks that are currently assumed in medical treatment. Thus, it should be considered to treat infections as if a biofilm were present from day 5 on. The ephemeral antibacterial properties of calcium hydroxide were further enhanced and prolonged with the addition of silver and copper ions. Both ionic modifications significantly enhanced the bactericidal potential. The copper modification showed higher antibacterial effects than the silver modification and had a higher cytocompatibility which was comparable to the pure calcium hydroxide coating. Thus, copper ions are an auspicious option to enhance the antibacterial properties. Calcium hydroxide coatings presented in this thesis have promising antibacterial properties and can easily be applied to complex geometries, thus they are a step in fighting aseptic loosening and implant infections.
Multifunctional calcium phosphate based coatings on titanium implants with integrated trace elements
(2020)
For decades, the main focus of titanium implants developed to restore bone functionality was on improved osseointegration. Additional antimicrobial properties have now become desirable, due to the risk that rising antibiotic resistance poses for implant-associated infections. To this end, the trace elements of copper and zinc were integrated into calcium phosphate based coatings by electrochemically assisted deposition. In addition to their antimicrobial activity, zinc is reported to attract bone progenitor cells through chemotaxis and thus increase osteogenic differentiation, and copper to stimulate angiogenesis. Quantities of up to 68.9 ± 0.1 μg cm\(^{-2}\) of copper and 56.6 ± 0.4 μg cm\(^{-2}\) of zinc were deposited; co-deposition of both ions did not influence the amount of zinc but slightly increased the amount of copper in the coatings. The release of deposited copper and zinc species was negligible in serum-free simulated body fluid. In protein-containing solutions, a burst release of up to 10 μg ml\(^{-1}\) was observed for copper, while zinc was released continuously for up to 14 days. The presence of zinc was beneficial for adhesion and growth of human mesenchymal stromal cells in a concentration-dependent manner, but cytotoxic effects were already visible for coatings with an intermediate copper content. However, co-deposited zinc could somewhat alleviate the adverse effects of copper. Antimicrobial tests with E. coli revealed a decrease in adherent bacteria on brushite without copper or zinc of 60%, but if the coating contained both ions there was almost no bacterial adhesion after 12 h. Coatings with high zinc content and intermediate copper content had the overall best multifunctional properties.
The skeletal system forms the mechanical structure of the body and consists of bone, which is hard connective tissue. The tasks the skeleton and bones take over are of mechanical, metabolic and synthetic nature. Lastly, bones enable the production of blood cells by housing the bone marrow. Bone has a scarless self-healing capacity to a certain degree. Injuries exceeding this capacity caused by trauma, surgical removal of infected or tumoral bone or as a result from treatment-related osteonecrosis, will not heal. Critical size bone defects that will not heal by themselves are still object of comprehensive clinical investigation. The conventional treatments often result in therapies including burdening methods as for example the harvesting of autologous bone material. The aim of this thesis was the creation of a prevascularized bone implant employing minimally invasive methods in order to minimize inconvenience for patients and surgical site morbidity. The basis for the implant was a decellularized, naturally derived vascular scaffold (BioVaSc-TERM®) providing functional vessel structures after reseeding with autologous endothelial cells. The bone compartment was built by the combination of the aforementioned scaffold with synthetic β-tricalcium phosphate. In vitro culture for tissue maturation was performed using bioreactor technology before the testing of the regenerative potential of the implant in large animal experiments in sheep. A tibia defect was treated without the anastomosis of the implant’s innate vasculature to the host’s circulatory system and in a second study, with anastomosis of the vessel system in a mandibular defect. While the non-anastomosed implant revealed a mostly osteoconductive effect, the implants that were anastomosed achieved formation of bony islands evenly distributed over the defect.
In order to prepare preconditions for a rapid approval of an implant making use of this vascularization strategy, the manufacturing of the BioVaSc-TERM® as vascularizing scaffold was adjusted to GMP requirements.
Über die Stärke und Geschwindigkeit der Neubildung bakterieller Biofilme an implantatgetragenem Zahnersatz sind bis lang nur wenige Informationen ver-fügbar. Ziel der durchgeführten Untersuchungen war es daher, die Plaqueneubildungsrate am natürlichen Zahn und Zahnimplantat mit Hilfe der Bestimmung der 24 h Plaque Formation Rate quantitativ zu erfassen und zu vergleichen. 35 Patienten im Alter von 48 - 75 Jahren mit parodontal vorgeschädigtem Ge-biss, welche Keramikkronen auf Zähnen wie auch auf Implantaten aufwiesen, nahmen an der Studie teil. In einem split-mouth Design wurden Metallkeramikkronen, welche einem enossal integrierten Titanimplanat aufsa-ßen, mit Metallkeramikkronen, die natürlichen Zähne aufsaßen und sich im gleichen oder kontrallateralen Kiefersextanten befanden, paarweise zugeordnet. Eine Erfassung der klinischen Parameter Gingiva Index (GI), Papillen-Blutungs-Index (PBI), Probing Attachment Level (PAL) sowie Probeable Pocket Depth (PPD) diente der Dokumentation bekannter, das Wachstum oraler Biofilme modifizierender Faktoren. Nachfolgend wurde das gesamt Gebiss professionell von bakteriellen Biofilmen gereinigt und die Studienteilnehmer angewiesen, für 24 h auf jegliche häusliche Mundhygienemaßnahmen zu verzichten. Nach 24 h Mundhygienekarenz wurde die 24 h Plaqueneubildungsrate (24 h PFR) im gingivanahen Kronendrittel für alle Zahn-Implantat-Paare bestimmt. Die Analyse der Daten offenbarte, dass die 24 h PFR überkronter natürlicher Zähne im Mittel 51,6% betrug und sich signifikant vom 24 h PFR Mittelwert der verpaarten Kronen auf Implantaten mit 32,6% unterschied (p<0,001). Die beobachteten Unterschiede zwischen beiden experimentellen Gruppen bezüglich der klinischen Parameter GI, PBI, PAL sowie PPD waren eher gering und konnten statistisch nicht verifiziert werden. Die Befunde dieser Untersuchung belegen daher, dass bei geringer oder fehlender Entzündung der umgebenden Weichgewebe die Plaqueneubildungsrate im gingivanahen Kronendrittel implantatgetragener Metallkeramikkronen signifikant geringer ausgeprägt ist als auf Metallkeramikkronen, die natürlichen Zähnen aufsitzen. Eine mögliche spekulative Erklärung hierfür könnte in der geringeren Stärke des Austritts nährstoffreichen Sulkusfluids aus dem periimplantären Sulkus bei entzündungsfreiem Zustand der umgebenden Weichgewebe zu suchen sein. Die Daten dieser Studie legen zudem nahe, dass eine übliche, 2 x täglich wiederholte, sorgfältige häusliche Mundhygiene auch für die wirksame Reinigung implatatgetragener Metallkeramikkronen von aufgewachsenen bakteriellen Biofilmen adäquat ist.
Ziel der vorliegenden tierexperimentellen Studie war es, Unterschiede im Einheilverhalten der Werkstoffe Titan und VA-Stahl (316L) anhand der Matrixproteine Kollagen Typ I (C1), Kollagen Typ III (C3) und Fibronektin im implantatumgebenden Interface zu untersuchen und darzustellen. Hierzu wurden die Einheilkapseln der Implantate nach subkutaner, intramuskulärer und intraossärer Implantation nach den Bewertungskriterien Kapselqualität, Kapseldicke und Verteilungsmuster der Matrixproteine mittels konventioneller Mikroskopie und Konfokaler Laserscanning Mikroskopie (CLSM) analysiert. Nach subkutaner Implantation zeigten beide Werkstoffe in Übereinstimmung mit den Ergebnissen von SHANNON et al. (1997) vermehrt locker angeordnete, teils parallel orientierte Kollagenfasern mit erhöhtem Zellaufkommen an Fibroblasten und Makrophagen. Nach intramuskulärer Implantation jedoch fanden sich vorwiegend parallel angeordnete, teils dicht gepackte Kollagenfasern mit nur mäßig erhöhtem Zellaufkommen. Intramuskulär eingebrachte Implantate heilten in dünneren Kapseln ein, als subkutan eingebrachte Implantate. Es ergab sich keine Korrelation zu den ermittelten Kapselqualitäten. Dies erstaunt umso mehr, da unter der fortwährenden funktionellen Beanspruchung der intramuskulären Implantate im Bereich der Bauchmuskulatur gegenüber der statischeren Platzierung im subkutanen Rückenfett eine erhöhte Zell- und Matrixreaktion erwartet worden war. Im Lokalisationsvergleich zeigte sich intramuskulär für beide Werkstoffe ein erhöhtes Aufkommen an Fibronektin. Dies könnte auf die erhöhte Stoffwechselaktivität und funktionelle Belastung im Muskelgewebe zurückgeführt werden (ROSENGREN et al. 1994). Nach intraossärer Implantation konnten dünnere Kallusformationen für VA-Stahl gegenüber Titan in allen Proteinfluoreszenzen nachgewiesen werden. Die Qualität der Kallusformation und die histologische Kallusstruktur glichen sich mit zunehmender Implantationsdauer der regulären Knochenstruktur an. Die semiquantitativ beurteilte Verteilung der Matrixproteine mittels CLSM zeigte bei deutlichen Standardabweichungen für beide Werkstoffe erhöhte Fluoreszenz-Intensitäten nur in den implantatnahen Kapselanteilen. In den mittleren und den implantatfernen Kapselabschnitten waren für beide Werkstoffe inkonstant höhere Fluoreszenzwerte gegenüber den Vergleichskollektiven messbar. Der intraossäre Materialvergleich ergab implantatnahe und implantatferne Fluoreszenzmaxima für alle Matrixproteine, die mit zunehmender Implantationsdauer abfielen. Reproduzierbare, materialspezifische Unterschiede waren in Analogie zu BERGER-GORBET et al. (1996) nicht zu finden. In den mittleren Kallusabschnitten konnten reproduzierbare Fluoreszenzunterschiede nur bei Detektion von Kollagen Typ I (C1) in allen Zeitintervallen gesehen werden. Im Vergleich zur Literatur konnte die von VIROLAINEN et al. (1997) beschriebene biphasische Proteinanhäufung, wie auch ein wechselndes Proteinaufkommen (LINDHOLM et al. 1996) nach intraossärer Implantation nicht nachvollzogen werden. Ergänzende Beobachtungen der hier vorgestellten Studie verdeutlichen, dass die lokale, intraossäre Anreicherung von Matrixproteinen, unabhängig von Implantatinsertion oder gar Werkstoffeigenschaften, nach jeglicher Traumatisierung von Knochengewebe den knöchernen Reparationsprozess begleitet. Unter dem Aspekt der Restitutio ad Integrum von Knochenwunden können diese Beobachtungen auf das implantatnahe und das implantatferne Restitutionszentrum übertragen werden. Die Aktivität dieser Restitutionszentren hält bis zum Abschluss der knöchernen Remodellierung über 12 Wochen hinaus an. Dies deckt sich mit Aussagen von STEFLIK et al. (1998), wonach der periimplantäre Knochenumbau langfristig dynamisch bestehen bleibt. Um der zunehmenden Verbreitung nicht nur dentaler Implantate gerecht zu werden, muss auch zukünftig ein besseres Verständnis der Komunikationswege zwischen Implantaten und Biosystemen gewonnen werden. Dies bedeutet für die Herstellung und Weiterentwicklung von Implantaten, dass nicht nur die Werkstoff- und Oberflächenauswahl wichtig ist, sondern auch die funktionell erforderliche Oberflächenstrukturierung auf die gewünschte Wechselwirkung mit Bestandteilen der EZM und den Zellen angepasst sein sollte (THULL 2005). Die CLSM kann hierbei aufgrund der Möglichkeit der 3-dimensionalen in-situ-Darstellung des Implantatinterface biologisch-strukturelle und molekularbiologisch-immunologische Fragestellungen beantworten.
Hintergrund Die Position von Implantaten im seitlichen Oberkiefer muss sich nach den prothetischen Erfordernissen richten. Die anatomischen Verhältnisse in Bezug auf die ortsständige Knochentopographie und Knochenqualität erschweren oft die gewünschte Positionierung unter dem Gesichtpunkt der Primärstabilität. Eine Verbesserung der Implantationsbedingungen ist daher anzustreben. Ziel dieser Untersuchung war es, den Einfluss der Osteotomietechnik nach Summers auf das periimplantäre Knochenangebot zu überprüfen. Methodik 5 Hunden (Amerikanische Foxhound) wurden beidseits die 3 Prämolaren im Oberkiefer extrahiert. Nach der natürlichen Ausheilungsphase wurden pro Kieferseite je 2 Implantate (3i-Osseotite) und 1 Implantat (3i-maschinierte Oberfläche) inseriert. Die Position der Implantates mit maschinierter Oberfläche war bei den Hunden variabel an Position P1, P2 oder P3, war aber rechts – und linksseitig identisch. Auf einer Kieferseite wurden die Implantate mit Hilfe der Osteotomtechnik nach Summers eingebracht. Die Gegenseite wurde ohne diese Technik herkömmlich implantiert. Nach einer sechsmonatigen Einheilungsphase wurden die Tiere zur Resektatgewinnung geopfert. Für die histometrische Auswertung wurden Dünnschliffpräparate von den Implantaten angefertigt. Ergebnisse Alle Implantate waren klinisch und histologisch erfolgreich osseointegriert. Die histometrische Analyse der periimplantären Knochendichte zeigte beim Vergleich der mittels Osteotomtechnik eingebrachten Implantate zur Kontrollgruppe im gepaarten t-Test keinen statistisch signifikanten Unterschied (p> 0,05).
Die Anzahl der mit einem Cochlea-Implantat versorgten Patienten stieg an der HNO-Universitätsklinik Würzburg in den letzten Jahren kontinuierlich. Diese Entwicklung wurde wesentlich durch die Einführung der CIS-Strategie, die den Patienten ein deutlich besseres Sprachverständnis ermöglichte, gefördert. Nach wie vor ist es jedoch schwierig und zeitaufwändig, das CI individuell so anzupassen, dass sich daraus für den Patienten ein optimaler Nutzen ergibt. Nicht zuletzt wird die Anpassung eines Cochlea-Implantats dadurch erschwert, dass der deutschen Sprache Ausdrucksmittel fehlen, die es erlauben, Höreindrücke präzise zu beschreiben. Bisher war es bei der Anpassung des MED-EL-Systems üblich, die Einstellungen des Herstellers für die Bandpassfilter ohne Veränderung zu übernehmen. In der vorliegenden Arbeit wird ein Ansatz verfolgt, der eine weitgehend automatische, vom Audiologen unabhängige Anpassung auch der Bandpassfilter an die speziellen Gegebenheiten des Patienten ermöglichen soll. Dazu wurden fünf Cochlea-Implantat-Patienten synthetisch erzeugte Vokale vorgespielt. Die Frequenz der ersten Formanten F1 wurde, ausgehend von der an Normalhörenden bestimmten Referenzfrequenz, für jeden Vokal gezielt variiert. Die auf diese Weise unterschiedlich synthetisierten Vokale wurden von den Patienten hinsichtlich ihrer "Güte" in Form von Schulnoten von eins bis sechs bewertet. Gleichzeitig war in dem abgegebenen Urteil auch kodiert worden, welcher Vokal gehört worden war. Aus beiden Informationen wurde eine Punkteskala konstruiert. Auf dieser Skala variieren die Bewertungspunkte von -5 bis +5. Alle Auswertungen basieren auf dieser Skala. Die Abhängigkeit der Bewertungspunkte von der benutzen Synthesefrequenz wurde mit einer Bewertungsfunktion beschrieben, die an die Messwerte angepasst wurde. Über das Maximum dieser Funktion wurde auf die optimale Synthesefrequenz für den tieffrequenten Formanten F1 des entsprechenden Vokals geschlossen. Durch Vergleich mit den an den Normalhörenden gewonnen Referenzfrequenzen konnten Fehlanpassungen erkannt und korrigiert werden. Im Einzelnen wurden aus den Daten folgende Schlussfolgerungen gezogen: a) Die Korrektur der Frequenzzuordnung der Bandpässe im Sprachprozessor führte zu einer besseren Bewertung der Zielvokale bei der Referenzfrequenz. b) Durch die Korrektur verschob sich das Maximum der Bewertungsfunktion wie erwartet in Richtung der Referenzfrequenz. c) Nach der Korrektur zeigte sich ein Trend zu einer besseren Bewertung aller Vokale. d) Die Verteilung der Falschurteile änderte sich wie erwartet mit der geänderten Prozessoranpassung. e) In den Daten zeigte sich, dass die Urteile der CI-Patienten und der hörgesunden Probanden abhängig vom vorgespielten Vokal in unterschiedlicher Weise mit der Synthesefrequenz variieren. Daraus wurde ein "Empfindlichkeitsmaß" abgeleitet.