On the influence of biochemical coating on implant bone incorporation

Abstract

Implantat används idag med goda resultat för att ersätta förlorade tänder. Tandimplantat opereras in i käkbenet och agerar som en konstgjord rot för en konstgjord tand eller för att förankra en protes. Implantatens ytor har utvecklas med åren från att vara släta till måttligt råa. De nya råare ytorna har uppvisat högre lyckandefrekvens framför allt vid kliniskt utmanande fall, såsom patienter med sämre benkvalitet eller benmängd. Strålbehandling mot ansiktet och halsen samt medicinering eller sjukdom är bara några exempel på faktorer som försämrar benbildningsförmågan. Ständigt ökade krav på implantatprestation och ständigt utökade behandlingsområden har givit upphov till mångårig forskning som lett till de moderna implantatytorna. Implantatytornas utveckling fortsätter och experiment med nya implantatytor som är laddade med benstimulerande biomolekyler har genomförts. Den aktuella avhandlingen har studerat proteinet laminin-1 som har uppvisat benstimulerande egenskaper i cellodlingar. Därmed har vår hypotes varit att implantat belagda med proteinet laminin-1 skulle kunde öka benbildningen och förbättra implantatens stabilitet. Proteinets förmåga att fästa sig på titandiskar utsatta för olika ytbehandlingar har utvärderats i en lösning som simulerar det initiala benbildningsstadiet. Mängden kalciumfosfat som fälls ut räknas som mått på benstimuleringsförmågan. Resultaten har visat att mängden laminin-1 som fäster sig på de olika ytorna är jämförbar vilket tyder på god fästförmåga av proteinet. Den gruppen titandiskar som fällde ut mest kalciumfosfat var den som hade sänkts i en stark alkalisk lösning och därefter hettats upp. Dessutom observerades att blästrade titandiskar som var belagda med laminin-1 fällde ut mer kalciumfosfat än icke-belagda blästrade diskar. Vår teori utvärderades i djurstudier som innefattade kaniner och råttor. I den första kaninstudien opererades proteinbelagda implantat gjorda av hydroxylapatit in i skenbenet. Implantaten var mycket släta för att undvika att proteineffekten skulle överskuggas av ytråhetens effekt. Efter två och fyra veckor utvärderades benmängden runt implantaten med histologi och datortomografi. Trots att proteinbelagda implantat uppvisade en positiv trend för bentillväxt, kunde inga statistiskt signifikanta skillnader konstateras. I den andra kaninstudien utvärderade vi effekten av laminin-1 på svarvade samt alkali- och värmebehandlade implantat efter två och fyra veckor. Benbildningsförmågan utvärderades med histologi, datortomografi, urvridningsmotstånd och elasticitetstest i kringliggande benet. Histologin visade att svarvade implantat belagda med protein hade högst urvridningsmotstånd samt att mest nytt ben hade bildats i kontakt med dessa implantat efter två veckor. Benet kring dessa implantat var dock inte hårdare. Datortomografin kunde följa trenderna som uppvisades av histologin men ingen statistiskt säkerställd skillnad kunde påvisas. I råttstudien jämfördes proteinbelagda med icke-belagda svarvade implantat med avseende på histologi och uttryck av gener som är aktiva vid benproduktion, bennedbrytning och inflammation. Tidpunkterna för utvärdering var tre, sju och tjugoen dagar. Resultaten visade att laminin-1 stimulerar uttrycket av benbildande gener och sänkte uttrycket av vissa gener som är relaterade till bennedbrytning och inflammation efter sju dagar. Den histologiska utvärderingen kunde dock inte detektera dessa skillnader. Konklusion: Våra resultat tyder på att proteinet laminin-1 kan förbättra benresponsen beroende på den underliggande ytans material och ytråhet. Eftersom proteinbeläggningen verkar vara mest aktiv i början av läkningen, kan valet av metoderna och tidpunkterna påverka utvärderingsresultatet. I fortsättningen kan våra implantat utvärderas i experimentella modeller där djur har fått försämrad benbildningsförmåga på grund av strålning eller ovariektomi. I den kliniska situationen kan det spekuleras att lamininbelagda svarvade implantat kan dels tillföra ökad benbildningskapacitet under den initiala läkningstiden och dels underlätta rengöringsproceduren i händelse av infektion kring implantat dvs. vid peri-implantit.Introduction: Dental implants have been proven to be a reliable long term therapy against edentulism. However, the reported high success figures of implant therapy have been based on implants in-serted using two-stage surgical protocol and conventional loading. The increased demand on implant performance and the broadened treatment indications have led to the development of new mod-erately rough surfaces. Novel implant surface modifications include coating with bone specific biomolecules to enhance bone formation. Interestingly, even non-bone specific molecules have reported to induce bone formation. One non-bone specific biomolecule with osteogenic potential is laminin-1. Aims: The present thesis has aimed to investigate the role of lami-nin-1 as a biochemical implant coating agent and to compare the osteogenic performance of the coating to the performance of other bioactive surfaces. Furthermore, we aimed to compare the results obtained by the different methods. Materials and methods: Titanium discs were subjected for three surface treatments claimed to provide bioactivity (alkali and heat treatment, anodic oxidation and nano-hydroxyapatite coating) and the ability to precipitate laminin-1 and calcium phosphate in a laboratory model which simulates initial bone formation was as-sessed. Blasted surfaces were used as controls. The animal studies included rabbits and rats. Two studies were conducted in a rabbit model. In the first, hydroxyapatite implants were coated with laminin-1 and bone amount around the implants was evaluated in terms of micro computed tomography and histology. In the second study, turned and alkali and heat treated titanium implants were coated with laminin-1 and the formed bone was evaluated with histology, micro computed tomography and biomechanics. In the rat model, turned implants were coated with laminin-1 and their ability to induce bone formation was assessed in terms of histology and gene expression. Results: In the in vitro studies, the tested surface modifications precipitated equivalent amounts of laminin-1. The alkali and heat treated surfaces precipitated the highest amount calcium phosphate at the shorter period of time. Laminin-1 resulted in precipitation of significantly higher amount calcium phosphate on blasted titanium discs as compared to a negative control. In the rabbit studies, laminin-1 coating of hydroxyapatite implants created positive but non-significant trends. On the contrary, after 2 weeks, coated turned implants demonstrated removal torque values equivalent to alkali and heat treated implants and higher amount of newly formed bone as compared to all other implants. The trend was similar for micro computed tomography, but not significant. In the rat study, laminin coating enhanced gene expression of osteogenic markers and for integrin β1. The histological evaluation failed to show any differences. Conclusions: The results of the present thesis show that laminin-1 precipitates equally to titanium surfaces with various surface topo-graphies and has the ability to increase calcium phosphate precipi-tation in a lab model. Depending on the bulk material and the surface topography of the implant, coating with laminin-1 can en-hance bone response as confirmed by means of biomechanics, his-tomorphometry and gene expression. As the coating seems to be active during the initial stages of osseointegration, the choice of the time points and the methods of evaluation may affect the assessment outcome