Dentala implantat används dagligen runt om i världen. Att ersätta tänder med hjälp av titanimplantat är en mycket pålitlig behandling, där lyckandefrekvensen oftast är över 90 % enligt vetenskapliga rapporter. Dagens pågående implantatforskning syftar till att ytterligare kunna förbättra implantatens egenskaper för att förbättra inläkningen hos patienter med sämre ben kvalitet och/eller kvantitet där lyckandefrekvensen är lägre jämfört med patienter där käkbenets status är bra. Vidare syftar forskningen till att hitta en optimal yta för att eventuellt kunna påskynda läkningsprocessen och kunna belasta implantaten tidigare, vilket skulle resultera i kortare behandlingstider. Forskning pågår även för att ytterligare öka förståelsen för de molekylära och cellulära mekanismerna bakom inläkningen av implantat i ben och mjukvävnad. De senaste åren har forskningen riktats mot nanoteknologi och om huruvida nanostrukturer skulle kunna påverka den tidiga implantatinläkningen.
Implantatens design och ytkaraktär har i tidigare forskning visat sig kunna påverka inläkningen i benvävnad. Man kan dela in ytråhet i millimeter, mikrometer och nanometernivå. Hittills finns kunskap om att millimeter- och mikroråhet påverkar det biologiska svaret, men förståelsen om i vilken omfattning nanostrukturer påverkar är begränsad. Man kan på flera sätt modifiera ytan på implantat t.ex. med blästring, syraetsning eller olika ytbeläggningar, vilket resulterar i olika ytråhet men kan dessutom förändra ytkemin. Det har i tidigare studier visats att en medelrå yta, vid utvärdering på mikronivå, inducerar bättre cell och benrespons jämfört med slätare
och råare ytor. Ytbehandlingar som syftar till att förändra en yta på mikronivå borde även förändra ytkaraktären på nanonivå, vilket kan påverka implantatinläkningen eftersom det är på denna nivå som de första proteinerna binder in till ytan efter implantatinstallation och därefter kommer cellsvaret. Flera cellstudier har visat att olika typer av nanostrukturer påverkar benceller på ett positivt sätt. Även djurstudier har visat att nanostrukturer har en positiv inverkan på benläkningen med ökad benkontakt till implantatytan samt ökade urvridningsvärden vid biomekanisk utvärdering. I vilken utsträckning nanometerstrukturer påverkar inläkningen i ben och mjukvävnad samt huruvida de påverkar den kliniska behandlingen av patienter är i dagsläget inte känt.
Den här avhandlingen har syftat till att undersöka yttopgrafin på implantat med inriktning på nanometertopografi och dess betydelse för inläkningen av titanimplantat i benvävnad.
Ett av syftena med denna avhandling var att hitta en metod för att karaktärisera kommersiella dentala implantatytor på nanometernivå. Resultaten från denna studie visade att kommersiella implantat har nanoråhet av varierande grad, men också att en del av implantaten hade specifika nanostrukturer. Vidare visade resultaten att nanoråheten inte hade någon direkt korrelation till mikroråheten, ett implantat som på mikronivå klassas som slätt var inte nödvändigtvis det på nanonivå. Dessa observationer indikerar att det kan vara relevant att även undersöka implantatytors nanotopografi när man i studier undersöker den biologiska effekten av en implantatyta i cell och djurstudier.
Med hjälp av två tidigare inte så använda tekniker, en optisk pincett samt QCM-D, undersöktes den första interaktionen mellan cell och implantatyta samt om det fanns någon skillnad i cellsvar till olika typer av ytmodifieringar. Resultaten visade att det var möjligt att med hjälp av teknikerna undersöka cell-adhesion men ingen självklar skillnad kunde påvisas mellan de olika ytorna.
Släta och medelråa implantat med olika design och belagda med nanopartiklar av hydroxylapatit (nano-HA) utvärderades vid tre olika inläkningstider för att undersöka om nanostrukturerna kunde
ha någon positiv effekt på inläkningsförloppet. Vidare utvärderades implantaten i ben av varierande kvalitet. Efter biomekanisk urvridning och analys av histologiska snitt visade resultaten att nano-HA implantaten gav liknande biologisk respons som icke belagda kontrollimplantat. Tidigare djurstudier har visat positiv effekt av nanostrukturer på den tidiga inläkningen i ben. Flertalet av dessa studier är gjorda på icke skruvformade implantat vilket kan ha haft en inverkan på resultatet eftersom designen på implantatet tidigare visat sig vara av signifikans. Det finns även tidigare studier som i likhet med resultaten från denna avhandling, inte kunnat påvisa någon ytterligare positiv biologisk effekt av nanostrukturer på implantat med skruvdesign och en redan befintlig mikroråhet. Man kan med flera metoder skapa nanostrukturerade ytor med olika topografi och kemi. Olika typer och storlekar av nanostrukturer testas och utvärderas på olika sätt i studier vilket kan resultera i varierande biologiskt svar. Detta gör det svårt att jämföra resultaten från studierna samt gör det svårt att dra adekvata slutsatser från forskningen.
Sammanfattningsvis har resultaten i denna avhandling visat att kommersiella dentala implantat har nanoråhet samt specifika nanostrukturer av varierande grad. En standardiserad metod borde utvecklas för att beskriva implantaten på nanonivå för att lättare kunna jämföra studier med varandra och öka kunskapen om nanostrukturers inverkan på implantatinläkningen. Det gick inte fastställa någon skillnad i initialt cellsvar mellan olika typer av ytmodifieringar när det undersöktes men med en optisk pincett eller QCM-D. En ytterligare beläggning av nano-HA på släta cylindriska implantat gav liknande beninläkning som en beläggning av nano- titan på samma typ av implantat. Implantat skruvar med en medelrå mikroyta och en ytterligare beläggning av nano-HA gav liknande beninläkning som icke belagda kontrollimplantat när de testades i ben av olika kvalitet. Ytterligare studier behövs för att klargöra i vilken utsträckning nanostrukturer kan påverka den tidiga inläkningen av benförankrade implantat samt om nanostrukturer kan vara av signifikans i den långsiktiga behandlingen av patienter.
acknOWleDgements
My sincere gratitude and deepest thanks to all that have contributed to the work of this thesis. I would especially like to thank the following;
Professor Ann Wennerberg, my brilliant supervisor. For introducing me to the world of science and for sharing your expertise. For always being supportive and caring in every matter. I am more than glad and grateful to have been your student. From the bottom of my heart, thank you!
Martin Andersson, my co-supervisor, for support and for patiently guiding me through this work and sharing your knowledge in science. My greatest thanks and appreciation for yours and Maria’s hospitality in Florida as well as in Gothenburg.
Professor Tomas Albrektsson, for always kindly being helpful in any matter. And for giving me the opportunity to begin my PhD studies at the department of Biomaterials in Gothenburg. I gratefully appreciate your support.
My greatest thanks to all my co-authors for sharing your knowledge and for your valuable contributions to this work; Maria Hoffman, Emma Westas, Luis Meirelles, Viktoria Franke-Stenport, Kamal Mustafa, Fredrik Currie, Per Kjellin, Ling Wang, Randy Duran, Timo Peltola and Ikka Kangasniemmi.
Thanks to everyone at the department of Prosthodontics in Malmö for creating a good work environment. Ulf, for always being helpful in administrative matters.
Thanks to the involved persons at the department of Biomaterials in Gothenburg, in particular for Petra and Ann for all help with preparing histological samples. Maria H. and Anna W. for always being helpful, inspiring and encouraging.
Thanks to Lennart Carlsson for kindly preparing surfaces.
Birgitta Gunnarsson, my first boss and mentor at the Selma clinic in Gothenburg. Thank you for from the start of my work as a dentist believing in me, for never failing support and friendship. You are an inspiration and a role model and you have influenced my way of thinking.
Friends and colleagues at the Colosseum Clinic in Halmstad, thank you all for making every day at work joyful. In particular, Kicki, my right hand, for always encouraging talks and your great sense of humour. I am so glad to have you as my friend.
To all in my dear family and my friends for always believing in me even when I do not and for making my life joyful. In particular; Pelle, for being there with support and believing in me, for such a long time. For patiently helping me back after my accident. Without you I would not be where I am today.
Valle and Marie, for computer support, for many good and crazy memories and for reminding me of the joyful things in life. I really treasure our friendship.
Simon, you truly are very good friend. For your never failing support and encouragement, in good times and in bad. I am grateful to have you in my life.
My lovely mother Nina, for tremendous support and always being helpful. I appreciate everything you do. From the bottom of my heart dearest mom, thank you.
My father Allan, thank you for always believing in me and for your constant support in everything I do.
My dear grandmother Millan and grandfather Olle, I admire your strength and I have the deepest respect for you both. Thank you for always believing in me and at the same time always giving the feeling that you love me for who I am.
At last, but for sure not least, my son Sammy, the sunshine in my life, my everything!
This work was supported by grants, here gratefully acknowledged from; Wilhelm and Martina Lundgren Science Foundation, Hjalmar Svensson Foundation, the Sylvan Research foundation, Sigge Perssons & Alice Nybergs stiftelse (Gothenburg Dental Society), the Swedish Dental Society, the Swedish Research Council and the Swedish Knowledge Foundation.
references
1. Zarb GA, Albrektsson T. Osseointegration – a requiem for the periodontal ligament? Int J Periodontics Restorative Dent 1991;11(1):88-91.
2. Attard NJ, Zarb GA. Long-term treatment outcomes in edentulous patients with implant-fixed prostheses: the Toronto study. Int J Prosthodont 2004;17(4):417-24.
3. Jemt T. Single implants in the anterior maxilla after 15 years of follow-up: comparison with central implants in the edentulous maxilla. Int J Prosthodont 2008;21(5):400-8.
4. Lekholm U, Grondahl K, Jemt T. Outcome of oral implant treatment in partially edentulous jaws followed 20 years in clinical function. Clin Implant Dent Relat Res 2006;8(4):178- 86.
5. Astrand P, Engquist B, Dahlgren S, Grondahl K, Engquist E, Feldmann H. Astra Tech and Branemark system implants: a 5-year prospective study of marginal bone reactions. Clin Oral Implants Res 2004;15(4):413-20.
6. Albrektsson T, Zarb G, Worthington P, Eriksson AR. The long- term efficacy of currently used dental implants: a review and proposed criteria of success. Int J Oral Maxillofac Implants 1986;1(1):11-25.
7. Albrektsson T, Branemark PI, Hansson HA, Lindstrom J. Osseointegrated titanium implants. Requirements for ensuring a long-lasting, direct bone-to-implant anchorage in man. Acta Orthop Scand 1981;52(2):155-70.
8. Berglundh T, Abrahamsson I, Albouy JP, Lindhe J. Bone healing at implants with a fluoride-modified surface: an experimental study in dogs. Clin Oral Implants Res 2007;18(2):147-52. 9. Buser D, Schenk RK, Steinemann S, Fiorellini JP, Fox CH, Stich
H. Influence of surface characteristics on bone integration of titanium implants. A histomorphometric study in miniature pigs. J Biomed Mater Res 1991;25(7):889-902.
10. Sul YT, Kang BS, Johansson C, Um HS, Park CJ, Albrektsson T. The roles of surface chemistry and topography in the strength and rate of osseointegration of titanium implants in bone. J Biomed Mater Res A 2009;89(4):942-50.
11. Wennerberg A, Hallgren C, Johansson C, Danelli S. A histomorphometric evaluation of screw-shaped implants each prepared with two surface roughnesses. Clin Oral Implants Res 1998;9(1):11-9.
12. Carlsson L, Rostlund T, Albrektsson B, Albrektsson T. Removal torques for polished and rough titanium implants. Int J Oral Maxillofac Implants 1988;3(1):21-4.
13. Bornstein MM, Valderrama P, Jones AA, Wilson TG, Seibl R, Cochran DL. Bone apposition around two different sandblasted and acid-etched titanium implant surfaces: a histomorphometric study in canine mandibles. Clin Oral Implants Res 2008;19(3):233-41.
14. Anusavice KJ. Phillips´ Science of Dental Materials. Eleventh edition.; 2003.
15. Lausmaa J, Kasemo B, Mattsson H. Surface spectroscopic characterization of titanium implant materials. Applied Surface Science. 1990;44(2):133-146.
16. Palmquist A, Lindberg F, Emanuelsson L, Branemark R, Engqvist H, Thomsen P. Morphological studies on machined implants of commercially pure titanium and titanium alloy (Ti6Al4V) in the rabbit. J Biomed Mater Res B Appl Biomater 2009;91(1):309-19.
17. Johansson C. On tissue reactions to metal implants. PhD thesis. Gothenburg, Sweden: University of Gothenburg; 1991.
18. Han CH, Johansson CB, Wennerberg A, Albrektsson T. Quantitative and qualitative investigations of surface enlarged titanium and titanium alloy implants. Clin Oral Implants Res 1998;9(1):1-10.
19. Johansson CB, Han CH, Wennerberg A, Albrektsson T. A quantitative comparison of machined commercially pure titanium and titanium-aluminum-vanadium implants in rabbit bone. Int J Oral Maxillofac Implants 1998;13(3):315-21. 20. Stenport VF, Johansson CB. Evaluations of bone tissue
integration to pure and alloyed titanium implants. Clin Implant Dent Relat Res 2008;10(3):191-9.
21. Deporter D, Watson P, Pharoah M, Todescan R, Tomlinson G. Ten-year results of a prospective study using porous-surfaced dental implants and a mandibular overdenture. Clin Implant Dent Relat Res 2002;4(4):183-9.
22. Sohn DS, Kim WS, Lee WH, Jung HS, Shin IH. A retrospective study of sintered porous-surfaced dental implants in restoring the edentulous posterior mandible: up to 9 years of functioning. Implant Dent 2010;19(5):409-18.
23. Gahlert M, Gudehus T, Eichhorn S, Steinhauser E, Kniha H, Erhardt W. Biomechanical and histomorphometric comparison between zirconia implants with varying surface textures and a titanium implant in the maxilla of miniature pigs. Clin Oral Implants Res 2007;18(5):662-8.
24. Sennerby L, Dasmah A, Larsson B, Iverhed M. Bone tissue responses to surface-modified zirconia implants: A histomorphometric and removal torque study in the rabbit. Clin Implant Dent Relat Res 2005;7 Suppl 1:S13-20.
25. de Morais LS, Serra GG, Albuquerque Palermo EF, Andrade LR, Muller CA, Meyers MA, Elias CN. Systemic levels of metallic ions released from orthodontic mini-implants. Am J Orthod Dentofacial Orthop 2009;135(4):522-9.
26. Morais LS, Serra GG, Muller CA, Andrade LR, Palermo EF, Elias CN, Meyers M. Titanium alloy mini-implants for orthodontic anchorage: immediate loading and metal ion release. Acta Biomater 2007;3(3):331-9.
27. Wennerberg A, Ide-Ektessabi A, Hatkamata S, Sawase T, Johansson C, Albrektsson T, Martinelli A, Sodervall U, Odelius H. Titanium release from implants prepared with different surface roughness. Clin Oral Implants Res 2004;15(5):505-12. 28. Wennerberg A, Jimbo R, Allard S, Skarnemark G, Andersson
M. In vivo stability of hydroxy nanoparticles coated on titanium implant surfaces. Not yet published.
29. Kasemo B, Lausmaa J. Material-tissue interfaces: the role of surface properties and processes. Environ Health Perspect 1994;102 Suppl 5:41-5.
30. Friberg B, Grondahl K, Lekholm U, Branemark PI. Long- term follow-up of severely atrophic edentulous mandibles reconstructed with short Branemark implants. Clin Implant Dent Relat Res 2000;2(4):184-9.
31. Willer J, Noack N, Hoffmann J. Survival rate of IMZ implants: a prospective 10-year analysis. J Oral Maxillofac Surg 2003;61(6):691-5.
32. Carlsson L, Rostlund T, Albrektsson B, Albrektsson T. Implant fixation improved by close fit. Cylindrical implant- bone interface studied in rabbits. Acta Orthop Scand 1988;59(3):272-5.
33. Abrahamsson I, Berglundh T. Tissue characteristics at microthreaded implants: an experimental study in dogs. Clin Implant Dent Relat Res 2006;8(3):107-13.
34. Gotfredsen K, Wennerberg A, Johansson C, Skovgaard LT, Hjorting-Hansen E. Anchorage of TiO2-blasted, HA-coated, and machined implants: an experimental study with rabbits. J Biomed Mater Res 1995;29(10):1223-31.
35. Ivanoff CJ, Hallgren C, Widmark G, Sennerby L, Wennerberg A. Histologic evaluation of the bone integration of TiO(2) blasted and turned titanium microimplants in humans. Clin Oral Implants Res 2001;12(2):128-34.
36. Wennerberg A, Albrektsson T, Andersson B, Krol JJ. A histomorphometric and removal torque study of screw-shaped titanium implants with three different surface topographies. Clin Oral Implants Res 1995;6(1):24-30.
37. Albrektsson T, Wennerberg A. Oral implant surfaces: Part 1--review focusing on topographic and chemical properties of different surfaces and in vivo responses to them. Int J Prosthodont 2004;17(5):536-43.
38. Wennerberg A, Albrektsson T, Johansson C, Andersson B. Experimental study of turned and grit-blasted screw-shaped implants with special emphasis on effects of blasting material and surface topography. Biomaterials 1996;17(1):15-22. 39. Ekelund JA, Lindquist LW, Carlsson GE, Jemt T. Implant
treatment in the edentulous mandible: a prospective study on Branemark system implants over more than 20 years. Int J Prosthodont 2003;16(6):602-8.
40. Albrektsson T, Dahl E, Enbom L, Engevall S, Engquist B, Eriksson AR, Feldmann G, Freiberg N, Glantz PO, Kjellman O and others. Osseointegrated oral implants. A Swedish multicenter study of 8139 consecutively inserted Nobelpharma implants. J Periodontol 1988;59(5):287-96.
41. Wennerberg A, Albrektsson T. On implant surfaces: a review of current knowledge and opinions. Int J Oral Maxillofac Implants 2010;25(1):63-74.
42. Rasmusson L, Kahnberg KE, Tan A. Effects of implant design and surface on bone regeneration and implant stability: an experimental study in the dog mandible. Clin Implant Dent Relat Res 2001;3(1):2-8.
43. Gotfredsen K, Karlsson U. A prospective 5-year study of fixed partial prostheses supported by implants with machined and TiO2-blasted surface. J Prosthodont 2001;10(1):2-7.
44. Rasmusson L, Roos J, Bystedt H. A 10-year follow-up study of titanium dioxide-blasted implants. Clin Implant Dent Relat Res 2005;7(1):36-42.
45. Wennstrom JL, Ekestubbe A, Grondahl K, Karlsson S, Lindhe J. Oral rehabilitation with implant-supported fixed partial dentures in periodontitis-susceptible subjects. A 5-year prospective study. J Clin Periodontol 2004;31(9):713-24.
46. Wennstrom JL, Ekestubbe A, Grondahl K, Karlsson S, Lindhe J. Implant-supported single-tooth restorations: a 5-year prospective study. J Clin Periodontol 2005;32(6):567-74. 47. Steveling H, Roos J, Rasmusson L. Maxillary implants loaded
at 3 months after insertion: results with Astra Tech implants after up to 5 years. Clin Implant Dent Relat Res 2001;3(3):120- 4.
48. Novaes AB, Jr., Souza SL, de Oliveira PT, Souza AM. Histomorphometric analysis of the bone-implant contact obtained with 4 different implant surface treatments placed side by side in the dog mandible. Int J Oral Maxillofac Implants 2002;17(3):377-83.
49. Piattelli M, Scarano A, Paolantonio M, Iezzi G, Petrone G, Piattelli A. Bone response to machined and resorbable blast material titanium implants: an experimental study in rabbits. J Oral Implantol 2002;28(1):2-8.
50. Abrahamsson I, Zitzmann NU, Berglundh T, Wennerberg A, Lindhe J. Bone and soft tissue integration to titanium implants with different surface topography: an experimental study in the dog. Int J Oral Maxillofac Implants 2001;16(3):323-32. 51. London RM, Roberts FA, Baker DA, Rohrer MD, O’Neal
RB. Histologic comparison of a thermal dual-etched implant surface to machined, TPS, and HA surfaces: bone contact in vivo in rabbits. Int J Oral Maxillofac Implants 2002;17(3):369- 76.
52. Testori T, Del Fabbro M, Feldman S, Vincenzi G, Sullivan D, Rossi R, Jr., Anitua E, Bianchi F, Francetti L, Weinstein RL. A multicenter prospective evaluation of 2-months loaded Osseotite implants placed in the posterior jaws: 3-year follow- up results. Clin Oral Implants Res 2002;13(2):154-61.
53. Ellingsen JE, Johansson CB, Wennerberg A, Holmen A. Improved retention and bone-tolmplant contact with fluoride- modified titanium implants. Int J Oral Maxillofac Implants 2004;19(5):659-66.
54. Cooper LF, Zhou Y, Takebe J, Guo J, Abron A, Holmen A, Ellingsen JE. Fluoride modification effects on osteoblast behavior and bone formation at TiO2 grit-blasted c.p. titanium endosseous implants. Biomaterials 2006;27(6):926-36.
55. Collaert B, Wijnen L, De Bruyn H. A 2-year prospective study on immediate loading with fluoride-modified implants in the edentulous mandible. Clin Oral Implants Res.
56. Mertens C, Steveling HG. Early and immediate loading of titanium implants with fluoride-modified surfaces: results of 5-year prospective study. Clin Oral Implants Res.
57. Bornstein MM, Schmid B, Belser UC, Lussi A, Buser D. Early loading of non-submerged titanium implants with a sandblasted and acid-etched surface. 5-year results of a prospective study in partially edentulous patients. Clin Oral Implants Res 2005;16(6):631-8.
58. Sul YT, Johansson CB, Jeong Y, Wennerberg A, Albrektsson T. Resonance frequency and removal torque analysis of implants with turned and anodized surface oxides. Clin Oral Implants Res 2002;13(3):252-9.
59. Sul YT, Johansson CB, Roser K, Albrektsson T. Qualitative and quantitative observations of bone tissue reactions to anodised implants. Biomaterials 2002;23(8):1809-17.
60. Jungner M, Lundqvist P, Lundgren S. Oxidized titanium implants (Nobel Biocare TiUnite) compared with turned titanium implants (Nobel Biocare mark III) with respect to implant failure in a group of consecutive patients treated with early functional loading and two-stage protocol. Clin Oral Implants Res 2005;16(3):308-12.
61. Glauser R, Zembic A, Ruhstaller P, Windisch S. Five-year results of implants with an oxidized surface placed predominantly in soft quality bone and subjected to immediate occlusal loading. J Prosthet Dent 2007;97(6 Suppl):S59-68.
62. Schupbach P, Glauser R, Rocci A, Martignoni M, Sennerby L, Lundgren A, Gottlow J. The human bone-oxidized titanium implant interface: A light microscopic, scanning electron microscopic, back-scatter scanning electron microscopic, and energy-dispersive x-ray study of clinically retrieved dental implants. Clin Implant Dent Relat Res 2005;7 Suppl 1:S36-43. 63. Sul YT, Johansson C, Wennerberg A, Cho LR, Chang BS,
Albrektsson T. Optimum surface properties of oxidized implants for reinforcement of osseointegration: surface chemistry, oxide thickness, porosity, roughness, and crystal structure. Int J Oral Maxillofac Implants 2005;20(3):349-59.
64. Sul YT, Jonsson J, Yoon GS, Johansson C. Resonance frequency measurements in vivo and related surface properties of magnesium-incorporated, micropatterned and magnesium- incorporated TiUnite, Osseotite, SLA and TiOblast implants. Clin Oral Implants Res 2009;20(10):1146-55.
65. Sul YT, Byon ES, Jeong Y. Biomechanical measurements of calcium-incorporated oxidized implants in rabbit bone: effect of calcium surface chemistry of a novel implant. Clin Implant