Rys historyczny, przegląd i klasyfikacja materiałów kościozastępczych oraz przeszczepów tkanki kostnej

Transkrypt

1 Rys historyczny, przegląd i klasyfikacja materiałów kościozastępczych oraz przeszczepów tkanki kostnej Michał Łobacz¹ ¹ Lek. dent., asystent w Katedrze i Zakładzie Chirurgii Stomatologicznej Uniwersytetu Medycznego w Lublinie, Katedra i Zakład Chirurgii Stomatologicznej Uniwersytetu Medycznego w Lublinie Kierownik Katedry i Zakładu Chirurgii Stomatologicznej Uniwersytetu Medycznego w Lublinie, dr hab. n. med. Mansur Rahnama, profesor nadzwyczajny UM Lublin Adres do korespondencji: Michał Łobacz Katedra i Zakład Chirurgii Stomatologicznej Uniwersytet Medyczny w Lublinie ul. Karmelicka Lublin Tel lobosos@tlen.pl 1

2 Od prehistorii po dziś dzień ludzkości towarzyszą stany chorobowe związane z jamą ustną. Dowody na istnienie próchnicy oraz urazów zębów można odnaleźć na wielu dostępnych eksponatach, takich jak uzębienie czaszki neandertalczyka z Gibraltaru, czy na tzw. czaszce z Rodezji (1). Fakty te stanowią potwierdzenie tezy, że próchnica zębów, stany zapalne tkanek miękkich i twardych w obrębie jamy ustnej oraz ból z nimi związany stanowią istotny problem cywilizacyjny, z którym musiano sobie radzić począwszy od zarania dziejów. Istnienie problemu wymusiło opracowanie skutecznych metod radzenia sobie z nim. Najprostszą metodą walki z bólem zębów było ich usuwanie. Pierwsze doniesienia dotyczące ekstrakcji zębów pochodzą ze starożytnego Dalekiego Wschodu (l).do XIX wieku pomimo rozwoju innych dziedzin stomatologii za podstawowy zabieg uważana była ekstrakcja zęba. Usunięcie zęba uważane jest do dnia dzisiejszego za najczęściej wykonywany zabieg w praktyce stomatologicznej. W związku z tym od momentu wprowadzenia do lecznictwa procedury ekstrakcji zęba można mówić o stałym rozwoju jednej z podstawowych dyscyplin stomatologii jaką jest chirurgia stomatologiczna. Jednak wraz z odkrywaniem nowych stanów chorobowych spotykanych w jamie ustnej niezbędne było stworzenie metod diagnostycznych i leczniczych prowadzących do ich wyleczenia. Znaczny rozwój chirurgii stomatologicznej miał miejsce w XIX w. za sprawą dentystów angielskich, amerykańskich i niemieckich. W tamtym okresie opracowano metody resekcji wierzchołka korzenia jako metodę leczenia stanów zapalnych okolicy okołowierzchołkowych oraz operacje torbieli metodami Partsch I i II (2). Duży wpływ dla rozwoju chirurgii jamy ustnej miało też odkrycie przez W. Roentgena promieni X oraz wprowadzenie lokalnej anestezji (2,3,4). Tradycyjne metody postępowania i wykonywania zabiegów z zakresu chirurgii stomatologicznej zazwyczaj prowadzą do bezpowrotnej utraty uzębienia i powstania typowego ubytku wysokości i szerokości kości grzbietu wyrostka zębodołowego. Od początku jednak dążono, aby powstałe defekty w postaci braków zębowych oraz ubytków kości szczęk, uzupełniać przy użyciu rozmaitych materiałów (5). Dopiero odkrycia XX w. stwarzały nowe możliwości uzupełnienia braków zębowych przy użyciu wszczepów - implantów zębowych oraz leczenia ubytków kości szczęk o różnej etiologii z zastosowaniem biomateriałów. Dzięki temu utrata kości może być istotnie zredukowana. 2

3 Obecnie występuje ogromne zapotrzebowanie na materiały wykorzystywane do uzupełniania ubytków kości szczęk, które narzuca konieczność poszukiwania i zbadania czynników wpływających na optymalne gojenie się i odbudowę kości (6). Istnieje wiele miejscowych uwarunkowań, które są wskazaniem do zastosowania w nich materiałów odtwarzających strukturę kości. Należą do nich ubytki tkanki kostnej wyrostka zębodołowego szczęki oraz części zębodołowej żuchwy powstałe na skutek wcześniejszego postępowania stomatologicznego, do których należy zaliczyć wcześniej wykonane ekstrakcje, zabiegi chirurgiczne takie jak resekcje, radektomie, usuwanie zębów zatrzymanych, guzów łagodnych, pozostawionych korzeni, wyłuszczenie torbieli, patologiczne procesy toczące się w okolicy wierzchołków korzeni zębów, niewłaściwie wykonane dotychczasowe uzupełnienia protetyczne, deformacje tkanki kostnej oraz zanik na skutek starzenia się organizmu (7). Pierwsze próby zastosowania materiałów kościozastępczych w obrębie twarzoczaszki datowane są w prehistorii. Wykorzystywano w nich złoto jako substytut kości - defekt kości czołowej pokryto złotą blaszką o grubości milimetra (8). Inne próby cranioplastyki podejmowano również w późniejszych okresach i wykorzystywano w nich kości czaszki zwierząt (psa) lub skorupę kokosu - dało to początek zastosowaniu materiałom z grup ksenoi allogennych (9). Dopiero dokładne poznanie procesu powstawania tkanki kostnej i jej metabolizmu pozwoliło na próbę zastosowania materiału autogennego - dawcą i biorcą jest ten sam osobnik. Próby takie przeprowadzono w Niemczech przez P.F. von Walthera na początku XIX w. Polegały one na autotransplantacji płytki kostnej usuniętej podczas trepanacji czaszki. Pojęcia takie jak: przeszczep auto-, allo- i ksenogenny pojawiły się dopiero w drugiej połowie XIX w. Zostały one wprowadzone przez L. Olliera. Autor ten wskazał istotność pozostawienia ciągłości okostnej oraz uznał wyższość autoprzeszczepów w zastosowaniu klinicznym (6,10). Istotnie na dalszy rozwój procedur związanych z pobieraniem i przeszczepianiem tkanki kostnej jak i jej substytutów wpłynęło wcześniej wspomniane wprowadzenie anestezji przez W.G. Mortona w 1846r. oraz wdrożenie w 1865r. przez J. Listera zasad aseptyki i antyseptyki (2,3,4,6). W 1892 P. Bardenheuer zastosował uszypułowany płat z żuchwy do jej odbudowania. Początkowo wykorzystywano wyłącznie przeszczepy uszypułowane, co zapewniało właściwe odżywianie przeszczepianej tkanki. 3

4 1895r. tezę L. Olliera podważył A. Barth, który twierdził, że obecność okostnej nie jest niezbędna do zastosowania przeszczepu tkanki kostnej. W swoich doświadczeniach zastosował spaloną na popiół kość, którą wszczepił do otrzewnej kota. Po 6 tygodniach stwierdził w niej obecność tkanki łącznej i kostnej z osteoblastami na powierzchni. Zaobserwowany proces określił jako stopniowe zastępowanie" - Schleichender Ersatz. Barth stwierdził, że wszczepione komórki kostne w dużej mierze obumierają i stanowią jedynie rusztowanie dla nowo powstającej tkanki kostnej. Tym samym doświadczenia Bartha wskazują na istotną cechę materiałów kościozastępczych jaką jest osteokonduktywność (11). W 1900r. Sykoff jako pierwszy wykorzystał wolny przeszczep do odbudowy bródki - wykorzystał on fragment żuchwy z innego odcinka. Początek XX w. przynosi zastosowanie przez F. Albee autogennych przeszczepów typu inlay, a następnie typu onlay, które przytwierdzane były w miejscu biorczym z zastosowaniem śrub, wiązań lub szwów. Na pierwszą połowę XX w. (1915r.) notuje się również zastosowanie allogennego przeszczepu z żebra osoby zmarłej przez Hippolyte Morestina. Kolejne lata to doniesienia o przeszczepach zewnątrzustnych L. Von Rydygier dokonał przeszczepu z obojczyka, 1911 Vorschutz z kości piszczelowej, 1920 H.D. Gilles z żebra, 1954 roku E. Schmid - z grzebienia kości biodrowej. R.G. Gerry w 1956 roku, jako pierwszy przeszczepił kość z grzebienia kości biodrowej w celu zwiększenia wysokości wyrostka zębodołowego żuchwy. W 1980 r. U. Breine i RI. Brenemark wykonali zabieg podniesienia dna zatoki szczękowej, który polegał na wykorzystaniu kości gąbczastej i szpiku kostnego do pokrycia implantów wystających do jej światła (6). Pomimo faktu, że przeszczepy autogenne uznawane są za złoty standard postępowania, wykazują wiele niekorzystnych cech 4 i ograniczeń, do których można zaliczyć przede wszystkim: ograniczoną ilość uzyskiwanego materiału tkankowego oraz nieprzewidywalną resorpcję. Sytuacja ta zmusiła do poszukiwania innych, lepszych rozwiązań. Badania prowadzone w tym kierunku doprowadziły do wprowadzenia wielu substancji mogących pełnić funkcję substytutów tkanki kostnej. Dopiero na początku XX w. do użycia zaczęły wchodzić materiały alloplastyczne syntetyczne i półsyntetyczne, chociaż część z nich używana była z powodzeniem znacznie wcześniej. W 1920r. dowiedziono, że ilość tkanki kostnej zwiększa się po aplikacji w miejscu ubytku TCP - fosforanu wapnia V (Albee i Morrison) (6,12). 4

5 Istotnie na rozwój materiałów kościozastępczych wpłynęła metoda przechowywania przeszczepów kostnych wprowadzona przez Turnera, polegająca na wykorzystaniu procesów liofilizacji i sterylizacji radiacyjnej (13). Nowe informacje w dziedzinie zastosowania materiałów kościozastępczych przynoszą badania Marshalla Urista. W 1965r. wszczepił on demineralizowaną macierz kostną (DBA) (śródmięśniowo w wyniku, czego stwierdził powstawanie nowej -struktury kostnej w miejscu implantacji. To odkrycie zapoczątkowało rozwój wiedzy na temat białek morfogenetycznych kości (BMPs) (14,15). Kolejne istotne odkrycie miało miejsce w latach 70 XX w. - było to wprowadzenie do praktyki klinicznej syntetycznego hydroksyapatytu. Inną, często używaną metodą rekonstrukcyjną, zwłaszcza w przypadku rekonstrukcji kości żuchwy jest wykorzystanie kości strzałki wraz z jej unaczynieniem. Do rekonstrukcji żuchwy po raz pierwszy wykorzystał strzałkę Hidalgo w 1989 roku (16). Ten rodzaj przeszczepu jest coraz częściej stosowany zamiast przeszczepu z grzebienia kości biodrowej. Ze względu na jego długość (25-27 cm), długą szypułę naczyniową, podatność na ukształtowanie zgodnie z brakującym fragmentem żuchwy lub szczęki wolny przeszczep kości strzałkowej jest odpowiedni do odbudowy ubytków kości szczęk. Może być stosowany jako płat kostno-mięśniowy albo kostno-skórno-mięśniowy, co daje możliwość jednoczesnej rekonstrukcji miękkich tkanek wewnątrzustnych (błona śluzowa policzka, podniebienia, dna jamy ustnej) i zewnątrzustnych (broda, policzek). Ponadto, kość strzałkowa stwarza sprzyjające warunki dla pogrążenia śródkostnych wszczepów zębowych i dalszej rehabilitacji protetycznej opartej na implantach, dzięki jej średnicy i dobrej jakości kości korowej (17). Wykorzystanie przeszczepu z kości ciemieniowej zostało opisane po raz pierwszy w 1890 roku, następnie w 1929 roku opisał tą metodę Dandy, jednak dopiero Tessier w 1982 ujednolicił zasady jej pobrania i użycia. Kości sklepienia czaszki pobrane w bloku lub zmielone znajdują zastosowanie dla przeszczepów typu inlay i onlay jak również w innych procedurach rekonstrukcyjnych w obrębie twarzoczaszki, takich jak rekonstrukcje dna oczodołu i innych zniekształceń oraz ubytków kości. W implantologii może być on zastosowany do podnoszenia dna zatoki szczękowej (sinus lifting), jak i przeszczepu bloków kostnych (18, 19). Wielu autorów zwraca uwagę na minimalną i wolną resorpcję oraz duże stężenie białek morfogenetycznych kości (BMP). Korzyści te wynikają z tego, że kości pokrywy czaszki powstają na podłożu kostnienia błoniastego w przeciwieństwie do kości powstających na podłożu kostnienia chrzęstnego(łącznotkankowego). 5

6 Wewnątrzustne miejsca biorcze pozwalają na skrócenie procedur, pozwalają uniknąć konieczności znieczulenia ogólnego, są związane z mniejszą liczbą powikłań pooperacyjnych i mniejszym dyskomfortem. W jamie ustnej istnieje wiele miejsc, z których może być pobrana kość do przeszczepu. Żuchwa wykazuje jednak więcej miejsc biorczych niż szczęka (20). Z jamy ustnej przeszczepy najczęściej są pobierane z obszaru bródki, trójkąta zatrzonowcowego, kresy skośnej zewnętrznej (tzw. J-Graft), guza szczęki, kolca nosowego przedniego oraz obszarów miejsc ekstrakcyjnych. Mogą być one pobierane w postaci bloków kostnych (korowo-gąbczastych lub gąbczastych) lub w postaci wiórków kostnych za pomocą specjalnych skrobaczek lub dłutek kostnych. Do uzyskania koagulatu kostnego stosuje się również specjalne młynki kostne (20). Materiały kościozastępcze Często wykorzystanie własnej tkanki pacjenta jest niemożliwe lub istnieją znaczne ograniczenia - przede wszystkim zazwyczaj można pobrać tylko niewielką ilość tkanki kostnej, w szczególności z wewnątrzustnych miejsc biorczych, najczęściej wykorzystywanych w praktyce ambulatoryjnej. Stanowi to dodatkowe obciążenie i ryzyko śródoperacyjne oraz pooperacyjne. Istnieje również duże ryzyko wystąpienia powikłań takich jak: krwawienia, zakażenia, przewlekły ból w miejscu pobrania (22). Dlatego aby zapewnić odpowiednią ilość materiału zaczęto zastanawiać się nad innym jego źródłem. Odpowiednią ilość materiału kościozastępczego można zapewnić wykorzystując materiały pochodzące od innego dawcy tego samego gatunku - przeszczepy allogeniczne, pochodzące od zwierząt tzw. przeszczepy ksenogeniczne oraz materiały syntetyczne (7, 22).Na podstawie wytycznych według Luthke-Hermollego, materiały kościozastępcze muszą dodatkowo spełniać następujące warunki (23): nie mogą być kancerogenne i nie mogą przenosić infekcji, nie mogą wywoływać martwicy tkanek uwarunkowanej przez toksyczność komórkową, nie mogą wyzwalać reakcji na ciało obce, muszą posiadać zdolność resorpcyjną i substytucyjną kości w określonym czasie, musi istnieć synchronizacja zakresu resorpcji lub degradacji z odbudową kości, muszą stymulować regenerację tkanek przyzębia, nie może być różnic w działaniu przy porównaniu implantacji krótkoterminowej i odległej, 6

7 muszą poddawać się sterylizacji, ich wytwarzanie nie może być zbyt kosztowne, muszą się łatwo i długo przechowywać, ich użycie kliniczne powinno być jak najprostsze. Materiały allogeniczne Przeszczepy allogeniczne pochodzą od innego człowieka i pozyskiwane są z banku tkanek. Immunogenność tych przeszczepów likwidowana jest poprzez proces sterylizacji radiacyjnej w połączeniu z głębokim mrożeniem. Działanie to pozbawia je i zmniejsza do minimum ryzyko wszczepienia wirusowego zapalenia wątroby typu B czy AIDS. Proces wyjałowienia powoduje osłabienie wytrzymałości materiału. Wszczepy te dzielimy na zawierające żywe komórki i pozbawione żywych komórek. Przeszczepy allogeniczne po etapie wstępnego oczyszczenia i odtłuszczenia są poddawane procesom konserwacji. Należy tu wymienić takie metody jak: głębokie mrożenie, liofilizację, płukanie w roztworach izotonicznych. Jedną z prostszych i mającą różne warianty pod względem zakresu temperatur i użytego medium jest metoda konserwacji kości w niskich temperaturach. Proces zamrażania wpływa korzystnie na obniżenie immunogenności, zaś przebudowa kostna, choć początkowo wolniejsza, to po okresie 3-12 miesięcy nie odbiega znacznie od przebudowy kości autogenicznej. Do pierwszej grupy zaliczamy komórki szpiku kostnego oraz liofilizowaną kość gąbczastą (biodrową). Liofilizacja pozbawia niestety tkankę kostną BMP (białek wzrostowych kości), co ujemnie wpływa na proces osteogenezy. Zachowana matryca wykazuje właściwości osteokondukcyjne. Ulega ona rozpadowi pod wpływem osteoklastów z równoczesnym tworzeniem kości splotowatej, która ostatecznie przekształcana jest w kość blaszkowatą (proces osteoklazji). Badania wykazały, że przeszczepy takie ulegają rewaskularyzacji i przebudowie, podobnie jak przeszczepy autogeniczne, tylko wolniej. W skład grupy materiałów allogenicznych niezawierających żywych komórek wchodzą: DFDBA (decalcified freeze-dried bone allograft) - kość odwapniona, zamrożona i wysuszona, FDBA (undemineralized freeze-dried bone allograft) - kość nieodwapniona, zamrożona i wysuszona, AAA (autolyzed antygen extracted allogenic bone) - kość allogeniczna, autolizowana i pozbawiona antygenów oraz mrożona kość gąbczasta. Wszystkie wymienione przeszczepy kostne w czasie kilku miesięcy, a czasem lat ulegają przebudowie. DFDBA oraz AAA in vivo pobudzają chondrogenezę, a in vitro osteogenezę, gdyż w ich części organicznej znajdują się białka morfogenetyczne kości (BMP). Nie każdy przeszczep DFDBA wykazuje osteoindukcję na takim samym poziomie i tym samym może powodować różny przyrost kości u różnych pacjentów, zależy to od wielu czynników takich 7

8 jak: wiek, stan zdrowia oraz leków, jakie przyjmuje dawca kości a nie - jak wcześniej uważano - od technicznego procesu wytwarzania DFDBA. Materiały ksenogeniczne Odpowiednią ilość materiału kościozastępczego może być zapewniona dzięki zastosowaniu materiału pochodzenia naturalnego, odzwierzęcego wykorzystując tzw. przeszczepy ksenogeniczne. Stosowane przeszczepy tkanki kostnej mogą być pochodzenia wołowego, (np. Bio- Oss, Cerabone) końskiego (np. Bio Gen). Ze względu na potencjalne ryzyko przeniesienia chorób odzwierzęcych materiały te muszą być sterylne oraz poddane procesowi deproteinizacji celem obniżenia ich znacznego potencjału immunogennego i oraz wielogodzinnego wyżarzania w celu denaturacji i zwęglenia. Negatywnym skutkiem tych procesów jest zmniejszenie ich potencjału osteoindukcyjnego, gdyż wraz z innymi białkami usuwane są także białka BMPs. Ryzyko jakie niesie użycie materiałów ksenogennych pochodzenia bydlęcego związane jest z obecnością prionów wywołujących gąbczaste zwyrodnienie mózgu u bydła (BSE, choroba wściekłych krów - mad cow disease) oraz o stopień ryzyka transmisji prionów wywołujących u ludzi chorobę Creutzfeldta-Jakoba (CJD). W celu minimalizacji ryzyka zakażeń odzwierzęcych wprowadzono system wymagań dla produktów medycznych otrzymywanych z bydła rogatego, kóz i owiec(german Federal Health Authority)(24). W przyjętym systemie ocena materiału określana jest na podstawie analizy sześciu podstawowych parametrów. Im wyższe wskaźniki oceny otrzymuje badany materiał, tym niższe jest ryzyko wystąpienia zakażenia materiału zwierzęcego i transmisji prionów. Suma sześciu niżej wymienionych parametrów powinna wynosić minimum 20. Parametr 1 (pochodzenie i sposób hodowli zwierząt) - opisuje prawdopodobieństwo wystąpienia BSE u zwierząt, z których tkanek pozyskiwany jest produkt medyczny. Najwyższy, ósmy stopień przyznaje się w przypadku udokumentowania, że w kraju pochodzenia w ciągu ostatnich 6 lat nie wystąpiły przypadki BSE, zwierzęta nie były karmione paszą bazującą na materiale zwierzęcym oraz występowała ścisła izolacja stad. Parametr 2 (rodzaj tkanek wykorzystywanych do produkcji materiału medycznego). Do tkanek cechujących się najwyższą koncentracją prionów zalicza się: tkankę mózgową, szpik kostny kręgosłupa oraz gałki oczne. Serce, mięśnie, tkanka chrzęstna i kostna to tkanki, w których stwierdza się najmniejsze ryzyko infekcji prionami. Parametr 3 (procedury inaktywacyjne stosowane w procesie produkcji materiału medycznego) - ocena stopnia ryzyka infekcji materiału wykonywana jest po każdym etapie 8

9 procesu produkcyjnego. Zastosowano współczynnik doświadczalny z piśmiennictwa podzielony przez 3/4. Parametr 4 (ilość surowego materiału zwierzęcego potrzebna do produkcji jednej dawki dziennej materiału medycznego) - im wyższa ilość materiału odzwierzęcego tym niższa klasa i stąd wyższe ryzyko infekcji np. klasa 0 (< l kg - > 100 g/na dzień), klasa 1 (< 100g - > 10 g/na dzień). Parametr 5 (liczba dziennych dawek materiału medycznego) - podsumowuje najwyższą liczbę dni w roku, w których wymagane będzie podanie produktu medycznego np. klasa 0 ( dni/rok), klasa 1 (10-99 dni/rok), klasa 2 (1-9 dni/rok). Parametr 6 (metoda podania materiału medycznego) - największe ryzyko zakażenia istnieje w przypadku stosowania materiału medycznego do ośrodkowego układu nerwowego (klasa 0) oraz do układu krwionośnego (klasa 1), zaś najmniejsze w przypadku kontaktu z nienaruszoną skórą. Ryzyko transmisji prionów z materiału Bio-Oss, z uwzględnieniem powyższej klasyfikacji jest niskie. Materiał otrzymał w najlepszym przypadku wartość 38,7, zaś w najgorszym 26,0, w związku z tym materiał Bio-Oss można uznać za bezpieczny materiał, stosowany w uzupełnianiu ubytków kości szczęk. Materiały alloplastyczne Wszczepy alloplastyczne są produktami wytworzonymi syntetycznie lub pochodzą z naturalnych źródeł organicznych (np. z korali, z alg), względne nieorganicznych (hydroksyapatyt, ortofosforan trójwapniowy, szkło bioaktywne). Materiały alloplastyczne można podzielić na biozgodne, nie wywołujące szkodliwych reakcji w organizmie (np. tlenek glinu) oraz materiały bioaktywne (wspomagające biologiczne procesy odbudowy kości) naturalne i syntetyczne zawierające fosforan wapnia (np. hydroksyapatyt) (26). Le Geros (25) podzieliła dostępne na rynku fosforany wapnia na 4 grupy: 1) hydroksyapatyty HA [Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ] - naturalne (wołowe lub z koralowca) i syntetyczne, 2) fosforany trójwapniowe [Ca 3 (PO 4 ) 2 ], 3) dwufazowe fosforany wapnia - preparaty złożone β-tcp i HA, 4) niespiekane fosforany wapnia. Hydroksyapatyt jest głównym składnikiem substancji nieorganicznej z której zbudowane jest szkliwo zębowe, zębina oraz kości kręgowców. Również szkielety 9

10 niektórych morskich bezkręgowców po odpowiedniej obróbce hydrotermalnej podlegają transformacji w hydroksyapatyt (27). Ortofosforany wapnia są solami trójzasadowego kwasu ortofosforowego H3PO4, w większości słabo rozpuszczalnymi w wodzie (niektóre są praktycznie nierozpuszczalne), natomiast wszystkie rozpuszczają się w kwasach. Stanowią związki, w których obecne są 3-2- jony: PO 4 i HPO 4 (występujące w minerałach budujących kości i zęby oraz tkankach 2- patologicznie zwapniałych) oraz HPO 4 (powstające wyłącznie w środowisku kwaśnym). Niektóre ortofosforany wapnia są uwodnione i tworzą rodzinę zasadowych fosforanów wapnia zawierających jony OH -. W Tab.1 przedstawione zostały cztery syntetyczne fosforany wapnia z układu fazowego CaO-P 2 O 5, spośród nich najczęściej wykorzystywanym jest TCP. W układzie CaO-P 2 O 5 -H 2 O istnieje wiele fosforanów wapnia, będących często metastabilnymi fazami, które przez odpowiednią obróbkę cieplną mogą występować w danym materiale przez wiele lat na skutek zahamowania kinetycznego przemiany fazy metastabilnej w trwałą. W środowisku wodnym, przy ph powyżej 6,3 jedyną stabilną termodynamicznie fazą pozostaje hydroksyapatyt. W Tab.2 wymieniono wszystkie, interesujące z punktu widzenia medycyny, związki występujące w tym układzie. Tylko hydroksyapatyt i TCP w obecnej chwili są szeroko stosowane jako materiały implantacyjne, pozostałe zaś są w fazie badań bądź też służą jako surowce do produkcji hydroksyapatytu lub TCP. Tabela 1 Fosforany wapnia istotne dla medycyny układ CaO P2O5 Tabela 2 10

11 Fosforany wapnia w układzie CaO P2O5 H2O istotne dla medycyny W układzie CaO-P 2 O 5 -H 2 O (Tab.2) istnieje wiele fosforanów wapnia, jednakże tylko hydroksyapatyt znalazł szerokie zastosowanie. Pozostałe fosforany wapnia z układu Ca0- P 2 O 5 -H 2 O są stosowane jako surowce do otrzymywania TCP lub HAp. W środowisku wodnym przy ph powyżej 6,3 jedyną fazą termodynamicznie stabilną jest hydroksyapatyt Nawet ortofosforany wapnia otrzymane przy odpowiednim ph w szerokim zakresie stosunku Ca/P wykazują strukturę hydroksyapatytu. Hydroksyapatyt jest ortofosforanem wapnia najistotniejszym z punktu widzenia medycyny. W literaturze oznaczany jest symbolami HAp, HAP. HA lub OHAp (28). Apatyt wziął swą nazwę od greckiego słowa he apate, co oznacza oszustwo", fałsz" Wynika z faktu, że minerały apatytowe często nastręczały badaczom wiele problemów przy identyfikacji i były mylone z innymi minerałami takimi jak turmalin czy oliwili. Nazwę apatyt" podał po raz pierwszy w 1790 roku mineralog Werner. Ze względu na pochodzenie można wyróżnić hydroksyapatyt pochodzenia mineralogicznego, biologicznego oraz syntetycznego (29,30). Przegląd materiałów kościozastępczych Badania na wynalezieniem idealnego materiału kościozastępczego trwają nieprzerwanie od połowy XX w. Materiał taki powinien spełniać następujące cechy: 11

12 1. powinien być spójny strukturalnie z otaczającą tkanką kostną, 2. powinien stanowić rusztowanie dla nowo powstającej kości gospodarza, 3. powinien dostarczać czynników regulujących miejscową odpowiedź kości, które mają być uwalniane w sposób przewidywalny, 4. powinien się resorbować w sposób kontrolowany, 5. ostatecznie powinien zostać całkowicie zastąpiony kością gospodarza. W związku z tym dalej za złoty standard uznawane są przeszczepy własnopochodne, gdyż są one najbliższe ideałowi, jednakże postęp i wspólne starania chirurgów i badaczy są na dobrej drodze do osiągnięcia celu: zamiany dotychczasowego złotego standardu kości autogennej. Najbliższa przyszłość wiąże się z dużymi nadziejami doskonalenia właściwości substytutów kości za pomocą wiele obiecującej inżynierii tkankowej oraz terapii genowej. Muschler i Lanea zaproponowali definicję przeszczepu kostnego - za przeszczep kostny uważany jest każdy wszczepiony materiał, który po przeszczepieniu wykazuje właściwości osteogenne (zdolność żywych komórek z przeszczepu do osteogenezy), osteoindukcyjne (zdolność do pobudzania okolicznych komórek biorcy do osteogenezy) lub osteokonduktywne (zdolność do zapewnienia odpowiedniego łoża sprzyjającego odkładaniu nowej kości) będzie wywierał dodatni wpływ na gojenie tkanki kostnej (15). W związku z tym materiały zawierające żywe komórki zwane są przeszczepami, natomiast materiały kościozastępcze nie zawierające żywych komórek wszczepami (26). Obecnie występuje wiele podziałów materiałów kostnych i kościozastępczych, Najprostszym podziałem jest podział na : a) przeszczepy kostne - materiały autogennego pochodzenia (dawcą i biorcą jest ten sam osobnik) b) materiały kościozastępcze 1. Allogenne - dawca i biorca różnią się pod względem genetycznym, jednak należą do tego samego gatunku zawierające żywe komórki - komórki szpiku kostnego - liofilizowana kość gąbczasta (biodrowa) niezawierające żywych komórek FDBA (freeze dried bone allograft) mrożona liofilizowana kość ludzka DFDBA (decalcified freeze dried bone allograft) odwapniona mrożona i liofilizowana kość ludzka. 12

13 AAA (autolyzed antygen exetracted allogenic bone) - kość allogeniczna, autolizowana i pozbawiona antygenów mrożona kość gąbczasta 2. Ksenogenne - dawca i biorca są różni gatunkowo 3. Alloplastyczne - materiały pochodzenia syntetycznego lub naturalnego (organiczne i nieorganiczne) Innym obowiązującym podziałem jest podział na materiały osteogeniczne, osteokondukcyjne i osteoindukcyjne. Osteogeniczność wiąże się z obecnością w okostnej, śródkościu i szpiku komórek macierzystych tkanki kostnej. W wolnych przeszczepach kości, część z tych komórek, położona najbliżej powierzchni przeżywa i podejmuje czynności regeneracyjne. Korzystne wyniki gojenia kości uzyskuje się stosując wióry autogennej kości gąbczastej. Przeszczepy te zawierają dużą liczbę komórek kościotwórczych,, a rozdrobnienie fragmentów kości gąbczastej sprzyja przeżywaniu znacznej części komórek. Aktywność osteogenną wykazują jedynie przeszczepy świeżej kości (31, 32). Osteokondukcja oznacza wzrost pochodzących z uszkodzonej kości osteoblastów wnikających do ubytku lub na powierzchnię obojętnego materiału wszczepowego - materiał taki stanowi jedynie rusztowanie dla nowopowstającej tkanki kostnej. Właściwości takie posiadają zarówno przeszczepy kostne jak i materiały kościozastępcze organiczne i nieorganiczne. Osteoindukcja natomiast to pobudzanie i rekrutacja niezróżnicowanych komórek mezenchymalnych do różnicowania się w osteoblasty. Osteoindukcja wiąże się z obecnością w macierzy kostnej grupy białek określanych jako białka morfogenetyczne kości (bone morphogenetic proteine - BMP). Białka te, uwalniane w trakcie przebudowy kości mają zdolności pobudzania nisko zróżnicowanych komórek tkania łącznej otaczających przeszczep do przemiany w osteoblasty. Zdolności osteoindukcyjne wykazują zarówno świeże przeszczepy kości autogennej, jak i przeszczepy allogenne kości z banku tkanek (szczególnie mrożone i częściowo odwapnione) (33). Przeszczepy autogenne Mimo wielu różnych materiałów wykorzystywanych do augmentacji twardych tkanek wyrostka zębodołowego w ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat przeszczepy autogennej tkanki kostnej są ogólnie uznawane za bardzo dobry materiał augmentacyjny, bliski ideałowi. 13

14 Przeszczep autogennej (autologicznej) kości uważany jest za najbardziej efektywny materiał ponieważ wykazuje właściwości osteogenne. Różne wewnątrz- i zewnątrzustne miejsca biorcze zostały wykorzystane do pobrania przeszczepu, a następnie do odbudowy szkieletu twarzoczaszki. Dodatkowo dokonując przeszczepu własnej kości chorego znacznie minimalizuje się ryzyko przeniesienia chorób zakaźnych oraz zagrożenia związane z wystąpieniem reakcji immunologicznej na przeszczep (7, 22). W celu uzupełnienia znacznych deficytów tkanki kostnej potrzebna jest zazwyczaj większa ilości kości, które jest głównie pobierana jest w takich przypadkach z obszarów zewnątrzustnych, takich jak kość piszczelowa, talerz kości biodrowej lub kości sklepienia czaszki (29). Zewnątrzustne miejsca biorcze są najczęściej wymagane dla augmentacji wyrostka zębodołowego u pacjentów całkowicie bezzębnych, u których występuje znaczna i bardzo zaawansowana resorpcja wyrostka zębodołowego (20). Nieco mniej zauważalnymi cechami niż wymagana ilość kości, ale nie mniej ważnymi, są biologiczne właściwości przeszczepionej kości. Rozwój kości przebiega wzdłuż jednej z dwóch ścieżek ogólnych - kostnienie na podłożu błoniastym - osteogenesis membranacea lub chrzęstnym (łącznotkankowym) - (osteogenesis cartilaginea). W kostnieniu na podłożu chrzęstnym, kość powstaje na drodze kondensacji komórek mezenchymatycznych, procesu, który indukuje ekspresję fenotypu chrzęstnego. Powstająca chrząstka tworzy tymczasowy model przyszłej kości. Chrząstka ta ulega wapnieniu i zostaje stopniowo zastępowana tkanką kostna, odkładająca się na powierzchni przegród zwapniałej macierzy chrzęstnej. Kości powstające w ten sposób to między innymi: kość piszczelowa, strzałkowa, kość udowej, jak również grzebień talerza kości biodrowej. Błoniasty typ kostnienia powstaje także na drodze kondensacji komórek mezenchymatycznych, która indukuje u nich ekspresje fenotypu kostnego, bez komponenty chrzęstnej. W tym typie kostnienia powstają kości twarzoczaszki (z nielicznymi wyjątkami), kości pokrywy czaszki, kości szczęki i żuchwy (trzon i ramiona)(36). Odpowiednie pochodzenie embriologiczne kości, w szczególności błoniasty typ powstawania tkanki kostnej jest uznawany za jeden z czynników sukcesu procedur auto transplantacji tkanki kostnej. Z badań porównawczych odbudowy twarzoczaszki zwierząt i człowieka, wydaje się, że przeszczepy tkanki kostnej powstającej na podłożu błoniastym mają tendencję do utrzymywania ich objętości natomiast przeszczepy tkanki kostnej powstającej na podłożu łącznotkankowym poddane zmiennym stopniom resorpcji. Powyższe fakty mogą świadczyć 14

15 o względnej atrakcyjności wewnątrzustnych miejsc biorczych, które mogą służyć jako doskonałe źródła tkanki kostnej powstającej na podłożu błoniastym (24). Do najczęściej wykorzystywanych zewnątrzustnych miejsc biorczych należy zaliczyć przeszczep pobierany z grzebienia kości biodrowej lub z wewnętrznej powierzchni talerza biodrowego, który może przynieść stosunkowo duże ilości tkanki kostnej w zakresie cm. Zalety przeszczepów z kości biodrowej są negowane po części przez dodatkowe wymagania proceduralne oraz choroby ogólne pacjenta, w związku z tym takie zabiegi są dłuższe, często wymagają stosowania znieczulenia ogólnego, zwiększając tym samym prawdopodobieństwo śród- i pooperacyjnych powikłań (20). Poniżej przedstawiam charakterystykę materiałów dostępnych na polskim rynku, używanych w części klinicznej pracy doktorskiej: Calci-oss Preparat Calc-i-oss składa się z czystego fazowo beta fosforanu trójwapniowego w stosunku molowym 1,5 Ca/P. Czystość p-fazy wynosi >99%, co pozwala na pełną resorpcję znajdującego się w organizmie materiału implantu. Preparat Calc-i-oss ma właściwości osteokondukcyjne. Po wprowadzeniu do ubytku granulat tworzy mikroporowatą strukturę, pozwalającą na tworzenie się tkanki autogennej. Wyższa niż 30% mikroporowatość granulek umożliwia wchłonięcie znacznej ilości krwi. Obecność krwi zapewnia korzystne warunki gojenia. Preparat Calc-i-oss jest wytwarzany całkowicie syntetycznie w procesie spiekania w temperaturze >1000 C i nie zawiera żadnych substancji pochodzenia zwierzęcego ani ludzkiego. Występuje w postaci granulatu o 3 różnych wielkościach: µm, µm, µm. Materiał implantu jest osteokonduktywny i ulega resorpcji w następujących dwóch procesach: fizjologicznego rozpuszczania w płynach ustrojowych i bezpośredniego ataku specyficznych komórek organizmu. W wyniku tych procesów powstają przyjazne dla organizmu produkty, które są łatwo metabolizowane. Resorpcja przebiega zazwyczaj równolegle do procesów regeneracji kości. Zależnie od potencjału regeneracji tkanek, Calc-i-oss resorbuje się całkowicie w czasie 9 do 15 miesięcy. 15

16 Bio-Oss Bio-Oss jest naturalnym materiałem zastępczym pochodzącym z tkanki kostnej - biologiczny apatyt kości wykonany ze specjalnie spreparowanej kości bydlęcej. W trakcie opatentowanego procesu produkcji usuwane są wszystkie składniki mogące powodować przenoszenie chorób lub wywołać reakcje alergiczne (cząsteczki organiczne). Naturalna charakterystyka struktury mineralnej pozostaje mimo to w dużym stopniu niezmieniona. Morfologia i porowatość, powierzchnia wewnętrzna, struktura krystaliczna oraz kompozycja chemiczna są identyczne jak w kości ludzkiej. Występuje w kliku postaciach: Bio-Oss Spongiosa small granules (granulat kości gąbczastej o gradacji 0,25-1 mm), Bio-Oss Spongiosa large granules (granulat kości gąbczastej o rozmiarach cząstek 1-2 mm), Bio-Oss Spongiosa Błock (kość gąbczasta w postaci bloku), Bio-Oss Cortycalis (granulat kości zbitej), Bio-Oss Collagen (gąbka kolagenowa). Nano-Bone NanoBone jest syntetycznym biokompatybilnym i biodegracyjnym materiałem do wypełniania defektów kostnych składającym się z niespiekanego hydroksyapatytu nasyconego tlenkami SiO 2. Dzięki w pełni syntetycznej produkcji przeniesienie infekcji lub chorób pochodzenia zwierzęcego jest wykluczone. NanoBone występuje w formie granulatu o średnim wymiarze 0,6 mm x 2,0mm i 1,0 mm x 2,00 mm i składa się w 76 % (wagowo) z nanokrystalicznego hydroksyapatytu (HA) i z 24 % (wagowo) z Si02- Porowatość materiału wynosi powyżej 80 % Easy-Graft Easy-graft jest bioresorbowalnym, w pełni syntetycznym wypełniaczem ubytków kostnych. Zawiera dwa komponenty: granulki umieszczone w strzykawce i BioLinker zawarty w ampułce. Po ich połączeniu Easy-graft uzyskuje konsystencję papki i może być bezpośrednio ze strzykawki aplikowany do ubytku kostnego. W kontakcie z płynami ustrojowymi Easy-graft twardnieje w ciągu kilku minut tworząc twardą porowatą strukturę, easy-graft jest materiałem w pełni biokompatybilnym, indukującym regenerację kości. Czysty (3-TCP i PLGA pozostające w odpowiednim stosunku nie powodują odczynów zapalnych ani reakcji immunologicznych. Wysokiej czystości β -TCP ulega całkowitej resorpcji w organizmie, Easy-graft zdeponowany do ubytku kostnego tworzy stabilny, porowaty układ. Granulki posiadają mikroporowatość przekraczającą 50%. 16

17 Po założeniu materiału do ubytku kostnego pory pozwalają na wchłanianie krwi w strukturę preparatu. Cerabone Cerabone to wysoce solidny, stabilny pod względem objętości, oczyszczony naturalny materiał pochodzenia wołowego do augmentacji kostnej. Skład mineralny, trójwymiarowa struktura, a także biologiczne i fizyko-chemiczne właściwości Cerabone są bardzo podobne do właściwości kości ludzkiej. Wyjątkowy proces produkcji wykorzystujący ogrzewanie w wysokiej temperaturze usuwa wszelkie komponenty organiczne oraz eliminuje wszelkie potencjalne reakcje immunologiczne: Cerabone jest 100% bezpieczny pod kątem BSE oraz w 100% pozbawiony białek. Cerabone spełnia wszystkie wymagania Załącznika II.4 dyrektywy 93/42/EWG oraz dyrektywy 2003/32/WE. Bio-Gen Dzięki specyficznej metodzie usuwania antygenów wykorzystywanej w celu uzyskania preparatu BIO-GEN substytuty kości ulegają przebudowie przy udziale osteoklastów w sposób fizjologiczny i są w całości zastępowane przez nowo powstającą tkankę kostną. To pozwala na restitutio ad integrum oraz na odtworzenie anatomii i funkcji w zaaugmentowanym miejscu. Przebudowa trwa około 4-6 miesięcy dla substytutów kości gąbczastej i 8-12miesięcy dla wersji korowej preparatu. Widoczna zmienność zależy nie tylko od czynników związanych z pacjentem, ale także od stosunku objętości kości do regeneracji i powierzchni kości w kontakcie z wszczepionym materiałem (im wyższy wskaźnik, regeneracja kości będzie wolniejsza i trudniejsza. Sterylizacja preparatu Bio-Gen przeprowadzana jest promieniami Beta w dawce 25 KgJ. Rozmiar kryształów nm oraz przestrzenna struktura dają możliwość migracji i wzrostu naczyń włosowatych. Bio-Gen nie ulega zwapnieniu. Materiał produkowany jest w postaci granulatu kości korowej oraz gąbczastej, a także w gąbczastych blokach pochodzących z kości udowych i ramiennych SurgiPlaster G170 Surgiplaster G170 składa się w 100% z alloplastycznego siarczanu wapnia. 75% stanowi siarczan wapnia bezwodny, pozostałe 25% to półwodny siarczan wapnia. Augmentowany rejon ma bardzo podobną charakterystykę do kości własnej. To powoduje, że wtórna resorpcja nie będzie tak drastyczna jak w przypadku preparatów opartych na bazie hydroksyapatytu. Preparat SurgiPlaster jest całkowicie neutralny i może być połączony 17

18 w metodzie kanapkowej z innymi preparatami, antybiotykami (np. doxycyklina) lub czynnikami wzrostu PRP, PRF. SurgiPlaster G170 składa się 75% granulatu i 25% pudru o nanocząsteczkowej wielkości (granulacja µm) Wnioski: 1. Istnieje bardzo duże zapotrzebowanie na zastosowanie procedur augmentacyjnych w praktyce stomatologicznej 2. Dąży się obecnie do zmiany złotego standardu kości własnopochnodnej na korzyść materiałów kościozastępczych 3. Ze względu na dynamiczny rozwój sterowanej regeneracji tkanek każdego dnia pojawia się nowa procedura bądź nowy materiał 18

19 Piśmiennictwo: 1. Piętka T.,Krzymański G., Domański W et. Al.: Historyczny przegląd metod i narzędzi do usuwania zębów [A historical review of the methods and instruments used for the extraction of teeth]; Czas. Stomat., 2005, LVIII, 2 2. Supady J. : Chirurgia dentystyczna w XIX wieku [Dental surgery in the 19 th century] Protet. Stomatol., 2010, LX, 4, Prudel N., Rauch J.: Z historii stomatologii Dzieje walki z bólem w stomatologii ze szczególnym uwzględnieniem polskich badaczy. Rys historyczny [History of anesthesia in dentistry highlighting the work of Polish researchers historical overview]; Czas. Stomatol., 2009, 62, 8, Stempowska M., Grzesiak-Janas G.: Historia chirurgii stomatologicznej od czasów starożytnych do początku XX wieku;twój Prz. Stom. 2009, nr 3, s Sikorska B., Hędzelek M., Baum E.: Implanty dentystyczne historia i współczesność [Dental implants history and up-date]; Nowiny Lekarskie 2003, 72, 5, Koczorowska M., Meissner R., Sokalski J.: Przeszczep kostny i jego substytuty w stomatologii przegląd historyczny [Bone graft and bone substitutes in dentistry historical review]; Dent. Forum 2010 Vol. 38 nr 2 s Puchała P., Kucharski G., Jaremczuk B., Monkos-Jaremczuk E.: Przegląd biomateriałów na podstawie piśmiennictwa. TPS 2008, 10, Courville CB :Cranioplasty in prehistoric times; Bull Los Angel Neuro Soc Mar;24(1): Durand JL, Renier D, Marchac D: The history of cranioplasty; Ann Chir Plast Esthet Feb;42(1): Ollier L. (1867). Traite Experimental et Clinique de la Regeneration des Os et de la Production Artificielle du Tissue Osseux, vol I. Paris: Victor Masson et Fils. 11. Barth A.: Histologishe Untersuchungen über Knochenimplantationem; Beitr. Pathol. Anat. Allg. Pathol., 1895; 17: Albee H, Morrison SJ: Studies in bone growth triple calcium phosphate as a stimulus to osteogenesis; Ann Surg 71: T. C. Turner; C. A. L. Bassett; J. W. Pate et al.: Sterilization of Preserved Bone Grafts by High-Voltage Cathode Irradiation; J Bone Joint Surg Am, 1956 Jul 01;38(4): Marshall R. Urist Lectures August 01, 2003 Marshall R. Urist: A Renaissance Scientist and Orthopaedic Surgeon 15. Kamiński A., Zasacka M., Wanyura H.: Demineralizowana macierz kostna przygotowanie i zastosowanie w leczeniu stomatologicznym [Demineralized bone matrix preparation and application in dental treatment]; Czas. Stomatol., 2007, LX, 9, Hidalgo DA.: Fibula free flap: a new method of mandible reconstruction; Plast Reconstr Surg Jul;84(1): Hayter JP, Cawood JI.: Oral rehabilitation with endosteal implants and free flaps; Int J Oral Maxillofac Surg Feb;25(1): Hernandez F.: Injertos óseos en implantología. Técnicas y aplicaciones clínicas. Barcelona: Quintessence; p

20 19. Diaz-Romeral-Bautista M, Manchon-Miralles A, Asenjo-Cabezon J, et al. Autogenous calvarium bone grafting as a treatment for severe bone resorption in the upper maxilla: a case report; Med Oral Patol Oral Cir Bucal 2010;15(2):e Brugnami F, Caiazzo A, Leone C. Local intraoral autologous bone harvesting for dental implant treatment: alternative sources and criteria of choice. Keio J Med. 2009;58(1): Dominiak M., Gerber Leszczyszyn H.: Rekonstrukcja podłoża protetycznego za pomocą plastyki wyrostka zębodołowego szczęki i żuchwy; Adv Clin Exp Med 2005, 14, 3, Arrington E D, Smith W J, Chambers H G, Bucknell A L, Davino N A: Complications of iliac crest bone graft harvesting; Clin Orthop Relat Res 1996, 329: Luthkehermolle W: Biomaterialien fur die Knochenregeneration.In: Wintermantel E., Ha, S. W. (Hrsg.): Medizintechnik mit biocompatiblen Werkstoffen unu Verfahren. Springer, Berlin-Heidelberg-New York Wenz B, Oesh B, Horst M: Analysis of the risk of transmitting bovine spongiform encephalopathy through bone grafts derived from bovine bone; Biomaterials 2001, 22: LeGeros RZ.: Properties of osteoconductive biomaterials: calcium phosphates; Clin Orthop Relat Res Feb;(395): Szyszkowska A., Krawczyk P.: Materiały stosowane do odbudowy ubytków kostnych w stomatologii praca poglądowa [Materiales used to regeneration bones cavities in stomatology. A review article]; Implantoprotetyka 2008; 9(4(33)): Zima A.: Wpływ dodatków modyfikujących na właściwości hydroksyapatytowych wielofunkcyjnych tworzyw implantacyjnych przeznaczonych na nośniki leków rozprawa doktorska; Kraków Szymański A. (pod red.). Biomineralizacja i biomateriały. PWN. Warszawa Sobczak-Kupiec, A., Wzorek, Z.: Właściwości fizykochemiczne ortofosforanów wapnia istotnych dla medycyny - TCP i HAp; Czasopismo Techniczne, Chemia. R. 107, z. 1-Ch, Sobczak, A. Kowalski, Z. : Materiały hydroksyapatytowe stosowane w implantologii; Czasopismo Techniczne, Chemia; R. 104, z. 1-Ch, Safdar, N.; Khan, F, Cammisa, H. Jr.; Sandhu, S.; Ashish, D. et al. The biology of bone grafting. J. Am. Acad. Orthop. Surg., 13:77-86, Aichelmann-Reidy M. E, Yukna R A: Bone replacement grafts. The bone substitute;. Dent Clin North Am 1998, 42, 3: Włodarski K. : Histogeneza tkanki kostnej; Czas. Stomatol., 2009, 62, 4,