Klinische Anwendungen von porösem Tantal

Poröses Tantal hat sich aufgrund seiner ausgezeichneten Biokompatibilität, Korrosionsbeständigkeit und Eigenschaften, die der Mechanik des natürlichen Knochens entsprechen, als Wundermaterial in der Biomedizintechnik erwiesen. Ursprünglich wurde Tantal für die Orthopädie synthetisiert, doch inzwischen wird es auch in der Zahnmedizin, in kardiovaskulären Geräten und in der experimentellen regenerativen Medizin eingesetzt. Werfen wir einen Blick auf seine experimentellen und klinischen Anwendungen.

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Warum poröses Tantal?

Tantal ist ein hitzebeständiges Metall, das bei der Verwendung als Biomaterial zahlreiche Vorteile bietet. Poröses Tantal ist neben seiner biologischen Langzeitstabilität auch wegen seiner Osseointegration besonders begehrt.

Poröses Tantal wird durch Ablagerung von Tantal auf einem Gerüst hergestellt, wodurch eine sehr gleichmäßige, vernetzte Struktur entsteht, die sich ideal für medizinische Implantate eignet. Tantalschaum, der durch Sintern oder Raumhalterverfahren hergestellt wird, hat eine weniger regelmäßige Porenstruktur und wird in der Regel für strukturelle oder experimentelle Anwendungen verwendet, bei denen eine geringere Präzision akzeptabel ist.

Poröses Tantal besitzt mehrere wichtige Eigenschaften, die für biomedizinische Anwendungen gut geeignet sind.

• Hohe Porosität (bis zu 80 %) für das Einwachsen von Gewebe und die Vaskularisierung.
• Sein Elastizitätsmodul ist dem spongiöser Knochen sehr ähnlich, was die Abschirmung von Spannungen minimiert und die natürliche Lastübertragung fördert.
• Poröses Tantal hat auch eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit und bleibt unter physiologischen Bedingungen stabil und inert.
• Sein hoher Reibungskoeffizient verleiht ihm außerdem eine maximale mechanische Anfangsstabilität bei der Implantation.

Aufgrund all dieser Eigenschaften eignet sich poröses Tantal besonders gut für den Einsatz in tragenden Implantaten sowie in Gerüsten für die Gewebezüchtung.

Weitere Lektüre: Tantal: Eigenschaften und Anwendungen

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1. Orthopädische Implantate

Poröses Tantal wird häufig in der orthopädischen Rekonstruktionschirurgie eingesetzt, insbesondere bei Patienten mit starkem Knochenverlust oder schlechter Knochenqualität.

--Hüft- und Knieendoprothetik mit porösem Tantal

Poröses Tantal hat sich als effektives Material für anspruchsvolle Hüft- und Kniegelenkersatzoperationen erwiesen. Mechanische Stabilität in Verbindung mit einem hohen Knocheneinwuchspotenzial ist insbesondere bei der Revisions-Totalendoprothese der Hüfte (THA) und der Knie-Totalendoprothese von Vorteil.

Bei der Revisions-HTEP werden zunehmend modulare Augmentate und Hüftpfannen aus porösem Tantal eingesetzt, um umfangreiche Knochenverluste und komplexe Hüftpfannendefekte zu behandeln. Diese Implantate haben eine hochporöse Oberfläche, die ein schnelles Einwachsen des Knochens ermöglicht, und aufgrund ihres hohen Reibungskoeffizienten ermöglichen sie eine starke Primärfixierung.

In einer bahnbrechenden klinischen Arbeit von Weeden und Schmidt (2008) wurde eine Überlebensrate von 98 % nach fünf Jahren bei Patienten nachgewiesen, die im Rahmen einer Revisions-HTEP mit porösen Tantal-Pfannen versorgt worden waren. In der Arbeit wurden 43 schwierige Hüftpfannenrevisionen untersucht, darunter 33 Paprosky Typ 3A und 10 Typ 3B Defekte mit schwerem Wirtsknochenverlust und Beckendiskontinuität. Bei 26 von ihnen wurden modulare Tantal-Augmente zur Ergänzung der Hüftgelenkspfanne verwendet. Nach einer durchschnittlichen Nachbeobachtungszeit von 2,8 Jahren blieben 42 von 43 Komponenten stabil, und es gab nur einen einzigen Ausfall aufgrund septischer Lockerung. [3]

In der Knietotalendoprothetik werden bei großen metaphysären Knochendefekten häufig Konen aus porösem Tantal verwendet, die sowohl eine biologische als auch eine mechanische Fixierung bieten. Die Konen ermöglichen die Wiederherstellung des Knochenbestands und bilden eine solide Grundlage für die Implantatfixierung bei großem Knochenverlust.

--Wirbelsäulenfusionskäfige

Tantal hat in der Wirbelsäulenfusionschirurgie ein enormes Potenzial gezeigt, insbesondere als interkorporelle Cages für das Verfahren der transforaminalen lumbalen interkorporellen Fusion (TLIF). Tantal-Cages sind so konzipiert, dass sie die Stabilität der Wirbelsäule optimieren, die Knochenintegration fördern und gleichzeitig das Risiko von Implantatsenkungen durch mechanische Kompatibilität mit dem angrenzenden Knochen verringern.

Klinisch hat sich gezeigt, dass die Osseointegration von Tantal-Cages besser ist als die von herkömmlichen Materialien wie Polyetheretherketon (PEEK). In einer retrospektiven Auswertung von 40 Patienten, die sich einer TLIF unterzogen, wurden die Ergebnisse bewertet, darunter die Linderung von Symptomen, die Rückkehr zu Aktivitäten und die radiologische Vereinigung der Fusion. Während beide Gruppen, Metallkäfig und PEEK-Käfig, eine ähnliche Funktionsverbesserung aufwiesen, gab es deutliche Unterschiede bei der Knochenreaktion und den Fusionsergebnissen. [4]

Bei der Nachuntersuchung nach einem Jahr traten bei 50 % der PEEK-Cage-Fälle Osteolysen auf, bei den Metall-Cages dagegen nur bei 10 %. Darüber hinaus kam es in 40 % der Fälle mit Metallcages zu einer Fusion, weit mehr als in 15 % der Fälle mit PEEK-Cages. Diese Ergebnisse weisen auf die osteoinduktive Wirkung von Tantal hin, verbunden mit einer hohen Biokompatibilität und mechanischen Belastbarkeit.

2. Zahnimplantate

Die Biokompatibilität und Osseointegrationsfähigkeit von Tantal wird bei Zahnimplantaten für Patienten mit schlechter Knochenqualität oder zuvor fehlgeschlagenen Implantaten ausgenutzt. Die Verwendung von Tantal wird mit einer kürzeren Einheilzeit und einer besseren Langzeitfixierung im Vergleich zu Standard-Titanimplantaten in Verbindung gebracht.

In einer präklinischen Studie wurde die Leistung von Tantal Trabecular Metal (TM)-Dentalimplantaten im Vergleich zu herkömmlichen Titan Screw Vent (TSV)-Implantaten an einem Kaninchen-Femurkondylenmodell untersucht. Im Rahmen der Studie wurden 20 Implantate (10 TM- und 10 TSV-Implantate) nach dem Zufallsprinzip in 10 weiße Kaninchen aus Neuseeland eingesetzt. Nach einer 8-wöchigen Einheilungsphase wurden die Implantate mittels Mikro-Computertomographie (micro-CT), Histologie und Histomorphometrie untersucht. [5]

Die Ergebnisse zeigten, dass die TM-Implantate hinsichtlich des Knochen-Implantat-Kontakts (BIC) und des Knochenvolumens (BV) in dem betreffenden Bereich deutlich besser abschnitten als die TSV-Implantate. Die TM-Implantate wiesen einen BIC von 57,9 % ± 6,5 auf, verglichen mit 47,6 % ± 8 für TSV. Auch das BV lag bei 57 % ± 7,3 für TM-Implantate und 46,4 % ± 7,4 für TSV. Die Mikro-CT-Auswertung bestätigte ebenfalls die Ergebnisse, wobei die TM-Gruppe einen prozentualen Anteil des Knochenvolumens von 89,1 % ± 8,7 gegenüber 79,1 % ± 8,6 für die TSV-Gruppe aufwies.

3. Kraniomaxillofaziale Rekonstruktion

Für die komplexen Gesichtsrekonstruktionen werden poröse Tantalplatten und -netze verwendet, die sowohl ästhetisch konform als auch mechanisch stabil sind. Die offene Porenstruktur ermöglicht die Integration von Weichgewebe und verringert das Infektionsrisiko.

Tantal bietet im Vergleich zu herkömmlichen Materialien wie Ti6Al4V eine verbesserte osteogene Fähigkeit und eignet sich daher besonders gut zur Stimulierung des Knochenwachstums in den komplizierten Regionen von Kiefer und Gesicht.

Um den sehr individuellen Charakter von CMF-Defekten zu berücksichtigen, wurde die 3D-Drucktechnologie eingesetzt, um patientenspezifische poröse Tantalimplantate herzustellen. In einer aktuellen Studie wurden 3D-gedruckte Tantalgerüste mit nanotopografischen Oberflächenmodifikationen untersucht, die durch hydrothermale Behandlung hergestellt wurden. Es wurde berichtet, dass diese Oberflächenmodifikation die Bioaktivität des Gerüsts fördert, indem sie die Adhäsion von Osteoblasten unterstützt und die osteogene Differenzierung von Knochenmarkstammzellen (BMSCs) auslöst. [6]

Schlussfolgerung

Poröses Tantal hat in der Medizin, insbesondere in der orthopädischen und zahnärztlichen Implantatchirurgie, große Bedeutung erlangt. Mit weiteren Fortschritten bei der Verarbeitung und Anpassung wird poröses Tantal auch in Zukunft ein Eckpfeiler der implantierbaren Biomaterialien von morgen sein. Weitere Tantalprodukte und technische Unterstützung finden Sie bei Stanford Advanced Materials (SAM).

Referenz:

[1] Mohandas, Gokhuldass & Oskolkov, Nikita & Mcmahon, Michael & Walczak, Piotr & Janowski, Miroslaw. (2014). Poröse Tantal- und Tantaloxid-Nanopartikel für die regenerative Medizin. Acta neurobiologiae experimentalis. 74. 188-96. 10.55782/ane-2014-1984.

[2] Wang X, Zhou K, Li Y, Xie H, Wang B. Preparation, modification, and clinical application of porous tantalum scaffolds. Front Bioeng Biotechnol. 2023 Apr 4;11:1127939. doi: 10.3389/fbioe.2023.1127939. PMID: 37082213; PMCID: PMC10110962.

[3] Steven H. Weeden, Robert H. Schmidt, The Use of Tantalum Porous Metal Implants for Paprosky 3A and 3B Defects, The Journal of Arthroplasty, Volume 22, Issue 6, Supplement, 2007, Pages 151-155, ISSN 0883-5403.

[4] Cuzzocrea F, Ivone A, Jannelli E, Fioruzzi A, Ferranti E, Vanelli R, Benazzo F. PEEK versus Metallkäfige bei der posterioren lumbalen interkorporellen Fusion: eine klinische und radiologische Vergleichsstudie. Musculoskelet Surg. 2019 Dec;103(3):237-241. doi: 10.1007/s12306-018-0580-6. Epub 2018 Dec 10. PMID: 30536223.

[5] Al Deeb M, Aldosari AA, Anil S. Osseointegration of Tantalum Trabecular Metal in Titanium Dental Implants: Histologische und Mikro-CT-Studie. J Funct Biomater. 2023 Jul 6;14(7):355. doi: 10.3390/jfb14070355. PMID: 37504850; PMCID: PMC10382015.

[6] Zhang C, Zhou Z, Liu N, Chen J, Wu J, Zhang Y, Lin K, Zhang S. Osteogenic differentiation of 3D-printed porous tantalum with nano-topographic modification for repairing craniofacial bone defects. Front Bioeng Biotechnol. 2023 Aug 21;11:1258030. doi: 10.3389/fbioe.2023.1258030. PMID: 37671184; PMCID: PMC10475942.