$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Ocena zakotwiczenia kości do powierzchni implantów śródkostnych była przedmiotem znacznej uwagi, dla której opisano wiele metod testów mechanicznych1,2. Wszystkie takie metody wywierają siłę, która zakłóca stosowany model kości/implantu i mogą być szeroko pogrupowane w ścinanie, zwykle przedstawiane jako modele wypychające lub wysuwane3,4, odwrotny moment obrotowy3,5 i typy rozciągania6,7. Zazwyczaj w takich testach dochodzi do złamania kości8 lub materiału implantu (w przypadku kruchych szkieł i ceramiki9,10) i, zakładając, że wystąpiła jakaś forma zakotwiczenia, powierzchnia styku kość/implant pozostaje (przynajmniej częściowo) nienaruszona. Takie wyniki eksperymentów oznaczają nie tylko, że siła wymagana do spowodowania złamania (lub rozerwania) modelu nie jest siłą wymaganą do oddzielenia interfejsu kość/implant11,12, ale także, że złożona powierzchnia utworzonej płaszczyzny złamania może być oporna na dokładny pomiar. Niemniej jednak takie testy mogą być istotne klinicznie, ponieważ zapewniają porównawczą ocenę zdolności implantów o różnych konstrukcjach powierzchni do zakotwiczenia w kości. Należy jednak również zauważyć, że takie porównania są ważne tylko w ramach modelu eksperymentalnego, podczas gdy porównania między modelami eksperymentalnymi są obarczone trudnościami, ponieważ badacze wykorzystują różne gatunki zwierząt wykazujące kość blaszkowatą lub tkaną; modele gojenia kości beleczkowej lub korowej oraz różne geometrie i warunki testów mechanicznych.
W celu uzyskania pomiaru wytrzymałości na rozciąganie na styku kości i implantu, wielu badaczy wykorzystało nominalną powierzchnię implantu do wyprowadzenia wartości "wytrzymałości na rozciąganie", ponieważ wytrzymałość na rozciąganie jest mierzona jako siła na jednostkę powierzchni. Jest to wyraźnie przybliżenie, biorąc pod uwagę, jak wyjaśniono powyżej, że interfejs kość/implant pozostaje nienaruszony w wielu stosowanych testach zakłóceń. Ponadto pomiar powierzchni implantów, w szczególności powierzchni złożonych topograficznie, jest ograniczony rozdzielczością techniki pomiarowej, jak omówili Ronald i wsp.13 Jednakże, jak wynika z przeglądu dokonanego przez Brunski i wsp.2, gdy weźmie się pod uwagę nominalną powierzchnię implantu, pozorne różnice w "wytrzymałości na rozciąganie" związane z różnymi konstrukcjami powierzchni implantu są negowane, co sugeruje, że powierzchnie implantów o większej powierzchni zapewniają większe obszary kontaktu kości z implantem, a tym samym wymagają większej siły do złamania modelu. Wynika z tego, że bardziej złożone topograficznie powierzchnie mogą zwiększać osteogenezę kontaktową, co skutkuje większym kontaktem z implantem kostnym (BIC) i wynikającymi z tego wyższymi wartościami zakłóceń w testach mechanicznych. Osteogeneza kontaktowa jest wypadkową dwóch odrębnych zjawisk: osteokondukcji i tworzenia kości. Rzeczywiście, wykazaliśmy, że wzrost osteoprzewodnictwa na powierzchniach złożonych topograficznie można określić ilościowo, mierząc wynikowy BIC14, i że takie powierzchnie powodują również wyższe wartości zakłóceń mechanicznych12.
Warto jednak zauważyć, że kość wokół implantu może powstawać dzięki dwóm mechanizmom. W kontaktowej osteogenezie komórki pochodzenia mezenchymalnego migrują na powierzchnię implantu (osteokondukcjacja), różnicują się w komórki kostne i tworzą macierz kostną de novo na powierzchni implantu (tworzenie kości). Pierwszą opracowaną macierz kostną jest zmineralizowana linia cementowa, którą widać w normalnej przebudowie kości15 (w literaturze istnieje wiele niejasności dotyczących tej zmineralizowanej struktury biologicznej, która czasami jest uważana za niezmineralizowaną1 lub jest zsynchronizowana ze wszystkimi interfejsami w kości16 - pełna dyskusja na ten temat znajduje się w Davies i Hosseini17). Osteogeneza kontaktowa jest niezbędnym warunkiem wstępnym zjawiska wiązania kości, ale nie jest niezbędna do wrastania kości18. Linia zmineralizowanego cementu kości jest mechanicznie słabsza niż zmineralizowany kompartment kolagenowy kości19. Tak więc, intuicyjnie, jeśli porównamy interdigitację matrycy linii cementowej z nanocechami implantu z tkanką kostną w fazie wzrostu do cech makroimplantu, to siła mechaniczna wymagana do zakłócenia tej pierwszej będzie rozsądnie oczekiwana, że będzie mniejsza niż drugiej, a ostatnio wykazaliśmy toeksperymentalnie12.
Kość wokół implantu może również powstawać przez osteogenezę na odległość. W tym przypadku kość osadza się na starej powierzchni kości i stopniowo zbliża się do powierzchni implantu, w wyniku czego powstaje interfejs składający się z amorficznej macierzy i pozostałości komórek osteogennych20. Ogólnie rzecz biorąc, osteogeneza na odległość jest związana z gładkimi lub obrobionymi maszynowo powierzchniami implantów śródkostnych i często występuje w gojeniu kości korowych, podczas gdy złożone mikrotopograficznie powierzchnie są związane z osteogenezą kontaktową, która jest bardziej typowa dla gojenia kości beleczkowej. Modele prób rozciągania wykorzystujące gładkie powierzchnie implantów i gojenie kości korowych były w stanie przetestować właściwości adhezyjne tej amorficznej matrycy biologicznej bez osteogenezy kontaktowej związanej z topograficznie złożonymi powierzchniami i wykazały, że tak zwane "biochemiczne" wiązanie, które występuje, stanowi niewielki składnik wartości "wytrzymałości na rozciąganie" zgłaszanych dla powierzchni złożonych topograficznie21. Wręcz przeciwnie, używając modelu gojenia kości beleczkowej, Wong i wsp.22 wykazały "doskonałą korelację" między chropowatością powierzchni implantu a obciążeniem niszczącym wypychanie i wskazały, że wiązanie chemiczne rzeczywiście odgrywało znikomą rolę w zakotwiczeniu kości na powierzchni implantu. Podczas gdy prawdopodobne jest, że zarówno osteogeneza kontaktowa, jak i kostna odległość występują, w różnym stopniu, we wszystkich śródkostnych przedziałach gojenia wokół implantu, złożone mikrotopograficznie powierzchnie okazały się szczególnie korzystne w przedziałach gojenia kości beleczkowej23. Te ostatnie są klasyfikowane jako kość klasy III lub IV w literaturze stomatologicznej24.
Naszym celem było skupienie się na mechanizmach osteogenezy kontaktowej i wynikającym z niej zakotwiczeniu kości/implantu, które może nastąpić w środowisku gojenia kości beleczkowej. To zakotwiczenie, które jest zależne od topografii powierzchni implantu (patrz wyżej), może wystąpić w różnych zakresach skali. Z jednej strony, tylko cechy implantów submikronowych są zaangażowane w wiązanie kości - co opisano za pomocą interdigitacji matrycy linii cementu kostnego z takimi powierzchniami i widoczne na bioaktywnych szkłach, ceramice i siatkowatych tlenkach metali. Z drugiej strony, tkanka kostna (czasami wraz z unaczynieniem krwi) może rozrastać się do wielomikronowych lub makroskalowych cech powierzchni implantów18. W obu przypadkach dochodzi do pewnego rodzaju zakotwiczenia kości w powierzchni implantu, chociaż mechanizmy są wyraźnie różne. Jednak częstym błędem większości metod badań mechanicznych, o których mowa powyżej, jest ustawienie siły zrywającej w dokładnie prostopadłej lub równoległej płaszczyźnie do powierzchni implantu (w zależności od tego, czy zastosowano tryb rozciągania czy ścinania). Przedstawiamy tutaj metodę, która przezwycięża to ograniczenie.