Van oudsher binden wetenschappers de strijd aan tegen het verval van het menselijk lichaam. Kapotte tanden, heupen en botten worden vervangen door kunstmatige implantaten. Aanvankelijk uit metaal of kunststof, maar nu komen de bioactieve materialen eraan. In de tandheelkunde maakt vooral bioactief glas opgang.

De voorloper van de implantatie was de transplantatie. De eerste Europese verhalen van succesvolle transplantaties van tanden, neuzen en zelfs hele benen stammen uit de Middeleeuwen. In die tijd kon iemand zijn neus verliezen in een zwaardgevecht of door een vergevorderd stadium van syfilis. Er zijn gevallen gerapporteerd waarin huid of vlees van de arm bij de neus is aangebracht. Na de Middeleeuwen verschijnen berichten over transplantatie van neuzen en tanden van slaven.

Met de opkomst van steriele chirurgische technieken aan het einde van de 19e eeuw begonnen wetenschappers te experimenteren met implantaten. Defecten in het lichaam werden opgevuld met metaal- of kunststofmaterialen. Gauw bleek dat dergelijke lichaamsvreemde substanties niet straffeloos kunnen worden aangewend, want in veel gevallen reageert het lichaam met afstotingsverschijnselen. Vandaar de interesse voor biomaterialen, waarbij het probleem van afstoting zich minder stelt. Biomaterialen, gebruikt bij implantatie, zijn natuurlijke materialen die qua samenstelling sterk op het menselijke weefsel gelijken en daarom veel minder als lichaamsvreemd worden ervaren. Sommige biomaterialen zijn bovendien bioactief, wat betekent dat ze in interactie treden met het omliggende weefsel. Een bioactief implantaat maakt contact met het omliggende weefsel en vergroeit er als het ware mee.

BIOACTIEF GLAS

Aan de KU Leuven wordt sinds de jaren ’80 geëxperimenteerd met bioactief glas. Professor Paul Ducheyne van de afdeling metaalkunde en toegepaste materiaalkunde bracht de idee mee uit de Verenigde Staten en tandarts Evert Schepers, ondertussen ook professor in de tandheelkunde, wijdde zijn doctoraat aan het gebruik van bioactief glas bij het opvullen van botdefecten in de kaken. Schepers: ‘Tot het einde van de jaren ’80 maakte men vooral gebruik van botsubstitutiematerialen op basis van calciumfosfaat voor het opvullen van defecten in het kaakbeen. Het defect, dat bijvoorbeeld ontstaat na extractie van een tand en de bijbehorende tandwortel, wordt eerst opgevuld met calciumfosfaat. Later kan men daarin een tandimplantaat of kunstwortel aanbrengen.

‘Een belangrijk voordeel van materiaal op basis van calciumfosfaat is dat het calciumfosfaat, een bioactief materiaal, bindt met het omgevende botweefsel, waardoor het zich stevig verankert in het botdefect. Nadeel is dat calciumfosfaat wel bindingen aangaat met het botweefsel, maar niet met het omliggende weke weefsel (waaronder bindweefsel). Bovendien riskeren de calciumfosfaatkorrels zich langzaam te verspreiden in het omgevende weefsel. De verankering is dus niet ideaal.’

Bioactief glas heeft die nadelen niet. Dit biomateriaal bindt zowel met het botweefsel als met het omgevende weke weefsel. De interactie van het substitutieweefsel met het lichaam is daarom groter en het resultaat is steviger. Schepers: ‘Bioactief glas is opgebouwd uit vier elementen: silicium, calcium, natrium en fosfaat. Vanwege het lage percentage silicium (45 procent) kun je deze quaternaire glassoort als een bioactief materiaal beschouwen ( quaternair, omdat het bestaat uit vier elementen, mf). Gewoon vensterglas bevat een zeer hoog siliciumgehalte (ca. 95 procent).’

BEAGLEHONDEN

De wetenschappelijke interesse voor bioactief glas vond algauw gehoor bij een industriële partner die wel brood zag in het nieuwe substitutiemateriaal. De Amerikaanse firma OrthoVita commercialiseerde het bioactieve glas onder de benaming BioGran©. BioGran©-korrels, met een precieze afmeting tussen 300 en 355 micrometer, werden in Leuven uitgetest in dierexperimenten met beaglehonden. ‘Beaglehonden vormen een uitstekend en goed gedocumenteerd proefmodel in de tandheelkunde’, aldus professor Schepers. ‘Deze Engelse jachthonden zijn namelijk niet agressief.’

Bij de proefhonden werd een aangebracht botdefect in het kaakbeen opgevuld met bioactief glas waarin, in een tweede fase, een tandimplantaat werd ingebracht. ‘Voor de regelmatige controles en voor het poetsen van het gebit, wat tweemaal per week plaatsvond, moesten de honden aanvankelijk worden verdoofd, maar na verloop van tijd wenden ze aan de procedure en konden verzorging en controles zonder sedatie verlopen, wat een belangrijk voordeel is.’

Het hondenexperiment nam ruim twee jaar in beslag, wat zeer lang is voor een dierenexperiment. Het ging om een vergelijkende studie waarbij bioactief glas vergeleken werd met hydroxylapatiet, een courant gebruikt biomateriaal op basis van calciumfosfaat. De veranderingen in de opgevulde holten in het kaakbeen werden een jaar lang van nabij gevolgd.

Vrijwel onmiddellijk na de aanbreng van bioactief glas in het botdefect verdwijnt natrium uit het substitutiemateriaal en vindt een uitwisseling plaats met het omgevende weefsel. Daardoor worden chemische verbindingen in het bioactieve glas verbroken en ontstaat een losmazige structuur, een soort netwerk. Amper één maand na de inbreng van het bioactieve glas is de structuur ervan veranderd. De korrels krijgen een calciumfosfaatrijke buitenlaag die vrijwel identiek is aan de calciumfosfaatrijke samenstelling van het omliggende botweefsel. Op de botcellen na is er dan nog weinig verschil tussen het bot en de buitenlaag van de bioactieve glaskorrels.

De chemische veranderingen binnenin de bioactieve korrels vertalen zich ook in fysische veranderingen. Het silicium verandert in een gel, waardoor de glaskorrels een sponsachtig karakter krijgen. De buitenlaag van de korrels vertoont barsten waarlangs fagocyterende cellen in de korrels binnendringen. Fagocyterende cellen zijn de ‘opruimers’ in ons lichaam. Ze nemen de siliciumgel op en ‘verteren’ die als het ware. Daardoor verdwijnt het silicium langzaam maar zeker. Via de barsten in de korrels komen ook botvormende cellen binnen. Ze bevolken de korrels en beginnen botweefsel aan te maken. In het centrum van bioglaskorrels groeit geleidelijk aan meer en meer botweefsel. Het bot groeit uit de korrels en smelt samen met andere botstrengen die overal in het substitutiemateriaal de kop opsteken.

‘Twaalf maanden na de inbreng van het bioactieve glas kan men geen onderscheid meer maken tussen de samenstelling van het substitutiemateriaal en het omgevende botweefsel, op de cellen in het natuurlijke botweefsel na. De anorganische fase van bot- en vulweefsel is identiek geworden. Het bioactieve glas is als het ware opgegaan in de omgeving’, zegt Schepers enthousiast. ‘Meer nog: het heeft het omgevende botweefsel gestimuleerd tot groei, waardoor het defect gedicht is.’

lichaamsvreemd

Wat is er ondertussen gebeurd met het andere materiaal, het hydroxylapatiet, dat in de vergelijkende studie werd onderzocht? ‘Hydroxylapatiet is een waardevol vulmateriaal voor botdefecten in het kaakbeen, maar het blijft gescheiden van het omgevende botweefsel. De hydroxylapatietkorrels worden niet bevolkt door botvormende cellen, wat betekent dat er geen botweefsel tussen de vulkorrels groeit. Het geheel is dus minder stevig.’

Dat bioactief glas wél botvormende cellen aantrekt, terwijl hydroxylapatiet die eigenschap niet heeft, heeft alles te maken met de invloed van het bioactieve substitutiemateriaal op de weke weefsels. ‘De aanwezigheid van bioactief glas zet de bloedvaatjes in de omgeving aan tot groei. Dankzij de ingroei van bloedvaatjes in het gevulde defect (revascularisatie) kunnen eerst opruimcellen en vervolgens botvormende cellen worden aangevoerd. Omdat deze botvormende cellen de calciumfosfaatrijke omgeving ervaren als lichaamseigen, gaan ze spontaan bot vormen.’ In tegenstelling tot bioactief glas wordt hydroxylapatiet nog grotendeels als lichaamsvreemd ervaren.

Dit boeiende proces is alleen mogelijk wanneer de bioactieve glaskorrels precieze afmetingen hebben, met een diameter tussen 300 en 355 micrometer. ‘Alleen bij deze grootte worden de korrels volledig getransformeerd in botweefsel’, zegt professor Schepers. Zijn de korrels te groot, dan blijft de binnenste kern glazig en blijft de omvorming minder volledig. Zijn de korrels daarentegen te klein, dan verloopt de omvorming te snel en komt de revascularisatie (de ingroei van bloedvaten in de korrels) in het gedrang. De botvormende cellen hebben tijd nodig om in de korrels te groeien en bot te vormen.

Alle korrels moeten bovendien even groot zijn. ‘Wanneer je kleinere met grotere korrels mengt, zijn er minder openingen tussen de korrels waardoor bloedvaten minder ruimte hebben om in te groeien.’

Een andere voorwaarde om het botvormende proces tot een goed einde te brengen, is immobilisatie. Er mag geen beweging of geen rechtstreekse druk worden uitgeoefend op het vulmateriaal, anders lukt het niet. Om die reden is bioactief glas bijvoorbeeld niet geschikt om breuken sneller te doen genezen. Van zodra er ook maar enige beweging bestaat tussen de twee botdelen, valt de botgroei stil. Door de beweging gaan de korrels zich namelijk verspreiden wat het botomvormende proces verstoort. ‘Bioactief glas kan om dezelfde reden ook niet worden gebruikt voor de opbouw van botweefsel. Tenzij je erin slaagt de korrels te immobiliseren’, zegt Schepers.

De laatste belangrijke beperking van bioactief glas is het kostenplaatje: tot op heden worden toepassingen met dit vulmateriaal niet terugbetaald door het RIZIV, wat de factuur voor de patiënt doet oplopen.

Basis voor tandimplantaten

In Leuven en elders wordt bioactief glas meer en meer aangewend om defecten in het kaakbeen, ontstaan na tandextractie, te vullen vooraleer een tandimplantaat of kunstwortel wordt ingebracht. Tussen het vullen van het defect en het inbrengen van het implantaat verlopen gemiddeld acht, negen maanden wachttijd. Die tijd is nodig om het materiaal de tijd te geven zich tot botweefsel om te vormen. Nadien brengt men het implantaat aan en na een nieuwe wachttijd van enkele maanden, wordt dan het kroon- of brugwerk geplaatst. Een goed verankerd implantaat gaat levenslang mee, op voorwaarde dat de bezitter zijn gebit goed onderhoudt, natuurlijk.

Paradontitis

‘Enkel wanneer de botdefecten voldoende wanden hebben en als het ware een kommetje vormen, zodat bioactieve glaskorrels zich niet kunnen verspreiden in de omgeving, kunnen we deze paradontitis-defecten opvullen met bioactief glas’, zegt prof. Schepers. De toepassing bij paradontitis is voorlopig dan ook beperkt.

Sinuslifting

In de bovenkaak zitten links en rechts twee natuurlijke holten: de respectievelijke linker en rechter sinus maxillaris. Soms is de botlaag tussen de onderste sinuswand en de tandenboog zo dun, dat er op die plaats geen implantaten kunnen worden aangebracht. Een kaakchirurg heeft namelijk minimaal tien millimeter botdikte nodig om een kunstwortel in te brengen zonder de sinus te beschadigen. Met bioactief glas kan men de onderwand van de sinus ‘ophogen’ door een laagje korrels in de sinus in te brengen. Op die manier bekomt men een dikkere botlaag tussen tandenboog en sinusholte en creëert men de mogelijkheid om kunstwortels te plaatsen.

Kaakcorrecties

Kaken die niet mooi op mekaar aansluiten, kunnen met kaakchirurgie worden gecorrigeerd (orthognatische chirurgie). Ook in deze indicaties wordt soms bioactief glas gebruikt. Bij iemand met een te dunne onderkaak bijvoorbeeld, zal men de onderkaak splitsen en de gecreëerde holte opvullen met bioactief glas, wat resulteert in een fraaier resultaat.

Marleen Finoulst

‘De aanwezigheid van bioactief glas zet de bloedvaatjes in de omgeving aan tot groei.’