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Welche Effekte sich ergeben, wenn man die Oberflächen von Titanimplantaten konditioniert

Plasma-Jet zur Herstellung von CAP im Rahmen einer Studie des Autors in Kooperation mit der AG Plasmatechnologie, Institut für Experimentelle und Angewandte Physik an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel.

Die Verwendung von dentalen Titanimplantaten gilt aufgrund einer vorhersagbaren Osseointegration als sicheres Standardverfahren in der Zahnmedizin. Jedoch sind viele immunologische Prozesse, auf denen die Osseointegration beruht, noch nicht vollständig erforscht. Vor allem der Einfluss der Implantatoberflächen auf die immunologische Entzündungsreaktion in der Frühphase der Osseointegration steht derzeit im Fokus der Forschung. Die Konditionierung von Titanober­flächen dentaler Implantate mit physikalischem Plasma ist ein vielversprechendes Verfahren, um die Implantatoberfläche zu modifizieren und somit einen Einfluss auf die Osseointegrationsprozesse zu nehmen. Forschungsergebnisse der vergangenen Jahre scheinen klinisch relevante Effekte hinsichtlich einer modifizierten immunologischen Wirtsreaktion, positiver zellulärer Effekte und klinisch messbarer verbesserter Osseointegration zu belegen. Weiterhin spielt die Anwendung von kaltem atmosphärischem Plasma für Dekontaminationsprozesse im Rahmen der Periimplantitistherapie eine zunehmende Rolle in der Wissenschaft. Für die dentale Anwendung kommen derzeit kaltes atmosphärisches Plasma (CAP: Cold atmospheric plasma) und Niederdruckplasma (LPP: Low pressure plasma) infrage. Autor PD Dr. Sönke Harder betrachtet in seinem Beitrag für die Implantologie 2/21 die Möglichkeiten der Konditionierung von Titan­oberflächen mit physikalischem Plasma und die dadurch hervorgerufenen Effekte näher.

In keiner anderen Disziplin der Zahnmedizin schreitet die Entwicklung so schnell voran wie in der Implantologie. Ziel der Zeitschrift ist es, dem Fortbildungsangebot im Bereich der Implantologie durch die Veröffentlichung praxisbezogener und wissenschaftlich untermauerter Beiträge neue und interessante Impulse zu geben und die Zusammenarbeit von Klinikern, Praktikern und Zahntechnikern zu fördern. Mehr Infos zur Zeitschrift, zum Abo und zum Bestellen eines kostenlosen Probehefts finden Sie im Quintessenz-Shop.

Einleitung

Die Osseointegration von Zahnimplantaten aus Titan gilt als vorhersagbar und weist eine hohe Erfolgswahrscheinlichkeit auf1. Allerdings kann es in der frühen Phase des Osseointegrationsprozesses oder in der späten Funktionsphase durch eine nachfolgende Zerstörung der bereits ausgebildeten Knochen-Implantat-Verbindung zu Implantatverlusten kommen2. Während die Spätkomplikationen der Implantat-Knochen-Verbindung häufig durch externe Einflüsse (mangelhafte Mundhygiene, Nikotinabusus, Fehlbelastungen usw.) hervorgerufen werden, ist die erfolgreiche Osseointegration dentaler Implantate in erster Linie bestimmt durch die immunologische Reaktion des Wirtsorganismus auf den entstandenen Gewebeschaden und den eingebrachten Fremdkörper (zum Beispiel Implantat) selbst. Der immunologischen Wirt-Implantat-Beziehung kommt hierbei eine besondere Bedeutung zu, da das Vorhandensein eines Biomaterials durch die Aktivierung des Komplementsystems und der Makrophagen immunologische Reaktionen auslöst, von denen erwartet wird, dass sie periimplantäre Ereignisse wie Entzündung, Heilung, Osseointegration und langfristige Wirtsreaktionen steuern3. Die spezifische fremdkörperbezogene Immunreaktion des Wirts wird durch die physiko-chemische Beschaffenheit der Implantatoberfläche mitbestimmt4. Idealerweise sollten daher die Oberflächeneigenschaften eines Implantats die Fremdkörperreaktion des Wirtsorganismus im positiven Sinne modulieren können, insbesondere in der frühen Phase nach Implantation5,6. Aus diesem Grund wurde im Rahmen zahlreicher Untersuchungen versucht, die Oberflächeneigenschaften dentaler Implantate zu modifizieren und damit die Gewebereaktionen zu optimieren7.

Die Oberflächenbehandlung mit technisch erzeugtem Plasma als viertem Aggregatzustand gilt als ein vielversprechender Ansatz für die Oberflächenmodifikation von dentalen Implantaten aus Titan8. Neben physikalisch-biologischen Effekten wurden in den vergangenen Jahren auch Dekontaminationsverfahren mit physikalischem Plasma beschrieben, da eine antimikrobielle Wirkung von kalten Plasmen für eine Vielzahl von Mikroorganismen, das heißt, oralpathogenen Keimen, nachgewiesen werden konnte9. Daher sollen im Rahmen dieses Beitrags die Möglichkeit der Konditionierung von Titan­oberflächen mit physikalischem Plasma und die dadurch hervorgerufenen Effekte näher betrachtet werden.

Physikalische Grundlagen von technischem Plasma

Überblick und Definitionen

Plasma wird neben den Aggregatzuständen fest, flüssig und gasförmig als vierter Aggregatzustand der Materie beschrieben. Es handelt sich dabei um ein elektrisch neutrales ionisiertes Gas, das als elektrisch leitendes Medium eine Vielzahl von besonderen Eigenschaften (zum Beispiel antibakterielle Wirkung) besitzt10. Aus verschiedenen Gasen (zum Beispiel Argon oder Sauerstoff) entsteht unter Zuführung ausreichender Energie ein physikalisches Plasma. In diesem Zustand lösen sich die äußeren Elektronen der Gasatome bzw. -moleküle. Durch die freie Bewegung der Atome, Moleküle, Ionen und Elektronen kommt es zu Wechselwirkungen untereinander sowie zu einer Mischung aus reaktiven Sauerstoff- und Stickstoffspezies, angeregten Molekülen, geladenen Teilchen, chemisch reaktiven neutralen Teilchen und ultravioletter (UV) Strahlung. Die Zusammensetzung der reaktiven Komponenten im Plasma hängt von der Art der verwendeten Quelle sowie von den angewandten Betriebsbedingungen und Parametern ab11.

Die bekannten Plasmaarten lassen sich in Hochtemperatur-, thermische und nichtthermische Gruppen einteilen. Im Hochtemperaturplasma sowie im thermischen (Quasi-Gleichgewichts-)Plasma liegen die Temperaturen oft zwischen 10.000 und 100.000 Kelvin (K) (1–10 Elektronenvolt [eV]), was die klinische Anwendbarkeit stark einschränkt. Ein nichtthermisches (Nicht-Gleichgewichts-)Plasma verfügt dagegen über Teilchen, die sich nicht im thermischen Gleichgewicht befinden. Dieses Plasma wird als kaltes atmosphärisches Plasma bezeichnet und hat bei Raumtemperatur nur schwere Teilchen, was zu einem Einsatzpunkt von ≤ 40°C führt11. Im Rahmen dieses Beitrags sollen nur die für die dentale Anwendung geeigneten Verfahren des CAP und des Niederdruckplasmas beschrieben werden.

Kaltes atmosphärisches Plasma 

Als CAP wird die Plasmaart beschrieben, bei der der Druck, unter dem das Plasma generiert wird, dem umgebenden Atmosphärendruck entspricht. Demzufolge ist hier kein Reaktionsgefäß notwendig, um den speziellen Druck des jeweiligen Plasmas bei dessen Nutzung aufrechtzuerhalten. Die Erzeugung von CAP erfolgt unter der Verwendung verschiedener Gase, wie Helium, Argon, Stickstoff, Heliox (ein Gemisch aus Helium und Sauerstoff) sowie Luft12. CAP-Geräte für den klinischen Einsatz können in die folgenden drei Kategorien eingeteilt werden11:

  • auf direkter Entladung (DBD: Dielectric barrier discharge) basierend
  • auf indirekter Entladung basierend
  • Hybridtypen aus den zwei vorgenannten Typen

DBD-Geräte können ein Plasma ausschließlich in Luft ohne Trägergase erzeugen. Sie bieten eine höhere Intensität und eine besser anpassbare und kontrollierte Entladung. Geräte für den dentalen Einsatzbereich, die auf indirekter Entladung basieren, werden als Plasmastrahlen, Plasma­stifte oder Plasmabrenner bezeichnet. Das CAP wird dabei mit einer Plasmadüse erzeugt, in der durch Hochspannungsentladung (5–15 Kilovolt [kV], 10–100 Kilohertz [kHz]) ein gepulster Lichtbogen hergestellt wird. An dieser Entladungsstrecke strömt das Prozessgas (häufig Argon) vorbei und wird angeregt, wodurch es in den Plasmazustand überführt wird. Über einen Düsenkopf wird das Plasma auf die Oberfläche des zu behandelnden Materials geleitet13. Durch ihre Bauform sind diese Geräte auch für die Chairside-Behandlung in der Zahnmedizin geeignet (Abb. 1a und b). Die Größe der Plasmaflamme ist dabei durch die Bauform der Geräte begrenzt. Größere Plasmaflammen erfordern auch baulich größere Geräte. Diese werden eher im Bereich der Forschung und der Materialwissenschaften eingesetzt (Abb. 2a bis c).

Niederdruckplasma

Als LPP wird ein Plasma bezeichnet, das bei einem Druck deutlich unterhalb des Atmosphärendrucks gezündet wird. Für die Aufrechterhaltung des Niederdrucks ist ein Reaktionsgefäß beziehungsweise eine -kammer notwendig (Abb. 3a bis c). Die hierbei verwendeten Druckverhältnisse zur Herstellung von LPP liegen bei wenigen Pascal und somit um den Faktor 10.000 niedriger als der Atmosphärendruck. Bei der Plasmakonditionierung mit Niederdruck wird in einer Kammer über einen Gasabzug die Atmosphäre evakuiert und über eine Gaszufuhr ein Prozessgas eingeführt. Anschließend wird das Plasma gezündet. Das Prinzip beruht darauf, dass, wenn zwei Stoffe eine Ladungsdifferenz besitzen, ein elektronisch messbares Feld zwischen ihnen entsteht. Ist die angelegte Spannung groß genug, um den Widerstand zwischen den zwei Stoffen zu überwinden, kommt es zum Ladungsaustausch. Im Niederdruckplasma entstehende optische Emissionen werden durch den angelegten Partialdruck, das Plasmagas und vor allem die zur Plasmaanregung genutzte Energie bedingt. Die dabei entstehenden Emissionen reichen bis in den Vakuum-UV(VUV)-Bereich (λ < 180 Nanometer [nm]). Die Wirkung der generierten UV-Strahlung ist wichtig für das Aufbrechen langkettiger Kohlenstoffverbindungen und für die Bildung von Radikalen14. Die Anwendung von LPP in der Konditionierung von Implantatoberflächen ist jedoch noch wenig wissenschaftlich untersucht worden. Dennoch stellt diese Plasmaart eine interessante Möglichkeit zur Konditionierung von Implantatoberflächen dar und soll daher im Rahmen dieses Beitrags Erwähnung finden.

Effekte der Plasmakonditionierung von Implantatoberflächen

Da die Voraussetzung zur Plasmakonditionierung von Implantaten in der zahnärztlichen Praxis mit einem zusätzlichen apparativen Aufwand verbunden ist, stellt sich hier wie bei jeder Investition die Frage nach dem tatsächlichen Nutzen im klinischen Alltag. Welche Evidenz gibt es also derzeit für Effekte, die durch eine Konditionierung mit technischem Plasma hervorgerufen werden und die tatsächlich eine Relevanz für das Behandlungsergebnis haben? Die derzeit verfügbare Literatur bietet hier verschiedene Anhaltspunkte, die im Folgenden weiter erläutert werden sollen.

Effekte auf die physikalischen Oberflächeneigenschaften von Titan nach Plasmakonditionierung

Die Plasmabehandlung bewirkt neben einer Reihe weiterer physikalisch-chemischer Veränderungen eine Veränderung der Benetzbarkeit der Ober­fläche (superhydrophile Oberfläche), ohne deren Mikrostruktur zu beeinträchtigen15. Weiterhin wird die Oberfläche aktiviert, vergleichbar mit einer Konditionierung mittels UV-Licht-Bestrahlung16–18. Der Nachweis der superhydrophilen Oberfläche lässt sich am besten durch die Verringerung des In-vitro-Wasserkontaktwinkels von behandelten Titanoberflächen demonstrieren (Abb. 4a und b). Als superhydrophil wird dabei eine Oberfläche mit einem Kontaktwinkel  > 10° bezeichnet. Es wird weiterhin angenommen, dass die Eigenschaft der Plasmakonditionierung, die physikalisch-chemischen Eigenschaften der Titanoberflächen zu verändern, eine „Verjüngung“ der Oberfläche herbeiführen kann17. Die Verbesserung der Benetzbarkeit durch Superhydrophilie könnte sich als vielversprechend bei der Behandlung von periimplantären Entzündungen erweisen19, da sie eine Verbesserung der Proliferation von Osteoblasten- und Fibroblastenzellen bewirkt sowie die Anzahl der Immunzellen steigert, die im Defektbereich verbliebene Bakterien abtöten können19.

Effekte auf die initiale humorale Immunreaktion nach Plasmakonditionierung

Eine Behandlung von Implantatoberflächen mit technischem Plasma verändert die immunologischen Reaktionen eines Wirtsorganismus im Vergleich zu unbehandelten Oberflächen. Es muss grundsätzlich angenommen werden, dass der Kontakt zwischen einem implantierten Biomaterial und menschlichen Gewebebestandteilen zur Bildung von Mediatoren führt, die eine Entzündungsreaktion erzeugen6,20. Die erste Reaktion auf die Insertion eines Implantats ist somit eine Entzündungsreaktion, die die frühe Phase der Osseointegration einleitet. Ein Merkmal dieser entzündlichen Prozesse ist dabei die Aktivität von proinflammatorischen Zytokinen wie zum Beispiel Interleukin 1-beta (­IL1-β) und Tumornekrosefaktor-alpha (TNF-α)6,20. Ein Schlüsselmediator des Entzündungsprozesses ist IL1-β, das maßgeblich an der reparativen Phase der Wundheilung beteiligt ist, indem es entweder die Zellfunktionen direkt beeinflusst oder weitere Zytokine und Wachstumsfaktoren ausschüttet21. Chronische und exzessive Entzündungsreaktionen gelten als Risikofaktoren und können zur Hemmung der Osseointegration führen22. Die Expression von TNF-α in der frühen Phase der Osseointegration kann somit einen direkten Einfluss auf den späteren Erfolg der Implantation haben, wie die erhöhte Expression von TNF-α in der frühen und mittleren Phase der Osseointegration zeigt, die spätere implantatbezogene Komplikationen vorhersagen kann23.

Das Vorhandensein von proinflammatorischen Zytokinen ermöglicht es nun, die Wirkung der Oberflächenmodifikation von Implantaten mit physikalischem Plasma zu bewerten20. Erste Studien, die sich dieser Betrachtungsweise gewidmet haben, führten zu dem Ergebnis, dass die Konditionierung der Implantatoberfläche durch Fotofunktionalisierung mittels UV-Licht oder mit CAP die initiale Immunantwort moduliert und Entzündungsreaktionen nachweislich reduziert werden können22,24. In einer Studie unserer Arbeitsgruppe wurde die Wirkung der Konditionierung mittels CAP- und LPP-Konditionierung auf die Expression von proinflammatorischen Zytokinen in einem In-vitro-Modell mit menschlichem Vollblut untersucht. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass die CAP- und LPP-Behandlung von Titanimplantaten die Expression von IL1-β und TNF-α in der anfänglichen Kontaktzeit mit menschlichem Vollblut deutlich reduziert. 

Effekte auf die initiale zelluläre Reaktion nach Plasmakonditionierung

Verschiedene zelluläre Effekte konnten nach Plasmakonditionierung von Titanoberflächen beobachtet werden. So wird nach Plasmakonditionierung von einer erhöhten Zellproliferation, Zellausbreitung und Proteinsynthese der extrazellulären Matrix berichtet25. Osteoblastenähnliche Zellen wurden vermehrt in die Lage versetzt, hochentwickelte zelluläre Netzwerke zu bilden, wenn sie auf CAP-konditionierten Titanoberflächen kultiviert wurden26–28. In Tierversuchen wurden nach Zellkontakt mit plasmakonditionierten Oberflächen weniger Chromosomenaberrationen und Zellkernverformungen nachgewiesen als bei unbehandelten Titanoberflächen29. Weiterhin berichteten Swart et al.30 bereits früh von einer Erhöhung der Akkumulationsrate von Osteoblasten, während Canullo et al.31 eine Verbesserung der Zelladhäsion von Fibroblasten in den ersten acht Stunden nach der Implantation demonstrieren konnten. Entgegen diesen Ergebnissen konnte in einer Untersuchung unserer Arbeitsgruppe jedoch kein Hinweis auf eine initial verbesserte Anhaftung von Osteoblasten auf plasmakonditionierten Titanober­flächen festgestellt werden32.

Effekte auf die Geschwindigkeit und Qualität der Osseointegration

Im Zuge von Tierversuchsmodellen konnten bereits früh erste Hinweise auf eine Verbesserung der Geschwindigkeit und der Qualität der Osseointegration nach Plasmakonditionierung nachgewiesen werden. So wurde berichtet, dass eine Chairside-Plasmakonditionierung von Titanimplantaten im Vergleich zu unbehandelten Implantatoberflächen in einem Hundemodell zu einem 300-prozentig höheren Knochen-Implantat-Kontakt (BIC: Bone-implant contact) und einer um 30  Prozent verbesserten Belegung der Knochenfläche (BAFO: Bone area fraction occupancy) führt33. Im Hinblick auf den Osseointegrationsprozess wurde in anderen Studien berichtet, dass der Unterschied in der Entzündungsreaktion in zwei Tiermodellen nach kurzer Beobachtungszeit zu einer verbesserten Osseointegration führte24,34. In einer Studie am Minischweinmodell konnte gezeigt werden, dass die CAP-Konditionierung von sandgestrahlten und säuregeätzten Titanimplantaten vor der Implantation zu keinen morphologischen Oberflächenveränderungen, aber zu einer Verbesserung der Osseointegrationsparameter (zum Beispiel BIC) nach acht Wochen Einheilung führte25. In der histologischen Auswertung konnte in derselben Studie eine homogene Mineralisierung des neu gebildeten Knochens nachgewiesen werden. Hieraus lässt sich ein vielversprechender Ansatz der CAP-Konditionierung vor Implantatinsertion ableiten.

Antibakterielle Effekte im Rahmen der Periimplantitistherapie

Häufig besteht in der Periimplantitistherapie die Schwierigkeit, mit Hand- oder rotierenden Instrumenten die zu behandelnden Implantatoberflächen zu erreichen. Die Plasmaflamme könnte hingegen auch in diesen schwer zugänglichen Bereichen eingesetzt werden. Im Rahmen einer Studie, die verschiedene Reinigungsmethoden (zum Beispiel Laserbestrahlung, Luftabrasion und Chlor­hexidin [CHX]) für Titanoberflächen verglichen hat, reduzierte die Verwendung von CAP die Lebensfähigkeit und Menge oraler Biofilme signifikant, obwohl eine vollständige Biofilmentfernung nicht erreicht wurde35. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass eine Kombination von konventioneller Periimplantitistherapie und CAP zu einem signifikant verringerten Nachweis von Bakterien sowie einem höheren Knochenniveau führt36. Aus dem Nachweis einer Desinfektion von Implantatoberflächen mit CAP ergibt sich das Potenzial, dass dies ein möglicher Ansatz zur Reinigung kontaminierter Implantatoberflächen sein könnte37. Die mikrobiziden Eigenschaften von technischem Plasma liegen dabei in der Bildung von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS: reactive oxygen species) und Stickstoffspezies (RNS: reactive nitrogen species), einschließlich freier Radikale, geladener Elementarteilchen, elektrischer Felder sowie der Emission von UV-Strahlung. Diese physikalischen Prozesse führen sehr wahrscheinlich zu einer Oxidation bakterieller Zellmembranen und Desoxyribonukleinsäure (DNA). Verschiedene Strukturen der Mikroorganismen werden durch ROS und RNS angegriffen. Dabei wird die Zellwand verätzt und durch Disruption und Lipidperoxidation geschädigt. Weiterhin führen oxidative Schäden, Basenmodifikation und Strangbrüche zu Schäden an der bakteriellen DNA und Ribonukleinsäure (RNA), während Proteine entfaltet oder modifiziert werden38. In einem Review der bis dato bekannten Literatur kommen Jungbauer et al.9 zu dem Schluss, dass durch eine Behandlungszeit von 2 Minuten mit CAP eine Reduktion oralpathogener Keime von 3 oder mehr log10-Einheiten in vitro erreicht werden konnte und somit die Wirkung als bakterizid angesehen werden kann. 

Biofilmbesiedelte Implantate sind jedoch eine besondere Herausforderung, wenn eine Dekontamination der Oberfläche erreicht werden soll. In einer aktuellen In-vitro-Studie an biofilmbewachsenen Titanimplantaten konnte durch Kombination von Pulverstrahlreinigung und CAP eine bemerkenswerte Dekontamination gezeigt werden. Es wurden jedoch keine spezifischen Effekte von CAP beobachtet39. In einer In-vivo-Studie im Tiermodell wurden dagegen eine si­gnifikante Verbesserung des Sulkusblutungsindex, der Sondierungstiefe und der Knochenhöhe durch eine zum chirurgisch-mechanischen Vorgehen zusätzliche Anwendung von CAP während der Periimplantitistherapie nach einer zweimonatigen Anwendungsdauer nachgewiesen40.

Die Anwendung von kaltem atmosphärischem Plasma ist momentan eine Option bei der Behandlung von Periimplantitis, da sie das Potenzial haben könnte, die Beseitigung bakterieller Plaque von Implantatoberflächen in unzugänglichen Taschen oder während des Debridements mit offenem Lappen zu verbessern. Dennoch geht der Autor davon aus, dass weitere Studien notwendig sein werden, um das Potenzial von CAP als Monotherapie mit unterschiedlichen Einstellungen oder in Kombination mit anderen Dekontaminationsverfahren zu bewerten.

Schlussfolgerungen und Empfehlungen

Obwohl derzeit die Verbreitung von plasmagenerierenden Geräten in den zahnärztlichen Praxen noch überschaubar sein dürfte, ergeben sich aus der Sicht des Autors aufgrund der bisherigen Datenlage zwei interessante Anwendungsmöglichkeiten in der Implantologie. So können sie zum einen für eine verbesserte und beschleunigte Osseointegration – vor allem in Fällen, bei denen eine Sofortversorgung angestrebt wird – eingesetzt werden, um eine schnellere Belastbarkeit des Implantats herbeizuführen. Zum anderen könnte die Verwendung von Plasma durch seine erwiesene antimikrobielle Wirkweise eine mögliche Option in der Periimplantitistherapie sein. So könnte Plasma die Beseitigung bakterieller Plaque auf Implantatoberflächen in unzugänglichen Taschen oder während des Debridements mit offenem Lappen verbessern. Es muss jedoch betont werden, dass es zunächst noch kontrollierter, randomisierter klinischer Studien bedarf, um die nötige belastbare Evidenz für die hier aufgeführten Schlussfolgerungen herbeizuführen.

Ein Beitrag von Prof. Dr. Sönke Harder, München

Literatur auf Anfrage über news@quintessenz.de

Reference: Implantologie

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