Healing of human extraction sockets augmented with Bio-Oss Collagen after 6 and 12 weeks

Abstract

After tooth extraction, the alveolar ridge will frequently decrease in volume and change morphologically. Existing animal studies suggest that after a prolonged absence of mechanical loading, the onset of resorption begins. Post extraction maintenance of the alveolar ridge might minimize the residual ridge resorption and, thus, allow placement of an implant that satisfies esthetic and functional criteria. As the process of osseointegration is known to enhance bone density (regional acceleratory phenomenon (RAP)), it is necessary to acquire data on human extraction sockets over various periods of time to determine the optimal time point for the placement of implants after tooth extraction. Immediate implant placement has not proven to prevent resorption. Several studies have proposed the use of heterologous grafting material such as hydroxyapatite, ß-tricalciumphosphate and bovine bone mineral for ridge preservation during bone healing. The efficiency of heterologous bone substitute placed in extraction sockets has been evaluated after prolonged healing periods in experimental and clinical studies on bone formation and the substitute influence on the resorption pattern. No information is available on the rate of bone formation in human extraction sockets filled with Bio-Oss Collagen after shortened healing periods of less than 3 months. This prospective study focuses on the bone formation of human extraction sockets augmented with Bio-Oss Collagen after a healing period of 6 and 12 weeks. Twenty-nine patients, 15 male and 14 female, with an average age of 50.5 years (range 28 - 72 years), were included in this study. All patients were healthy, none had any systemic disease and none were nicotine users. In all patients, the extraction sockets showed no defect and were instrumented to eliminate all remnants of periodontal ligament tissue. Each socket was grafted with Bio-Oss Collagen (Geistlich, Switzerland) without flap management or application of a membrane. After a 6-week (16 patients with 17 extraction sites) and 12-week (13 patients with 17 extraction sites) healing period, at the time of implant placement, bone biopsy specimens were taken using a trephine bur. The bone biopsy specimens were fixed, decalcified and paraffin-embedded. Serial sections 5 μm thick were prepared and stained with Hematoxylin eosin, Masson´s trichrome and Toluidine staining. A mean of 2 sections were obtained from each specimen. The sections were line-scanned using ScanScope T3 (Aperio Technologies Inc., Vista, USA) with a 40x objective. For the qualitative and morphological analysis of the remodeling process, the stained preparations were examined under a light microscope (AxioPhot I) at a magnification of up to 40x. Two regions of interest (ROI) were determined within each specimen, one in the apical portion and the other in the coronal part. In each ROI, the quantification of new bone formation, Bio-Oss remnants and fibrous tissue or bone marrow was performed by a single experienced observer using the digital imaging system AXIO VISION (Zeiss, Jena, Germany) and analysed statistically using Wilcoxon-Mann-Whitney test and Wilcoxon signed-rank rest. After a 6-week healing period, the biopsy specimens showed a mean of 28 % (range 1 – 57 %) of newly formed bone, 11 % (range 3 – 31 %) of remaining Bio-Oss particles and 54 % (range 31 – 87 %) of connective tissue. After a 12-week healing period, the rate of new bone formation was 25 % (range 3 - 41 %) while the amount of remaining Bio-Oss particles was 15 % (range 5 – 35 %) and of connective tissue 60 % (range 50 – 91 %). There was no significant difference between the quantity of new bone after 6 and 12 weeks healing periods (P=0.09). The amount of bone tissue in the apical portion of the biopsies was significantly higher than that in the coronal portion in the 6-week and 12-week samples (P=0.002, P=0.01). This descriptive study provides data demonstrating that a great variability exists with respect to hard tissue formation in human extraction sockets filled with Bio-Oss Collagen after a healing period of 6 and 12 weeks. These variations in bone formation and maturation within the socket evaluated might be due to unidentified factors contributing to the individual healing pattern. The findings of the current study demonstrate that the rates of bone formation after 6 weeks of healing are similar to those found after a 12-week healing period, with more mature bone morphology being evident in 12-week samples. The placement of biomaterial might delay but not prevent overall bone formation with the advantage of providing scaffolding for the overlying epithelium. Bone formation in extraction sockets with secondary wound healing is initiated from the apical region and is not enhanced from the coronal direction after epithelial closure of the extraction site. These results encourage an early implantation after healing period of 6 weeks, as the bone formation rate after 6 weeks is similar to that after 12 weeks.

Bereits unmittelbar nach der Zahnextraktion kommt es zu einer physiologischen Atrophie des Kieferkamms. Diese führt zu einer Dimensionsveränderung und zum Knochenverlust in horizontaler und vertikaler Richtung. In tierexperimentellen Studien wurde nachgewiesen, dass die Knochenresorptionsvorgänge das Resultat eines dauernd fehlenden mechanischen Belastungsreizes sind. Es wird vermutet, dass durch die Erhaltung des Alveolarkamms nach Zahnextrakion der Knochenverlust minimiert werden könnte. Somit wären besser planbare Implantatinserationen möglich und deren Ergebnisse würden ästhetischen und funktionellen Kriterien entsprechen. Über den Prozess der Osseointegration ist bekannt, dass sich die Knochendichte erhöht (regional acceleratory Phänomen (RAP)). Deshalb es ist notwendig, Daten auf die menschlichen Extraktionsalveolen über verschiedene Zeiträume zu gewinnen, um den optimalen Zeitpunkt für die Implantatinseration nach Zahnextraktion zu bestimmen. Durch die Sofortimplantation können die Resorptionsvorgänge offensichtlich nicht kompensiert werden. Mehrere Studien stellen die Verwendung von heterologen Knochenersatzsmaterial wie Hydroxylapatit, ß-trikalziumphosphat und bovines Knochenmineral für Alveolarkammprävention (socket preservation) während der Knochenheilung dar. Der Einfluss von Knochenersatzmaterialen auf die Resorptionsmuster und die Knochenbildung in den Extraktionsalvolen wurden in tierexperimentellen und klinischen Studien nach Heilungszeiten von mehr als 3 Monaten untersucht. Es liegen keine Informationen über die Rate der Knochenbildung in mit Bio-Oss Collagen augmentierten menschlichen Extraktionsalveolen nach verkürzten Heilungszeiten von weniger als 3 Monaten vor. Ziel der vorliegende Prospektivstudie ist die Knochenneuformation der frischen menschlichen Extraxtionsalveole, nach Augmentation mit Bio-Oss Kollagen und einer Heilungszeit von 6 und 12 Wochen histomorphometrisch zu analysieren In dieser Studie sind Neunundzwanzig Patienten, 15 männliche und 14 weibliche, mit einem Durchschnittsalter von 50.5 Jahren (Bereich 28 bis 72 Jahre) enthalten. Alle Patienten waren gesund, ohne systemische Erkrankung und keiner war Raucher. Die Extraktionsalveolen bei allen Patienten waren intakt und wurden gesäubert um alle Reste desmodontalen Gewebes zu beseitigen. In jede Extraktionsalveole wurde Bio-Oss Collagen (Geistlich, Schweiz) ohne primäre Deckung oder die Anwendung einer Membran appliziert. Nach einer Heilungszeit von 6-Wochen (16 Patienten mit 17 Extraktionswunde) und 12-Wochen (13 Patienten mit 17 Extraktionswunde) wurden die Implantate inseriert. Dabei wurde eine Knochenbiopsie mit einem Trepanbohrer entnommen. Die Knochenproben wurden fixiert, entkalkt und in Paraffin eingebettet. Nach der Anfertigung eines Dünnschliffes auf eine Stärke von 5 μm erfolgte die Färbung nach Masson- Goldner, Hämatoxylin-Eosin und Toluidin blau. Bei einer 40-fachen Vergrößerung wurde ein digitales Foto von jedem Präparat mittels ScanScope T3 (Aperio Technologies Inc., Vista, USA) aufgenommen. Die histologische Auswertung der gefärbten Präparate erfolgte im Durchlichtmikroskop (Axiophot I) bei einer 40-fachen Vergrößerung. Es wurde zwei Bereiche von Interesse pro Präparat definiert. Ein Bereich liegt in der apikalen und ein anderer in der koronalen Region des Präparates. In jeder Region wurde die Knochenneuformation, der Anteil der Bio-Oss Kollagen Partikel sowie Bindegewebe und Knochenmark von einem erfahrenen Untersucher mittels des Bildanalyseprogramms AXIO VISION (Zeiss, Jena, Deutschland) quantitativ erfasst. Zur statistischen Auswertung wurden der Wilcoxon-Mann-Whitney test und der Wilcoxon signed-rank rest herangezogen Der mittlere Anteil des neu gebildeten Knochens nach sechswöchiger Heilungszeit betrug 28 % (1 – 57 %), der Bio-Oss Partikeln 11 % (3 – 31 %) und der des Bindegewebes 54 % (31 – 87 %). Nach zwölfwöchiger Heilungszeit betrug der mittlere Anteil.des neu gebildeten Knochens 25 % (3 – 41 %), der Bio-Oss Partikeln 15 % (5 – 35 %) und des Bindegewebes 60% (50 – 91 %). Die Ergebnisse zeigten keinen signifikanten Unterschied bezüglich des Anteils der Knochenneubildung zwischen den 6 - und 12 Wochen Proben (P=0.09). Der Anteil des Knochengewebes im apikalen Bereich der Biopsien war signifikant höher als im koronalen Bereich in den 6- und 12-Wochen Proben (P=0.002, P=0.01). Die in dieser Deskriptivstudie erhobenen Daten deutet auf eine große Variabilität bezuglich der Knochenneubildung mit Bio-Oss Collagen augmentierten menschlichen Extraktionsalveolen nach sechswöchiger und zwölfwöchiger Heilungzeit hin. Die Unterschiede bei der Knochenneubildung und Knochenreifung deuten auf nicht definierte Faktoren hin, welche zu unterschiedlichen individuellen Heilungsmustern geführt haben. Die Ergebnisse der vorliegenden Studie zeigen, dass kein signifikanter Unterschied bezüglich der Knochenneubildung zwischen 6-Wochen Heilungzeit Proben und 12-Wochen Heilungszeit Proben ermittelt werden konnte, wobei mehr reife Knochenmorphologie in den 12-Wochen Proben nachwiesbar ist. Die Einlage des Biomaterials in die Extraktionswunden könnte insgesamt die Knochenbildung verzögern, aber nicht verhindern, mit dem Vorteil dass es als Gerüst für das sich darüber bildende Epithel dient. Die Knochenbildung in Extraktionsalveolen mit sekundärer Wundheilung wird von der apikalen Region ausgelöst und wird nicht vom koronalen Bereich nach epithelialen Verschluss der Extraktionwunde unterstützt. Diese Ergebnisse fördern die Auffassung zu einer frühen Implantation nach einer Heilungszeit von 6 Wochen, da die knöcherne Auffüllung der Extraktinalveole nach sechswöchiger Heilungszeit vergleichbar mit der nach 12 Wochen ist.