Bewertung unterschiedlicher Dicken subperiostaler Implantate hinsichtlich mechanischer Festigkeit und Knochenbelastung mittels Finite-Elemente-Analyse

Abdulsamet Kundakcioglu, Mustafa Ayhan

Full text link: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39006845/

Bewertung unterschiedlicher Dicken subperiostaler Implantate hinsichtlich mechanischer Festigkeit und Knochenbelastung mittels Finite-Elemente-Analyse

1. Wissenschaftliche Referenz

• Titel der Studie: Bewertung unterschiedlicher Dicken subperiostaler Implantate hinsichtlich mechanischer Festigkeit und Knochenbelastung mittels Finite-Elemente-Analyse
• Autoren: Abdulsamet Kundakcioglu, Mustafa Ayhan
• Wissenschaftliche Zeitschrift: International Journal of Medical Sciences
• Erscheinungsjahr: 2024
• DOI: 10.7150/ijms.91620

2. Wissenschaftlicher Hintergrund

Die Versorgung stark atrophierter Kiefer stellt weiterhin eine der größten Herausforderungen in der dentalen Implantologie und Oralchirurgie dar. Bei bestimmten zahnlosen Patienten mit fortgeschrittener Knochenresorption kann die Insertion konventioneller enossaler Implantate schwierig oder sogar unmöglich werden, ohne auf knochenaufbauende Verfahren zurückzugreifen.

Knochenaugmentationstechniken oder Jochbeinimplantate stellen anerkannte Alternativen dar, können jedoch mit einer erhöhten chirurgischen Komplexität, einer längeren Behandlungsdauer oder einem höheren Komplikationsrisiko verbunden sein. In diesem Zusammenhang eröffnet das wiederauflebende Interesse an patientenspezifischen subperiostalen Implantaten, ermöglicht durch digitale CAD/CAM-Technologien und additive Titanfertigung, neue therapeutische Perspektiven.

Das Vorhandensein einer metallischen Struktur direkt unter den Weichgeweben wirft jedoch Fragen hinsichtlich der optimalen Dicke dieser Vorrichtungen auf. Eine übermäßige Reduzierung der Dicke könnte die mechanische Festigkeit des Implantats beeinträchtigen, während ein zu voluminöses Design das Risiko einer Weichgewebeexposition erhöhen könnte.

3. Ziel der Studie

Das Hauptziel dieser Studie bestand darin, die minimale Dicke eines patientenspezifischen subperiostalen Implantats zu bestimmen, die den physiologischen Kaukräften standhalten kann und gleichzeitig die auf den tragenden Knochen übertragenen mechanischen Belastungen begrenzt.

Die Autoren verglichen drei identische Implantatdesigns mit unterschiedlichen Dicken (1 mm, 1,5 mm und 2 mm), um ihr biomechanisches Verhalten mittels Finite-Elemente-Analyse zu bewerten.

4. Methodik

Es handelt sich um eine präklinische experimentelle Studie auf Grundlage einer Finite-Elemente-Analyse (Finite Element Analysis – FEA).

Die Forscher verwendeten Computertomographiedaten von 11 Patienten, die mit patientenspezifischen subperiostalen Implantaten behandelt worden waren, um ein durchschnittliches digitales Modell eines atrophierten Oberkiefers zu erstellen.

Anschließend wurden drei Implantatmodelle mit folgenden Dicken entwickelt:

• 1 mm (M1)
• 1,5 mm (M2)
• 2 mm (M3)

Die Implantate wurden aus einer Ti6Al4V-Legierung hergestellt. Eine vertikale Belastung von 250 N zur Simulation einer okklusalen Kraft wurde appliziert. Die untersuchten Parameter umfassten:

• Von-Mises-Spannungen innerhalb des Implantats;
• Auf den Knochen übertragene Restspannungen;
• Mechanische Verschiebungen;
• Risiko einer plastischen Verformung des Implantats.

5. Hauptergebnisse

Die zwischen den drei Konfigurationen beobachteten Unterschiede betrafen hauptsächlich die mechanische Festigkeit des Implantats sowie die unter Belastung erzeugten Verschiebungen.

Das Implantat mit einer Dicke von 1 mm (M1) zeigte die höchste maximale Spannung mit einem Wert von 495,44 MPa und überschritt damit den festgelegten Sicherheitsgrenzwert von 415 MPa. Diese Situation deutet auf ein Risiko einer plastischen Verformung unter funktioneller Belastung hin.

Die Modelle mit 1,5 mm und 2 mm zeigten maximale Spannungen von 173,24 MPa beziehungsweise 144,58 MPa und lagen damit deutlich unter dem von den Autoren definierten kritischen Grenzwert.

Hinsichtlich der auf den Knochen übertragenen Spannungen blieben alle drei Modelle unterhalb der in der Studie festgelegten Sicherheitsgrenze. Die maximal beobachteten Werte betrugen:

• 26,63 MPa für M1;
• 25,95 MPa für M2;
• 22,15 MPa für M3.

Auch die Verschiebungen wurden von der Dicke beeinflusst. Das dünnste Modell zeigte eine maximale Verschiebung von 1,44 mm, während das 2-mm-Modell eine Verschiebung von etwa 0,46 mm aufwies.

6. Klinische Analyse

Diese Studie liefert interessante Erkenntnisse zu einem selten dokumentierten Aspekt der implantatprothetischen Rehabilitation mit patientenspezifischen subperiostalen Implantaten: dem Kompromiss zwischen filigranem Design und biomechanischer Sicherheit.

Die Analyse zeigt, dass eine übermäßige Verringerung der Dicke zu einer deutlichen Erhöhung der mechanischen Spannungen führen kann, die sich an den Fixierungsinterfaces konzentrieren. Diese Bereiche erscheinen als die kritischsten Punkte des Implantatsystems. Sinkt die Dicke auf 1 mm, wird die mechanische Festigkeit gemäß den von den Autoren angewandten Kriterien unzureichend.

Aus klinischer Sicht sind diese Ergebnisse besonders relevant für die Versorgung von Patienten mit schwerer Oberkieferatrophie, bei denen konventionelle Alternativen teilweise komplexe Knochenaufbauverfahren erfordern. Die Studie legt nahe, dass ein dünneres Design nicht zwangsläufig mit einer klinischen Verbesserung gleichzusetzen ist, wenn dies mit einem Verlust an mechanischer Stabilität einhergeht.

Die Ergebnisse zeigen außerdem, dass eine Dicke von 1,5 mm einen Kompromiss zwischen der Reduktion des Metallvolumens und der Aufrechterhaltung einer zufriedenstellenden Festigkeit darstellen könnte. Diese Interpretation sollte jedoch mit Vorsicht betrachtet werden, da sie auf einer numerischen Simulation und nicht auf einer langfristigen klinischen Bewertung beruht.

Die Studie erlaubt keine direkte Bewertung der Implantatüberlebensraten, biologischen Komplikationen, prothetischen Stabilität oder patientenberichteten Ergebnisse.

7. Klinische Anwendungen

Die Ergebnisse dieser Arbeit können in mehreren klinischen Situationen mit digitalen implantologischen Rehabilitationsprotokollen nützlich sein:

• Patienten mit schwerer Oberkieferatrophie;
• Kandidaten für patientenspezifische subperiostale Implantate aus additiver Fertigung;
• Fälle, in denen umfangreiche Knochenaugmentationen schwer realisierbar sind;
• Digitale Implantatplanung unter Verwendung von CAD/CAM-Workflows;
• Optimierung des mechanischen Designs patientenspezifischer Implantate.

Diese Studie kann zudem dazu beitragen, Teams bei der computergestützten Konstruktion subperiostaler Implantate zu unterstützen, indem sie den direkten Einfluss der Materialdicke auf die Verteilung mechanischer Spannungen verdeutlicht.

8. Evidenzniveau, Limitationen und Transparenz

Diese Studie entspricht einer präklinischen experimentellen Untersuchung auf Grundlage einer numerischen Finite-Elemente-Modellierung.

Das klinische Evidenzniveau ist daher begrenzt, da weder ein prospektiver klinischer Vergleich noch eine langfristige Patientenbewertung im Rahmen dieser biomechanischen Analyse durchgeführt wurden.

Zu den erkennbaren Limitationen gehören:

• Ergebnisse basierend auf einem virtuellen Modell;
• Simulation einer einzelnen vertikalen Belastung von 250 N;
• Fehlende direkte klinische Bewertung von Komplikationen;
• Fehlende Daten zum Implantatüberleben;
• Unmöglichkeit, sämtliche realen biologischen Bedingungen zu reproduzieren.

Die Autoren weisen selbst darauf hin, dass die aus der Finite-Elemente-Analyse gezogenen Schlussfolgerungen eine langfristige klinische Validierung erfordern.

Hinsichtlich der Transparenz erklären die Autoren, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

9. Kernaussagen der Studie

• Studientyp: Präklinische experimentelle Studie mittels Finite-Elemente-Analyse
• Evidenzniveau: Niedrig bis moderat (biomechanische Modellierung)
• Population oder Anzahl analysierter Studien: Digitales Modell basierend auf 11 Patienten
• Anzahl der Patienten oder Implantate: 11 radiologische Datensätze zur Erstellung des Durchschnittsmodells
• Nachbeobachtungsdauer: Nicht anwendbar
• Primärer Endpunkt: Mechanische Festigkeit und Knochenbelastungen in Abhängigkeit von der Implantatdicke
• Hauptergebnis: Das 1-mm-Modell überschreitet den von den Autoren festgelegten mechanischen Sicherheitsgrenzwert
• Wissenschaftliche Schlussfolgerung: Eine Dicke von 1,5 mm erscheint unter den untersuchten Simulationsbedingungen ausreichend
• Mögliche Limitationen: Numerische Studie ohne direkte klinische Validierung

10. Wissenschaftliche Bedeutung

Diese Publikation trägt zur Weiterentwicklung patientenspezifischer subperiostaler Implantate aus metallischem 3D-Druck bei, einem Bereich, der bei der Rehabilitation stark atrophierter Kiefer derzeit erneut an Bedeutung gewinnt.

Ihr Hauptbeitrag liegt in der quantitativen Bewertung des Einflusses der Materialdicke auf das biomechanische Verhalten des Implantats. Während sich viele Arbeiten auf klinische Ergebnisse oder Designkonzepte konzentrieren, fokussiert sich diese Studie auf einen technischen Parameter, der sowohl die mechanische Stabilität als auch die klinische Integration des Implantats beeinflussen kann.

Die vorgelegten Daten unterstützen die Annahme, dass eine Reduktion der Dicke bis zu bestimmten Grenzen möglich ist, ohne die mechanische Festigkeit zu beeinträchtigen. Sie liefern somit nützliche Erkenntnisse für die Optimierung zukünftiger Designs subperiostaler Implantate aus digitalen CAD/CAM-Workflows.

Diese Ergebnisse stellen jedoch eher eine Grundlage für Forschung und biomedizinisches Engineering als eine endgültige klinische Validierung dar.

11. Redaktionelle Schlussfolgerung

Diese biomechanische Studie liefert originale Daten zum Einfluss der Dicke patientenspezifischer subperiostaler Titanimplantate aus additiver Fertigung. Die Simulationen zeigen, dass eine Dicke von 1 mm das Implantat einem Risiko mechanischer Verformung aussetzen könnte, während eine Dicke von 1,5 mm Leistungen beizubehalten scheint, die mit den angewandten Sicherheitskriterien vereinbar sind. Obwohl diese Ergebnisse für die digitale Planung in der fortgeschrittenen Implantologie vielversprechend sind, müssen sie im Licht des präklinischen Charakters der Studie interpretiert werden und bedürfen einer Bestätigung durch langfristige klinische Untersuchungen.