Biomechanische Bewertung konventioneller Implantate, Jochbeinimplantate, am Jochbein verankerter subperiostaler Implantate und am Oberkiefer verankerter subperiostaler Implantate zur Versorgung des vollständig zahnlosen Oberkiefers: Finite-Elemente-Spannungsanalyse

Berivan Deniz, Mehmet Emre Yurttutan.

Full text link: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40604849/

Biomechanische Bewertung konventioneller Implantate, Jochbeinimplantate, am Jochbein verankerter subperiostaler Implantate und am Oberkiefer verankerter subperiostaler Implantate zur Versorgung des vollständig zahnlosen Oberkiefers: Finite-Elemente-Spannungsanalyse

1. Wissenschaftliche Referenz

• Studientitel: Biomechanical Evaluation of Conventional, Zygomatic, Zygomatic Bone-Anchored Subperiosteal and Maxilla-Anchored Subperiosteal Implants for the Rehabilitation of the Completely Edentulous Maxilla: A Finite Element Stress Analysis
• Autoren:  Berivan Deniz, Mehmet Emre Yurttutan.
• Fachzeitschrift:  BMC Oral Health.
• Erscheinungsjahr: 2025.
• DOI: 10.1186/s12903-025-06387-3.

2. Wissenschaftlicher Hintergrund

Die implantologische Rehabilitation eines vollständig zahnlosen und stark atrophierten Oberkiefers zählt zu den anspruchsvollsten Herausforderungen der modernen Oralchirurgie und Implantologie. Ein ausgeprägter Knochenabbau sowie eine starke Pneumatisation der Kieferhöhlen schränken die Möglichkeit ein, konventionelle Implantate ohne vorherige Knochenaugmentation sicher zu inserieren. Verfahren wie Sinusbodenelevation, Knochenaugmentation oder Le-Fort-I-Osteotomien ermöglichen zwar eine Rekonstruktion des Kiefers, gehen jedoch häufig mit einer erhöhten chirurgischen Belastung, längeren Behandlungszeiten und einem größeren Komplikationspotenzial einher.

Vor diesem Hintergrund gewinnen alternative Verankerungskonzepte zunehmend an Bedeutung. Jochbeinimplantate sowie patientenspezifisch gefertigte subperiostale Implantate sollen vorhandene knöcherne Strukturen optimal nutzen und umfangreiche Augmentationsmaßnahmen teilweise vermeiden. Die biomechanische Belastungsverteilung dieser unterschiedlichen Implantatdesigns ist dabei ein entscheidender Faktor für die langfristige Stabilität implantatgetragener Versorgungen. Ziel der vorliegenden Untersuchung ist es daher, verschiedene Versorgungskonzepte anhand einer Finite-Elemente-Analyse miteinander zu vergleichen und ihre mechanischen Eigenschaften unter funktioneller Belastung zu bewerten.

3. Ziel der Studie

Ziel dieser Studie war es, das biomechanische Verhalten verschiedener implantologischer Versorgungskonzepte für den vollständig zahnlosen und stark atrophierten Oberkiefer zu untersuchen. Mithilfe einer dreidimensionalen Finite-Elemente-Analyse verglichen die Autoren die Spannungsverteilung unter funktioneller Belastung bei drei unterschiedlichen Implantatkonzepten: einer Kombination aus konventionellen und Jochbeinimplantaten, einem patientenspezifischen subperiostalen Implantat mit Verankerung an der Apertura piriformis und dem Jochbein-Maxilla-Pfeiler sowie einem subperiostalen Implantat mit zusätzlicher Abstützung am Jochbein. Ziel war es zu bestimmen, welches Implantatdesign die günstigste Lastverteilung auf Knochen, Implantate und prothetische Komponenten ermöglicht.

4. Methodik

Bei der vorliegenden Arbeit handelt es sich um eine präklinische Studie, die auf einer dreidimensionalen Finite-Elemente-Analyse (Finite Element Analysis, FEA) basiert. Es wurden keine klinischen Patienten untersucht; stattdessen entwickelten die Autoren ein digitales Modell eines vollständig zahnlosen und stark atrophierten Oberkiefers auf Grundlage computertomographischer Datensätze. Die anatomischen Strukturen wurden segmentiert, dreidimensional rekonstruiert und anschließend mithilfe spezieller CAD- und Simulationssoftware für die biomechanische Analyse aufbereitet.

Drei unterschiedliche Implantatkonfigurationen wurden miteinander verglichen:

• Modell 1: Zwei konventionelle Implantate kombiniert mit vier Jochbeinimplantaten.
• Modell 2: Zwei patientenspezifische subperiostale Implantate mit Verankerung an der Apertura piriformis und Ausdehnung bis zum Jochbein-Maxilla-Pfeiler, ohne das Jochbein zu überdecken.
• Modell 3: Zwei patientenspezifische subperiostale Implantate, die den Jochbeinpfeiler überdecken und zusätzlich am Jochbein verankert sind.

Zur Simulation funktioneller Kaubelastungen wurden zwei Belastungsszenarien definiert:

• Vertikale Belastung: 150 N pro Zahn.
• Schrägbelastung: 100 N pro Zahn unter einem Winkel von 30° von bukkal nach palatinal.

Ausgewertet wurden die maximalen Zugspannungen (Pmax), Druckspannungen (Pmin) sowie die Von-Mises-Spannungen im kortikalen Knochen, im trabekulären Knochen, in den Implantaten, den Abutments, der metallischen Prothesenkonstruktion sowie – bei den subperiostalen Implantaten – in den Fixationsschrauben. Für die Simulation wurden alle Materialien als homogen, isotrop und linear-elastisch modelliert. Die Autoren weisen ausdrücklich darauf hin, dass diese Annahmen eine methodische Einschränkung darstellen, da biologischer Knochen in vivo anisotrope und heterogene Eigenschaften besitzt.

5. Wichtigste Ergebnisse

Die numerischen Simulationen zeigten deutliche Unterschiede in der biomechanischen Belastungsverteilung zwischen den drei untersuchten Versorgungskonzepten. Insgesamt wies Modell 1, bestehend aus konventionellen Implantaten in Kombination mit Jochbeinimplantaten, sowohl unter vertikaler als auch unter schräger Belastung die höchsten Spannungen im kortikalen Knochen auf. Demgegenüber zeigte Modell 3 mit dem am Jochbein verankerten patientenspezifischen subperiostalen Implantat durchgängig die niedrigsten Spannungswerte im Knochen, was auf eine günstigere Ableitung der funktionellen Kräfte schließen lässt.

Ein vergleichbarer Trend wurde im trabekulären Knochen für die maximalen Zugspannungen (Pmax) beobachtet. Auch hier erzeugte Modell 1 die höchsten Belastungen, während beide subperiostalen Implantatkonzepte geringere Spannungswerte aufwiesen. Hinsichtlich der maximalen Druckspannungen (Pmin) zeigte sich hingegen ein anderes Bild: Die höchsten Werte wurden in Modell 2 registriert, was darauf hindeutet, dass unterschiedliche Verankerungskonzepte die Kraftübertragung innerhalb des spongiösen Knochens verschieden beeinflussen.

Die Belastung der Implantatkomponenten unterschied sich von derjenigen des umgebenden Knochens. Die höchsten Von-Mises-Spannungen innerhalb der Implantate wurden in Modell 3 gemessen, während Modell 1 die geringsten Implantatspannungen aufwies. Umgekehrt verhielt es sich bei der metallischen Prothesenkonstruktion: Hier wurden die höchsten Spannungen in Modell 1 und die niedrigsten in Modell 3 festgestellt. Dies deutet auf unterschiedliche Mechanismen der Kraftübertragung zwischen Implantaten und prothetischer Suprakonstruktion hin. Darüber hinaus waren die Fixationsschrauben der subperiostalen Implantate in Modell 3 stärker belastet als in Modell 2, insbesondere im Bereich der Apertura piriformis.

Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass sowohl die Implantatgeometrie als auch die Wahl der knöchernen Verankerungsregionen einen entscheidenden Einfluss auf die Spannungsverteilung innerhalb des gesamten Implantat-Prothesen-Systems haben. Innerhalb der Grenzen dieses biomechanischen Modells erwies sich das am Jochbein verankerte subperiostale Implantat als das Konzept mit der günstigsten Entlastung des Knochens, wobei gleichzeitig höhere mechanische Beanspruchungen einzelner Implantatkomponenten in Kauf genommen werden mussten.

6. Klinische Analyse

Die vorliegende Studie liefert wertvolle biomechanische Erkenntnisse für die Versorgung des stark atrophierten, vollständig zahnlosen Oberkiefers. Im Mittelpunkt steht dabei nicht der klinische Erfolg eines Implantatsystems, sondern die Frage, wie unterschiedliche Implantatdesigns die funktionellen Kaukräfte innerhalb des gesamten Knochen-Implantat-Prothesen-Komplexes verteilen. Gerade bei Patienten mit ausgeprägtem Knochenverlust ist eine möglichst gleichmäßige Lastübertragung ein wesentlicher Faktor für die langfristige Stabilität implantatgetragener Rehabilitationen.

Die Ergebnisse sprechen dafür, dass patientenspezifische subperiostale Implantate mit zusätzlicher Verankerung am Jochbeinpfeiler die Belastung des kortikalen und trabekulären Knochens wirksamer reduzieren können als die untersuchten konventionellen Implantatkonzepte. Aus biomechanischer Sicht deutet dies darauf hin, dass die Einbeziehung stabiler kraniofazialer Knochenstrukturen die Kraftableitung verbessern kann. Für Patienten mit ausgeprägter Oberkieferatrophie könnte dieser Ansatz insbesondere dann von Interesse sein, wenn konventionelle Implantate nur nach umfangreichen Augmentationsmaßnahmen eingesetzt werden könnten.

Gleichzeitig zeigt die Untersuchung, dass eine geringere Belastung des Knochens nicht zwangsläufig mit einer geringeren Beanspruchung der Implantatkomponenten einhergeht. Im Gegenteil: Das biomechanisch günstigste Modell hinsichtlich der Knochenbelastung wies gleichzeitig höhere Von-Mises-Spannungen innerhalb der Implantate und ihrer Fixationsschrauben auf. Diese Beobachtung verdeutlicht, dass die mechanische Belastung lediglich innerhalb des Systems umverteilt wird. Ob diese erhöhte Beanspruchung langfristig Auswirkungen auf Materialermüdung oder technische Komplikationen hat, kann anhand der vorliegenden Simulation jedoch nicht beurteilt werden.

Darüber hinaus unterstreicht die Studie die zunehmende Bedeutung patientenspezifischer Implantatplanung. Die Auswahl geeigneter knöcherner Verankerungsbereiche – insbesondere der Apertura piriformis und des Jochbeinpfeilers – scheint einen wesentlichen Einfluss auf das biomechanische Verhalten der Versorgung zu haben. Dies unterstützt den aktuellen Trend zur digitalen Implantologie mit CAD/CAM-gestützter Konstruktion individueller Implantate. Dennoch bleibt zu berücksichtigen, dass es sich ausschließlich um eine numerische Simulation handelt. Aussagen zur klinischen Überlegenheit eines Implantatsystems lassen sich daraus nicht ableiten. Hierfür sind prospektive klinische Studien mit Langzeitbeobachtungen hinsichtlich Implantatüberleben, biologischer und technischer Komplikationen sowie patientenbezogener Ergebnisse erforderlich.

7. Klinische Anwendung

Die Ergebnisse dieser Untersuchung sind in erster Linie für die präoperative biomechanische Planung komplexer implantologischer Rehabilitationen bei Patienten mit einem vollständig zahnlosen und stark atrophierten Oberkiefer relevant. Innerhalb der Grenzen der Finite-Elemente-Simulation zeigte das patientenspezifische subperiostale Implantat mit zusätzlicher Verankerung am Jochbeinpfeiler die günstigste Spannungsverteilung im umgebenden Knochen.

Diese Erkenntnisse können bei der Beurteilung verschiedener Behandlungsoptionen hilfreich sein, wenn das vorhandene Knochenangebot eine Versorgung mit konventionellen Implantaten erschwert oder umfangreiche augmentative Maßnahmen erforderlich machen würde. Die Studie verdeutlicht, dass sowohl die Implantatgeometrie als auch die Wahl der knöchernen Verankerungszonen einen wesentlichen Einfluss auf das biomechanische Verhalten des gesamten Implantat-Prothesen-Systems haben. Damit unterstreicht sie die Bedeutung einer digitalen Behandlungsplanung sowie patientenspezifischer Implantatkonzepte im Rahmen moderner CAD/CAM-gestützter Rehabilitationen.

Gleichzeitig sollten diese Ergebnisse ausschließlich im Kontext einer numerischen Simulation interpretiert werden. Aussagen über Implantatüberleben, biologische oder technische Komplikationen sowie funktionelle Langzeitergebnisse lassen sich aus dieser Untersuchung nicht ableiten. Die beobachteten biomechanischen Vorteile stellen daher keine klinische Empfehlung dar, sondern liefern eine wissenschaftliche Grundlage für zukünftige prospektive Studien.

8. Evidenzniveau, Limitationen und Transparenz

Bei der vorliegenden Arbeit handelt es sich um eine präklinische Finite-Elemente-Studie (FEA) und somit um eine biomechanische Grundlagenuntersuchung. Obwohl die Finite-Elemente-Analyse ein etabliertes Verfahren zur Untersuchung von Spannungsverteilungen in der Implantologie darstellt, erlaubt sie keine unmittelbaren Rückschlüsse auf den klinischen Langzeiterfolg implantologischer Therapien.

Die Autoren weisen auf mehrere methodische Einschränkungen hin. Sämtliche Materialien wurden als homogen, isotrop und linear-elastisch modelliert, während biologischer Knochen tatsächlich anisotrope und heterogene Eigenschaften besitzt. Darüber hinaus berücksichtigt das Simulationsmodell weder biologische Heilungsprozesse noch Knochenremodellierung, individuelle Unterschiede der Knochenqualität oder patientenspezifische funktionelle Belastungen. Diese Faktoren können das klinische Verhalten implantatgetragener Versorgungen wesentlich beeinflussen.

Da ausschließlich numerische Berechnungen durchgeführt wurden, enthält die Studie keine klinischen Verlaufsdaten, keine Überlebensraten der Implantate und keine Bewertung biologischer oder prothetischer Komplikationen. Die dargestellten Ergebnisse sind daher als biomechanische Prognosen und nicht als klinische Erfolgsnachweise zu verstehen.

Auf Grundlage der im Artikel verfügbaren Informationen werden keine Interessenkonflikte, keine industrielle Finanzierung und keine Verbindung der Autoren zu Implantatherstellern angegeben, die die Interpretation der Ergebnisse beeinflussen könnten.

9. Wichtigste Erkenntnisse der Studie

• Studientyp: Präklinische dreidimensionale Finite-Elemente-Analyse (Finite Element Analysis, FEA).
• Evidenzniveau: Präklinische biomechanische Untersuchung.
• Untersuchungsmodell: Dreidimensionales digitales Modell eines vollständig zahnlosen, stark atrophierten Oberkiefers, erstellt auf Basis computertomographischer Datensätze.
• Stichprobengröße: Ein anatomisches digitales Modell mit drei unterschiedlichen implantologischen Versorgungskonzepten; es wurden keine klinischen Patienten eingeschlossen.
• Nachbeobachtungszeit: Nicht anwendbar, da keine klinische Untersuchung durchgeführt wurde.
• Primärer Endpunkt: Analyse der maximalen Zugspannungen (Pmax), Druckspannungen (Pmin) und Von-Mises-Spannungen im kortikalen und trabekulären Knochen, in den Implantaten, Abutments, der prothetischen Suprakonstruktion sowie den Fixationsschrauben unter vertikaler und schräger Belastung.
• Zentrales Ergebnis: Das patientenspezifische subperiostale Implantat mit zusätzlicher Verankerung am Jochbein (Modell 3) zeigte die geringsten Spannungen im umgebenden Knochen, während das konventionelle Konzept mit konventionellen Implantaten und Jochbeinimplantaten (Modell 1) die höchsten Knochenbelastungen erzeugte. Gleichzeitig wurden im Modell 3 höhere Spannungen innerhalb der Implantatkomponenten festgestellt.
• Wissenschaftliche Schlussfolgerung: Implantatdesign und knöcherne Verankerungsstrategie beeinflussen maßgeblich die biomechanische Lastverteilung. Innerhalb der Grenzen dieses Simulationsmodells zeigte das am Jochbein verankerte subperiostale Implantat die günstigste Spannungsverteilung im Knochen, ohne dass daraus unmittelbar eine klinische Überlegenheit abgeleitet werden kann.
• Wesentliche Limitationen: Computergestützte Simulation, vereinfachte Materialeigenschaften, fehlende biologische Einflussfaktoren sowie keine klinische Validierung oder Langzeitbeobachtung.

10. Wissenschaftliche Bedeutung

Diese Arbeit erweitert die biomechanische Evidenz zur implantologischen Versorgung des stark atrophierten, vollständig zahnlosen Oberkiefers. Ihr besonderer wissenschaftlicher Beitrag besteht im direkten Vergleich von drei unterschiedlichen Rehabilitationskonzepten – einschließlich zweier patientenspezifischer subperiostaler Implantatsysteme – innerhalb desselben dreidimensionalen Finite-Elemente-Modells. Nach Angaben der Autoren lagen für diese spezifischen Implantatkonfigurationen bislang keine vergleichbaren biomechanischen Untersuchungen vor.

Die Studie zeigt, dass die Belastungsverteilung nicht ausschließlich von der Anzahl oder Position der Implantate abhängt, sondern wesentlich durch deren Geometrie und die gewählten knöchernen Verankerungsstrukturen bestimmt wird. Gleichzeitig verdeutlichen die Ergebnisse, dass eine Reduktion der Spannungen im umgebenden Knochen mit einer erhöhten mechanischen Beanspruchung der Implantatkomponenten einhergehen kann. Dadurch wird die Notwendigkeit unterstrichen, das gesamte Implantat-Prothesen-System biomechanisch zu bewerten und nicht ausschließlich die Knochenbelastung zu betrachten.

Darüber hinaus unterstützt die Untersuchung die zunehmende Bedeutung digitaler Planungs- und Fertigungsverfahren in der modernen Implantologie. Patientenspezifische CAD/CAM-gefertigte subperiostale Implantate könnten künftig insbesondere bei komplexen anatomischen Ausgangssituationen eine wichtige Rolle spielen. Da die vorliegenden Ergebnisse jedoch ausschließlich auf numerischen Simulationen beruhen, stellen sie keine klinische Evidenz dar. Prospektive klinische Studien mit Langzeitbeobachtung bleiben erforderlich, um die biomechanischen Vorteile hinsichtlich Implantatüberleben, biologischer Komplikationen, prothetischer Stabilität und patientenbezogener Ergebnisse zu bestätigen.

11. Redaktionelles Fazit

Diese Finite-Elemente-Analyse zeigt, dass das Implantatdesign einen entscheidenden Einfluss auf die biomechanische Lastverteilung bei der Rehabilitation des stark atrophierten, vollständig zahnlosen Oberkiefers besitzt. Innerhalb des untersuchten Simulationsmodells erzielte das patientenspezifische, am Jochbein verankerte subperiostale Implantat die günstigste Entlastung des kortikalen und trabekulären Knochens, während ein Teil der mechanischen Belastung auf die Implantatkomponenten übertragen wurde. Die Ergebnisse liefern wertvolle Hinweise für die Weiterentwicklung individueller Implantatkonzepte und digitaler Behandlungsstrategien. Aufgrund des präklinischen Charakters der Studie erlauben sie jedoch keine Aussagen über die klinische Überlegenheit eines bestimmten Versorgungskonzepts. Zukünftige prospektive klinische Untersuchungen sind erforderlich, um die biomechanischen Erkenntnisse durch belastbare Langzeitdaten zu ergänzen und ihre klinische Relevanz zu bestätigen.