Biomechanische Bewertung von Materialien für prothetische Gerüststrukturen bei subperiostalen Implantaten: eine Finite-Elemente-Analyse

Büşranur Demir, Ipek Caglar

Full text link: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41318436/

Biomechanische Bewertung von Materialien für prothetische Gerüststrukturen bei subperiostalen Implantaten: eine Finite-Elemente-Analyse

1. Wissenschaftliche Referenz

• Studientitel: Biomechanical Evaluation of Prosthetic Framework Materials in Subperiosteal Implants: A Finite Element Analysis
• Autoren: Büşranur Demir, Ipek Caglar
• Fachzeitschrift: BMC Oral Health
• Erscheinungsjahr: 2025
• DOI: 10.1186/s12903-025-07391-3

2. Wissenschaftlicher Hintergrund

Die Versorgung stark atrophierter Oberkiefer zählt weiterhin zu den anspruchsvollsten Herausforderungen der modernen Implantologie. Reicht das vorhandene Knochenangebot für die Insertion konventioneller Implantate nicht aus, sind häufig aufwendige augmentative Verfahren erforderlich, die den chirurgischen Aufwand sowie die gesamte Behandlungsdauer deutlich erhöhen können. Vor diesem Hintergrund haben patientenspezifische subperiostale Implantate in den vergangenen Jahren erneut an Bedeutung gewonnen. Ausschlaggebend hierfür sind Fortschritte in der digitalen Implantatplanung, der CAD/CAM-Technologie sowie der additiven Fertigung, die eine individuelle Anpassung des Implantatdesigns an die anatomischen Gegebenheiten jedes Patienten ermöglichen.

Während zahlreiche biomechanische Untersuchungen den Einfluss verschiedener Werkstoffe bei enossalen Implantatsystemen analysiert haben, existieren bislang nur wenige Daten zu subperiostalen Implantaten. Insbesondere ist bislang unzureichend geklärt, wie sich unterschiedliche Gerüstmaterialien auf die Kraftübertragung innerhalb der gesamten implantatgetragenen Rekonstruktion auswirken. Die vorliegende Studie untersucht daher die mechanischen Eigenschaften verschiedener prothetischer Gerüstwerkstoffe im Zusammenhang mit individuell gefertigten subperiostalen Implantaten.

3. Ziel der Studie

Ziel dieser Untersuchung war es, den Einfluss verschiedener Gerüstmaterialien mit unterschiedlichen Elastizitätsmodulen auf das biomechanische Verhalten vollbogengetragener Rekonstruktionen auf subperiostalen Implantaten zu analysieren. Dabei wurden mittels Finite-Elemente-Analyse die Spannungsverteilungen im kortikalen und trabekulären Knochen, im Implantatkörper, in den Fixationsschrauben, den Prothetikschrauben sowie im prothetischen Gerüst miteinander verglichen.

4. Methodik

Bei der vorliegenden Arbeit handelt es sich um eine präklinische Finite-Elemente-Studie (FEA). Grundlage der Untersuchung war ein dreidimensionales digitales Modell eines vollständig zahnlosen Oberkiefers, das anhand von DVT-Daten (CBCT) rekonstruiert wurde. Auf Basis dieses anatomischen Datensatzes entwickelten die Autoren ein patientenspezifisches zweiteiliges subperiostales Implantat zur Versorgung mit einer verschraubten festsitzenden Vollbogenprothese. Die Nutzung der Bilddaten erfolgte nach entsprechender ethischer Genehmigung.

Untersucht wurden vier verschiedene Gerüstwerkstoffe: Kobalt-Chrom (CoCr), Titan (Ti), Zirkonoxid (Zr) sowie Polyetheretherketon (PEEK). Daraus wurden fünf prothetische Versorgungsvarianten erstellt: CoCr mit Keramikverblendung, Zirkonoxid mit Keramikverblendung, Titan mit Keramikverblendung, Titan mit Acrylverblendung sowie PEEK mit Kompositverblendung.

Zur Simulation physiologischer Kaubelastungen wurden gleichzeitig eine vertikale Kraft von 100 N im Frontzahnbereich sowie vertikale Kräfte von 150 N und schräge Kräfte von 100 N unter einem Winkel von 30° im Seitenzahnbereich aufgebracht. Die maximalen Hauptspannungen wurden für den kortikalen und trabekulären Knochen berechnet, während für Implantat, Gerüst sowie Schrauben die Von-Mises-Spannungen bestimmt wurden. Da es sich um eine computergestützte Simulation handelt, erfolgte keine klinische Patientenbeobachtung.

5. Wichtigste Ergebnisse

Die Simulationen zeigten deutliche Unterschiede in der Spannungsverteilung in Abhängigkeit vom verwendeten Gerüstmaterial. Unter allen untersuchten Rekonstruktionsvarianten verursachte die Kombination PEEK mit Kompositverblendung die höchsten Spannungen sowohl im kortikalen und trabekulären Knochen als auch im Implantatkörper sowie in den Fixations- und Prothetikschrauben. Demgegenüber wies das Kobalt-Chrom-Gerüst mit Keramikverblendung in den meisten untersuchten Strukturen die niedrigsten Spannungswerte auf.

Im Vergleich zur Kobalt-Chrom-Konstruktion führte die PEEK-Komposit-Konfiguration zu einer etwa 14 % höheren Belastung des kortikalen Knochens, einer 22 % höheren Belastung des trabekulären Knochens sowie zu einer nahezu 96 % höheren Beanspruchung der Prothetikschrauben. Dagegen zeigten die beiden Titanvarianten – unabhängig davon, ob sie mit Keramik oder Acryl verblendet waren – nahezu identische Spannungsverteilungen. Dies deutet darauf hin, dass das Gerüstmaterial einen wesentlich größeren Einfluss auf das biomechanische Verhalten besitzt als das Verblendmaterial.

Die höchsten Von-Mises-Spannungen wurden insgesamt in den Prothetikschrauben gemessen, wo Maximalwerte von 233,05 MPa erreicht wurden. Die Fixationsschrauben waren deutlich geringer belastet und erreichten maximale Spannungen von 71,45 MPa. Lokale Spannungsspitzen konzentrierten sich vor allem im Bereich der Prothetikpfosten sowie an den Schraubenverbindungen in den Regionen der Eckzahn- und Jochbeinabstützung. Darüber hinaus lagen sämtliche berechneten Spannungen im kortikalen und trabekulären Knochen unter den von den Autoren definierten biologischen Belastungsgrenzen.

6. Klinische Analyse

Die vorliegende Arbeit liefert wichtige biomechanische Erkenntnisse zu einem bislang nur begrenzt untersuchten Aspekt der modernen Implantologie. Während flexible Werkstoffe häufig mit einer besseren Stoßdämpfung in Verbindung gebracht werden, zeigen die Ergebnisse dieser Untersuchung, dass eine geringere Materialsteifigkeit nicht zwangsläufig zu einer günstigeren Kraftverteilung innerhalb des Implantatsystems führt. Im Gegenteil verursachte die Kombination aus PEEK-Gerüst und Kompositverblendung die höchsten Spannungen im Knochen, im Implantatkörper sowie insbesondere in den Prothetikschrauben.

Im Gegensatz dazu zeigte das Kobalt-Chrom-Gerüst die günstigste Spannungsverteilung innerhalb des gesamten Rekonstruktionssystems. Obwohl im Gerüst selbst höhere interne Spannungen auftraten als bei den flexibleren Materialien, scheint die höhere Steifigkeit eine gleichmäßigere Weiterleitung funktioneller Kaukräfte zu ermöglichen. Dadurch werden Belastungsspitzen in den angrenzenden Implantatkomponenten reduziert. Dieses Ergebnis unterstreicht die zentrale Bedeutung des Elastizitätsmoduls des Gerüstmaterials für das mechanische Verhalten implantatgetragener Vollbogenversorgungen.

Von besonderem klinischem Interesse ist außerdem die Beobachtung, dass die höchsten Belastungen unabhängig vom verwendeten Gerüstmaterial stets in den Prothetikschrauben auftraten. Dies weist darauf hin, dass Schraubenverbindungen bei subperiostalen Implantaten eine mechanisch kritische Komponente darstellen können. Für die Behandlungsplanung bedeutet dies, dass neben der Auswahl des Gerüstmaterials auch die mechanische Belastbarkeit der Verbindungselemente berücksichtigt werden sollte.

Bemerkenswert ist darüber hinaus, dass sich zwischen den beiden Titanvarianten mit Keramik- beziehungsweise Acrylverblendung praktisch keine relevanten Unterschiede ergaben. Dieses Ergebnis spricht dafür, dass bei mehrschichtigen prothetischen Rekonstruktionen die Eigenschaften des Gerüstwerkstoffes einen wesentlich stärkeren Einfluss auf die Spannungsverteilung ausüben als die des Verblendmaterials.

Gleichzeitig müssen diese Resultate im Kontext ihres Studiendesigns interpretiert werden. Die Finite-Elemente-Analyse ermöglicht einen hochgradig standardisierten biomechanischen Vergleich verschiedener Konstruktionen, bildet jedoch biologische Prozesse wie Knochenumbau, Gewebeheilung, individuelle Knochenqualität oder Langzeitbelastungen nicht ab. Die vorliegenden Ergebnisse liefern daher wertvolle theoretische Grundlagen für die Materialauswahl, stellen jedoch keine unmittelbare klinische Handlungsempfehlung dar und bedürfen einer Bestätigung durch prospektive klinische Studien.

7. Klinische Anwendung

Die Ergebnisse dieser Untersuchung können die digitale Behandlungsplanung bei vollständigen implantatgetragenen Rehabilitationen mit patientenspezifischen subperiostalen Implantaten unterstützen, insbesondere bei Patienten mit ausgeprägter Oberkieferatrophie, bei denen konventionelle Implantatkonzepte oder umfangreiche Knochenaugmentationen nur eingeschränkt möglich sind. Die Studie verdeutlicht, dass die Wahl des Gerüstmaterials nicht ausschließlich unter ästhetischen oder fertigungstechnischen Gesichtspunkten erfolgen sollte, sondern einen wesentlichen Einfluss auf das biomechanische Gesamtverhalten der Rekonstruktion besitzt.

Darüber hinaus lenken die Ergebnisse die Aufmerksamkeit auf die mechanische Beanspruchung der Prothetikschrauben. Da diese Komponenten in allen untersuchten Modellen die höchsten Spannungswerte aufwiesen, könnte ihre konstruktive Auslegung sowie die Auswahl geeigneter Verbindungselemente eine wichtige Rolle für die langfristige Stabilität implantatgetragener Vollbogenversorgungen spielen. Da sämtliche Erkenntnisse auf numerischen Simulationen beruhen, sollten sie jedoch ausschließlich als biomechanische Orientierung verstanden und nicht unmittelbar auf klinische Behandlungsergebnisse übertragen werden.

8. Evidenzniveau, Limitationen und Transparenz

Bei dieser Publikation handelt es sich um eine präklinische Finite-Elemente-Analyse (Finite Element Analysis, FEA). Dieses Studiendesign eignet sich hervorragend, um das biomechanische Verhalten verschiedener Implantat- und Prothesenkonstruktionen unter standardisierten Belastungsbedingungen miteinander zu vergleichen. Dennoch handelt es sich um ein experimentelles Simulationsmodell, dessen Aussagekraft unterhalb der Evidenz klinischer Studien liegt. Aussagen über Langzeitüberleben, biologische Komplikationen oder den klinischen Erfolg lassen sich aus den Ergebnissen allein nicht ableiten.

Die Autoren weisen auf mehrere methodische Einschränkungen hin. Knochengewebe wurde als homogenes, isotropes und linear-elastisches Material modelliert, wodurch die biologische Variabilität realer Patienten nicht vollständig berücksichtigt werden kann. Weichgewebe der Gingiva wurde bewusst nicht in das Modell integriert, da sich die Untersuchung auf die Spannungsverteilung innerhalb des Knochens sowie der implantatgetragenen Komponenten konzentrierte. Darüber hinaus wurde die Geometrie der Schraubengewinde vereinfacht, um den Rechenaufwand zu reduzieren. Ebenso konnten biologische Prozesse wie Fibrointegration, Knochenremodellierung, Gewebeheilung oder Materialalterung innerhalb des Simulationsmodells nicht nachgebildet werden. Die Autoren betonen deshalb ausdrücklich, dass klinische Langzeitstudien erforderlich sind, um die biomechanischen Ergebnisse zu bestätigen.

Auf Grundlage der vorliegenden Informationen werden keine Interessenkonflikte oder finanziellen Beziehungen zu Implantatherstellern ausdrücklich angegeben. Ebenso finden sich in den verfügbaren Auszügen keine Hinweise auf industriebezogene Einflussnahmen auf Studiendesign oder Datenauswertung.

9. Kernaussagen der Studie

• Studientyp: Präklinische dreidimensionale Finite-Elemente-Analyse (FEA).
• Evidenzniveau: Präklinische biomechanische Simulationsstudie.
• Untersuchungsmodell: Digital rekonstruiertes Modell eines vollständig zahnlosen Oberkiefers auf Basis einer CBCT-Aufnahme.
• Anzahl der Patienten: Ein CBCT-Datensatz zur Erstellung des digitalen Modells.
• Implantatsystem: Individuell konstruiertes zweiteiliges subperiostales Implantat.
• Nachbeobachtungszeit: Nicht anwendbar (Computersimulation).
• Primärer Endpunkt: Analyse der Spannungsverteilung im kortikalen und trabekulären Knochen, im Implantatkörper, im Prothesengerüst sowie in Fixations- und Prothetikschrauben.
• Verglichene Gerüstmaterialien: Kobalt-Chrom, Titan, Zirkonoxid und PEEK mit unterschiedlichen Verblendmaterialien.
• Wichtigstes Ergebnis: Die Kombination aus PEEK und Komposit erzeugte die höchsten mechanischen Spannungen, während Kobalt-Chrom insgesamt die günstigste Spannungsverteilung zeigte.
• Wissenschaftliche Schlussfolgerung: Das Gerüstmaterial beeinflusst das biomechanische Verhalten subperiostaler Implantatversorgungen maßgeblich. Darüber hinaus sollte der mechanischen Belastbarkeit der Prothetikschrauben bei der Behandlungsplanung besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden.
• Wesentliche Limitation: Die Ergebnisse beruhen ausschließlich auf numerischen Simulationen und müssen durch klinische Studien validiert werden.

10. Wissenschaftliche Bedeutung

Diese Arbeit erweitert die biomechanische Evidenz zu einem bislang vergleichsweise wenig erforschten Bereich der Implantologie. Während Finite-Elemente-Analysen für enossale Implantatsysteme inzwischen umfangreich vorliegen, existieren für patientenspezifische subperiostale Implantate deutlich weniger Untersuchungen. Durch den direkten Vergleich mehrerer Gerüstmaterialien innerhalb desselben anatomischen Modells liefert die Studie neue Erkenntnisse über den Einfluss der Materialsteifigkeit auf die Kraftübertragung in vollbogengetragenen implantatprothetischen Rekonstruktionen.

Ein weiterer wissenschaftlicher Beitrag besteht darin, dass die Untersuchung nicht ausschließlich das Implantat selbst betrachtet, sondern die gesamte prothetische Konstruktion einschließlich der Verbindungselemente analysiert. Die ausgeprägten Spannungen in den Prothetikschrauben verdeutlichen, dass die mechanische Stabilität einer Versorgung nicht allein vom Implantatdesign oder vom Gerüstmaterial abhängt, sondern ebenso von der Belastbarkeit der verschraubten Verbindungskomponenten. Damit erweitert die Studie den Blickwinkel zukünftiger biomechanischer Untersuchungen auf das Zusammenspiel sämtlicher Bestandteile einer implantatgetragenen Rekonstruktion.

Obwohl die Untersuchung keine unmittelbaren klinischen Empfehlungen ableitet, schafft sie eine fundierte biomechanische Grundlage für zukünftige Laborstudien und prospektive klinische Untersuchungen zur langfristigen Leistungsfähigkeit patientenspezifischer subperiostaler Implantate.

11. Redaktionelles Fazit

Die vorliegende Finite-Elemente-Analyse zeigt, dass die Wahl des prothetischen Gerüstmaterials das biomechanische Verhalten individuell gefertigter subperiostaler Implantatversorgungen wesentlich beeinflusst. Unter den untersuchten Materialien erzielte Kobalt-Chrom die günstigste Spannungsverteilung, während PEEK-basierte Rekonstruktionen höhere Belastungen im Knochen, im Implantat sowie insbesondere in den Prothetikschrauben aufwiesen. Die Studie liefert damit wertvolle biomechanische Grundlagen für die digitale Implantatplanung und Materialauswahl. Aufgrund ihres präklinischen Charakters sollten die Ergebnisse jedoch als theoretische Evidenz interpretiert und durch klinische Langzeitstudien bestätigt werden.