Biomechanischer Einfluss der Implantatdicke und des Schraubendurchmessers auf subperiostale CFR-PEEK-Implantate: Eine dreidimensionale Finite-Elemente-Analyse

Eda Etik, Basak Keskin Yalcin

Full text link: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42032041/

Biomechanischer Einfluss der Implantatdicke und des Schraubendurchmessers auf subperiostale CFR-PEEK-Implantate: Eine dreidimensionale Finite-Elemente-Analyse

1. Wissenschaftliche Referenz

• Studientitel: Biomechanical effect of implant thickness and screw diameter on CFR-PEEK subperiosteal implants: a three-dimensional finite element analysis
• Autoren: Eda Etik, Basak Keskin Yalcin
• Fachzeitschrift: Scientific Reports
• Erscheinungsjahr: 2026
• DOI: 10.1038/s41598-026-49671-0

2. Wissenschaftlicher Hintergrund

Die Versorgung von Patienten mit ausgeprägter Oberkieferatrophie stellt in der oralen Implantologie nach wie vor eine erhebliche therapeutische Herausforderung dar. Reicht das vorhandene Knochenangebot für konventionelle enossale Implantate nicht aus, kommen alternative Behandlungskonzepte in Betracht. Durch Fortschritte in der digitalen Bildgebung, der computergestützten Implantatplanung sowie der CAD/CAM-gestützten Fertigung haben patientenspezifische subperiostale Implantate in den vergangenen Jahren erneut an Bedeutung gewonnen.

Neben der präzisen anatomischen Anpassung rückt zunehmend die Auswahl geeigneter Biomaterialien in den Fokus. Carbonfaserverstärktes Polyetheretherketon (CFR-PEEK) gilt aufgrund seiner hohen mechanischen Festigkeit und seines im Vergleich zu metallischen Werkstoffen günstigeren Elastizitätsmoduls als vielversprechende Alternative für individuelle Implantatkonstruktionen. Bislang liegen jedoch nur begrenzte Erkenntnisse darüber vor, wie Konstruktionsparameter wie die Dicke des Implantatrahmens oder der Durchmesser der Fixationsschrauben das biomechanische Verhalten solcher Implantatsysteme beeinflussen. Die vorliegende Studie untersucht diese Fragestellung mithilfe einer dreidimensionalen Finite-Elemente-Analyse.

3. Ziel der Studie

Ziel dieser Untersuchung war es, den Einfluss unterschiedlicher Implantatrahmendicken und Schraubendurchmesser auf das biomechanische Verhalten patientenspezifischer subperiostaler Implantate aus 60 % carbonfaserverstärktem Polyetheretherketon (CFR-PEEK) zu analysieren.

Hierzu wurden verschiedene Implantatkonfigurationen hinsichtlich ihrer Spannungsverteilung und ihres Verformungsverhaltens miteinander verglichen, um deren Auswirkungen auf die mechanische Stabilität sowie die Kraftübertragung zwischen Implantat und umgebendem Knochen zu bewerten.

4. Methodik

Bei der vorliegenden Arbeit handelt es sich um eine präklinische In-silico-Studie, die auf einer dreidimensionalen Finite-Elemente-Analyse (FEA) basiert. Grundlage der Simulation war ein aus Computertomographiedaten rekonstruiertes dreidimensionales Modell eines Patienten mit einer ausgeprägten Oberkieferatrophie der Klasse V nach Cawood und Howell. Dieses anatomische Modell diente als Basis für die Entwicklung eines patientenspezifischen subperiostalen Implantats.

Insgesamt wurden vier virtuelle Implantatvarianten erstellt, die zwei Rahmendicken (1,0 mm und 1,5 mm) mit zwei unterschiedlichen Durchmessern der Fixationsschrauben (1,5 mm und 2,0 mm) kombinierten. Der Implantatrahmen bestand aus 60 % CFR-PEEK, während Schrauben, Abutments und das metallische Gerüst mit den Materialeigenschaften von Titan modelliert wurden.

Zur Simulation funktioneller Belastungen wurden drei klinisch relevante Belastungsszenarien definiert: eine beidseitige vertikale Belastung im posterioren Oberkiefer, eine einseitige schräge Belastung der Seitenzahnregion sowie eine vertikale Belastung im Frontzahnbereich. Bewertet wurden die Gesamtverformung des Systems, maximale und minimale Hauptspannungen im Knochen sowie die Von-Mises-Spannungen innerhalb des Implantats und seiner prothetischen Komponenten. Da es sich um eine numerische Simulation handelt, erfolgte keine klinische Nachbeobachtung.

5. Wichtigste Ergebnisse

Die numerischen Simulationen zeigten, dass die geometrische Gestaltung des Implantats einen wesentlichen Einfluss auf das biomechanische Verhalten des gesamten Implantatsystems hat. Eine Erhöhung der Rahmendicke von 1,0 mm auf 1,5 mm führte in sämtlichen Belastungsszenarien zu einer geringeren Gesamtverformung des Systems. Gleichzeitig nahmen sowohl Zug- als auch Druckspannungen im umgebenden Knochen ab, wobei dieser Effekt insbesondere im posterioren Alveolarkamm ausgeprägt war – jener Region, die unter funktioneller Belastung die höchsten mechanischen Beanspruchungen aufwies.

Ein vergleichbarer Trend zeigte sich beim Durchmesser der Fixationsschrauben. Größere Schrauben reduzierten die Spannungsbelastung sowohl im Knochen als auch im subperiostalen Implantat, da die funktionellen Kräfte gleichmäßiger auf die knöchernen Kontaktflächen verteilt wurden. Gleichzeitig erhöhte sich jedoch die Spannungskonzentration innerhalb des metallischen Prothesengerüstes. Dies verdeutlicht, dass eine Optimierung einzelner Implantatparameter zu einer Umverteilung der Belastungen innerhalb des Gesamtsystems führt, anstatt die mechanischen Beanspruchungen vollständig zu eliminieren.

Von den drei simulierten Belastungssituationen erzeugte die posterior wirkende Belastung die höchsten Spannungen. Dagegen führte die Belastung der Frontzahnregion zu geringeren Spannungswerten und zu einer anderen räumlichen Verteilung der Belastungsschwerpunkte. Darüber hinaus zeigte sich, dass das 60 % carbonfaserverstärkte CFR-PEEK aufgrund seines hohen Elastizitätsmoduls die Spannungsübertragung auf den Knochen reduziert, während gleichzeitig höhere Spannungen innerhalb des Implantatkörpers und der metallischen Suprakonstruktion auftreten. Nach Auffassung der Autoren erfüllen die untersuchten Konstruktionen die wesentlichen biomechanischen Anforderungen eines patientenspezifischen subperiostalen Implantatsystems. Gleichzeitig wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass diese Aussagen ausschließlich auf numerischen Simulationen beruhen und einer experimentellen sowie klinischen Bestätigung bedürfen.

6. Klinische Analyse

Diese Arbeit liefert wertvolle biomechanische Erkenntnisse für die Weiterentwicklung patientenspezifischer subperiostaler Implantate. Besonders hervorzuheben ist, dass nicht allein das verwendete Biomaterial die mechanische Leistungsfähigkeit bestimmt, sondern ebenso die konstruktive Ausgestaltung des Implantats. Bereits vergleichsweise geringe Änderungen der Rahmendicke oder des Schraubendurchmessers beeinflussen die Lastübertragung zwischen Implantat, Fixationssystem und umgebendem Knochen deutlich.

Die Ergebnisse sprechen dafür, dass eine größere Rahmendicke die Steifigkeit des Implantats erhöht und dadurch unerwünschte Verformungen unter funktioneller Belastung reduziert. Gleichzeitig sinken die im Knochen auftretenden Zug- und Druckspannungen, insbesondere im posterioren Oberkiefer, der während der Mastikation den höchsten Kräften ausgesetzt ist. Aus biomechanischer Sicht deutet dies auf eine günstigere Kraftverteilung innerhalb des Implantat-Knochen-Komplexes hin. Dennoch erlaubt die Studie keine Aussagen darüber, ob sich diese numerischen Vorteile tatsächlich in einer höheren klinischen Erfolgsrate oder einer verbesserten Langzeitstabilität widerspiegeln.

Auch ein größerer Schraubendurchmesser führte zu einer gleichmäßigeren Lastübertragung auf den Knochen und verringerte lokale Spannungsspitzen. Gleichzeitig zeigte sich jedoch eine erhöhte mechanische Beanspruchung des metallischen Gerüstes. Dieses Ergebnis verdeutlicht einen grundlegenden Aspekt der Implantatbiomechanik: Die Optimierung eines Bauteils führt häufig zu einer Verschiebung der Belastungen auf andere Komponenten des Systems. Ziel einer patientenspezifischen Implantatkonstruktion ist daher nicht die vollständige Eliminierung mechanischer Spannungen, sondern deren möglichst ausgewogene Verteilung.

Besonderes Interesse gilt dem verwendeten 60 % CFR-PEEK. Die Simulationen legen nahe, dass dieses Material aufgrund seiner hohen Steifigkeit die Belastung des periimplantären Knochens reduziert und gleichzeitig eine ausreichende strukturelle Stabilität gewährleistet. Allerdings konzentrieren sich dadurch höhere Spannungen innerhalb des Implantatkörpers selbst. Daraus wird deutlich, dass Materialwahl und Implantatgeometrie als miteinander verknüpfte Faktoren betrachtet werden müssen und nicht unabhängig voneinander optimiert werden können.

Bei der Interpretation der Ergebnisse sind mehrere Einschränkungen zu berücksichtigen. Sämtliche Berechnungen basieren auf dem anatomischen Datensatz eines einzelnen Patienten. Darüber hinaus wurden alle Materialien als homogen, isotrop und linear-elastisch modelliert. Biologische Prozesse wie Knochenumbau, Osseointegration, individuelle Unterschiede der Knochenqualität oder Langzeitbelastungen konnten im Rahmen dieser Simulation nicht berücksichtigt werden. Die vorliegenden Ergebnisse stellen daher eine biomechanische Grundlage für weitere experimentelle und klinische Untersuchungen dar und sollten nicht als unmittelbare therapeutische Empfehlung verstanden werden.

7. Klinische Anwendungsbereiche

Die Ergebnisse dieser Untersuchung sind insbesondere für die Planung patientenspezifischer subperiostaler Implantate bei Patienten mit ausgeprägter Oberkieferatrophie von Bedeutung, bei denen konventionelle Implantate oder umfangreiche Knochenaugmentationsverfahren nicht oder nur eingeschränkt infrage kommen.

Im Rahmen eines vollständig digitalen Workflows mit computertomographischer Bildgebung, CAD/CAM-gestützter Konstruktion und individueller Fertigung können Rahmendicke und Schraubendurchmesser als wesentliche biomechanische Planungsparameter berücksichtigt werden. Die vorliegenden Daten liefern Anhaltspunkte dafür, wie die Implantatgeometrie optimiert werden könnte, um eine günstigere Spannungsverteilung zu erzielen.

Die Studie liefert jedoch keine klinischen Handlungsempfehlungen und definiert keine optimale Implantatkonfiguration für die tägliche Praxis. Vielmehr stellen die Ergebnisse eine präklinische Grundlage dar, die durch experimentelle Untersuchungen und prospektive klinische Studien bestätigt werden muss, bevor eine Übertragung auf die routinemäßige Patientenversorgung erfolgen kann.

8. Evidenzniveau, Limitationen und Transparenz

Bei der vorliegenden Arbeit handelt es sich um eine präklinische In-silico-Studie auf Grundlage einer dreidimensionalen Finite-Elemente-Analyse (Finite Element Analysis, FEA). Dieses Studiendesign eignet sich hervorragend zur Untersuchung biomechanischer Zusammenhänge unter standardisierten Bedingungen, erlaubt jedoch keine direkten Aussagen über klinische Erfolgsraten, Implantatüberleben oder patientenbezogene Behandlungsergebnisse. Entsprechend ist das Evidenzniveau als präklinisch einzustufen.

Methodisch zeichnet sich die Untersuchung durch ein patientenspezifisches dreidimensionales Modell aus, das aus Computertomographiedaten rekonstruiert wurde. Vier unterschiedliche Implantatkonfigurationen wurden unter drei funktionellen Belastungsszenarien miteinander verglichen. Zusätzlich führten die Autoren eine Netzkonvergenzanalyse (Mesh-Convergence) durch, um die numerische Stabilität und Zuverlässigkeit der Simulationen sicherzustellen.

Dennoch sind mehrere Einschränkungen zu berücksichtigen. Sämtliche Berechnungen basieren auf den anatomischen Daten eines einzelnen Patienten, wodurch die Übertragbarkeit auf andere klinische Situationen begrenzt ist. Darüber hinaus wurden Knochen und Werkstoffe als homogene, isotrope und linear-elastische Materialien modelliert. Komplexe biologische Prozesse wie Knochenumbau, Osseointegration, patientenspezifische Unterschiede der Knochenqualität oder Langzeitermüdung konnten in der Simulation nicht berücksichtigt werden. Die Autoren weisen daher ausdrücklich darauf hin, dass ihre Ergebnisse ausschließlich biomechanische Zusammenhänge beschreiben und keine unmittelbaren klinischen Schlussfolgerungen zulassen.

Hinsichtlich der wissenschaftlichen Transparenz werden die Genehmigung durch die zuständigen Ethikkommissionen sowie die schriftliche Einwilligung des Patienten zur Nutzung der CT-Daten dokumentiert. Interessenkonflikte oder finanzielle Beziehungen zu Herstellern von Implantatsystemen werden in den bereitgestellten Informationen nicht angegeben.

9. Kernaussagen der Studie

• Studientyp: Präklinische In-silico-Studie mittels dreidimensionaler Finite-Elemente-Analyse (FEA).
• Evidenzniveau: Präklinische numerische Modellierungsstudie.
• Untersuchungspopulation: Patientenspezifisches digitales Modell eines stark atrophierten Oberkiefers (Cawood-und-Howell-Klasse V).
• Anzahl der Patienten: 1.
• Untersuchte Implantatkonfigurationen: Vier virtuelle Modelle mit zwei Implantatrahmendicken (1,0 mm und 1,5 mm) sowie zwei Schraubendurchmessern (1,5 mm und 2,0 mm).
• Nachbeobachtungszeit: Nicht anwendbar.
• Primärer Endpunkt: Einfluss von Rahmendicke und Schraubendurchmesser auf Spannungsverteilung und Gesamtverformung des Implantatsystems.
• Wichtigstes Ergebnis: Eine größere Rahmendicke und ein größerer Schraubendurchmesser reduzierten die Belastung des umgebenden Knochens und erhöhten die strukturelle Stabilität, während die Spannungen innerhalb des Implantats und der metallischen Suprakonstruktion zunahmen.
• Wissenschaftliche Schlussfolgerung: Implantatgeometrie, Schraubendurchmesser und Materialsteifigkeit des CFR-PEEK beeinflussen maßgeblich das biomechanische Verhalten patientenspezifischer subperiostaler Implantate.
• Wesentliche Limitationen: Einzelpatientenmodell, vereinfachte Materialannahmen und fehlende experimentelle bzw. klinische Validierung.

10. Wissenschaftliche Bedeutung

Diese Studie erweitert die wissenschaftliche Evidenz zu patientenspezifischen subperiostalen Implantaten, indem sie zwei konstruktive Parameter untersucht, die bislang nur selten gemeinsam analysiert wurden: die Dicke des Implantatrahmens und den Durchmesser der Fixationsschrauben. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass die biomechanische Leistungsfähigkeit eines Implantats nicht ausschließlich vom verwendeten Biomaterial abhängt, sondern ebenso wesentlich durch dessen geometrische Gestaltung bestimmt wird.

Darüber hinaus liefert die Untersuchung neue Erkenntnisse zum Einsatz von 60 % carbonfaserverstärktem Polyetheretherketon (CFR-PEEK) als Werkstoff für individuell gefertigte subperiostale Implantate. Die Simulationen deuten darauf hin, dass dieses Material eine günstige Spannungsverteilung im periimplantären Knochen ermöglicht und gleichzeitig eine ausreichende mechanische Stabilität gewährleistet. Gleichzeitig zeigt die Arbeit, dass biomechanische Optimierungen stets als Zusammenspiel von Materialeigenschaften und Implantatgeometrie betrachtet werden müssen.

Obwohl die Studie keine Aussagen zur klinischen Wirksamkeit treffen kann, stellt sie eine wertvolle Grundlage für die Weiterentwicklung digital geplanter Implantatsysteme dar. Die gewonnenen Daten können zukünftige experimentelle Untersuchungen sowie prospektive klinische Studien unterstützen, die klären müssen, ob sich die beobachteten biomechanischen Vorteile auch unter realen klinischen Bedingungen bestätigen lassen.

11. Redaktionelles Fazit

Diese präklinische Finite-Elemente-Studie zeigt, dass sowohl die Rahmendicke als auch der Durchmesser der Fixationsschrauben einen entscheidenden Einfluss auf das biomechanische Verhalten patientenspezifischer subperiostaler CFR-PEEK-Implantate haben. Eine größere Rahmendicke und größere Schrauben verbessern die strukturelle Stabilität und reduzieren die Belastung des umgebenden Knochens, während sich die mechanischen Spannungen stärker auf die Implantatstruktur verlagern. Damit liefert die Arbeit eine fundierte biomechanische Grundlage für die Optimierung individuell gefertigter Implantate im digitalen Workflow. Aufgrund ihres präklinischen Charakters sollten die Ergebnisse jedoch vorsichtig interpretiert und durch experimentelle sowie klinische Studien bestätigt werden, bevor sie in die klinische Routine übernommen werden.