Finite-Elemente-Analyse funktionell belasteter subperiostaler Implantate anhand eines realitätsnahen Modells mit ausgeprägter Kieferatrophie

Gerardo Pellegrino, Maryia Karaban, Veronica Scalchi, Marco Urbani, Amerigo Giudice, Carlo Barausse, Pietro Felice.

Full text link: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39846694/

Finite-Elemente-Analyse funktionell belasteter subperiostaler Implantate anhand eines realitätsnahen Modells mit ausgeprägter Kieferatrophie

1. Wissenschaftliche Referenz

• Studientitel: Finite Element Analysis of Functionally Loaded Subperiosteal Implants Evaluated on a Realistic Model Reproducing Severe Atrophic Jaws
• Autoren: Gerardo Pellegrino, Maryia Karaban, Veronica Scalchi, Marco Urbani, Amerigo Giudice, Carlo Barausse und Pietro Felice.
• Fachzeitschrift: Methods and Protocols
• Erscheinungsjahr:
• DOI:3390/mps8010008.

2. Wissenschaftlicher Hintergrund

Die implantatgetragene Rehabilitation stark atrophierter Kiefer gehört zu den anspruchsvollsten Aufgaben der modernen Implantologie. Bei ausgeprägtem Knochenverlust reichen die verbliebenen Knochenstrukturen häufig nicht mehr aus, um Standardimplantate sicher zu inserieren. In solchen Fällen kommen oftmals augmentative Verfahren wie Sinusbodenelevation, Knochenblocktransplantationen oder die gesteuerte Knochenregeneration zum Einsatz. Diese Behandlungsstrategien sind jedoch mit zusätzlichen chirurgischen Eingriffen, längeren Therapiezeiten sowie einer erhöhten Morbidität verbunden.

Patientenspezifische subperiostale Implantate stellen eine alternative Versorgungsmöglichkeit für komplexe anatomische Situationen dar. Durch moderne CAD/CAM-Technologien und additive Fertigungsverfahren lassen sich individuell angepasste Titanimplantate herstellen, die direkt auf dem kortikalen Knochen aufliegen und mittels Kortikalisschrauben fixiert werden. Trotz der zunehmenden Verfügbarkeit dieser Technologie existieren bislang keine allgemein anerkannten biomechanischen Designrichtlinien hinsichtlich Implantatgeometrie, Schraubenpositionierung oder struktureller Ausführung.

Vor diesem Hintergrund untersucht die vorliegende Studie mithilfe einer Finite-Elemente-Analyse (FEA), wie unterschiedliche Implantatkonfigurationen die Spannungsverteilung innerhalb des Implantats sowie im umgebenden Knochen beeinflussen können. Ziel ist es, konstruktive Merkmale zu identifizieren, die zu einer günstigeren Lastverteilung beitragen könnten.

3. Ziel der Studie

Das primäre Ziel dieser Untersuchung bestand darin, das biomechanische Verhalten patientenspezifischer subperiostaler Implantate für die Versorgung stark atrophierter Ober- und Unterkiefer mithilfe der Finite-Elemente-Methode zu analysieren. Im Mittelpunkt stand die Frage, wie sich unterschiedliche Konstruktionsmerkmale – insbesondere Anzahl und Position der Kortikalisschrauben, die Ausdehnung des Implantatkörpers sowie das Vorhandensein oder Fehlen von Verbindungsstegen zwischen den beiden Implantathälften – auf die Spannungsverteilung innerhalb des Implantats und des angrenzenden Knochens auswirken.

Darüber hinaus sollte untersucht werden, welche Implantatkonfigurationen eine möglichst gleichmäßige Kraftübertragung ermöglichen und lokale Spannungsspitzen im kortikalen Knochen reduzieren können. Ziel war es somit, biomechanische Grundlagen für die Optimierung patientenspezifischer subperiostaler Implantate zu schaffen und deren konstruktive Auslegung wissenschaftlich zu unterstützen.

4. Methodik

Bei der vorliegenden Arbeit handelt es sich um eine präklinische numerische Studie, die auf der Finite-Elemente-Analyse (Finite Element Analysis, FEA) basiert. Klinische Patienten wurden nicht eingeschlossen; stattdessen wurden realitätsnahe dreidimensionale Modelle eines stark atrophierten Ober- und Unterkiefers aus DICOM-Datensätzen rekonstruiert. Nach der Segmentierung der anatomischen Strukturen wurden patientenspezifische subperiostale Implantate digital entworfen und schrittweise modifiziert, um den Einfluss verschiedener Konstruktionsvarianten auf das biomechanische Verhalten zu untersuchen.

Die Simulationsmodelle umfassten kortikalen und spongiösen Knochen, Titanimplantate, Fixationsschrauben sowie die prothetische Suprakonstruktion. Für sämtliche Materialien wurden lineare elastische und isotrope Materialeigenschaften entsprechend publizierter Literaturwerte angenommen. Die Kontaktbedingungen zwischen Implantat, Schrauben und Knochen wurden je nach Grenzfläche als fest verbunden oder mit Reibung modelliert. Zur Erhöhung der Berechnungsgenauigkeit erfolgte eine fein aufgelöste tetraedrische Vernetzung, insbesondere in Bereichen mit erwarteten hohen Spannungen.

Zur Simulation funktioneller Belastungen wurden fünf unterschiedliche statische Belastungsszenarien definiert, die verschiedene okklusale Kausituationen nachbildeten. In allen Simulationen wurde eine vertikale Belastung von 500 N aufgebracht. Als Referenzwert für potenziell kritische Belastungen des kortikalen Knochens wurde eine Spannung von 50 MPa festgelegt. Für Ober- und Unterkiefer wurden mehrere sukzessiv angepasste Implantatvarianten (V0 bis V6) miteinander verglichen, um den biomechanischen Einfluss einzelner Designänderungen systematisch zu bewerten.

5. Wichtigste Ergebnisse

Die Finite-Elemente-Simulationen zeigten, dass sowohl die Implantatkonstruktion als auch die Art der funktionellen Belastung einen entscheidenden Einfluss auf die biomechanische Beanspruchung des Implantat-Knochen-Komplexes haben. Sowohl im Oberkiefer als auch im Unterkiefer traten die höchsten Spannungen bei einer einseitigen anterioren Belastung (Belastungskonfiguration 3) auf, während okklusale Kräfte, die auf mehrere prothetische Pfeiler verteilt wurden, zu einer deutlich homogeneren Spannungsverteilung führten.

Die schrittweise Optimierung der Implantatgeometrie führte zu einer kontinuierlichen Verbesserung des mechanischen Verhaltens. Bereits die Ergänzung zusätzlicher posteriorer Kortikalisschrauben (Modell V1) verringerte die Belastung der anterioren Fixationsbereiche und sorgte für eine ausgewogenere Kraftübertragung innerhalb der gesamten Implantatkonstruktion. Eine alternative vestibuläre Ausrichtung der posterioren Schrauben (Modell V2) zeigte ein vergleichbares biomechanisches Verhalten, ohne jedoch einen deutlichen zusätzlichen Vorteil zu bieten.

Im Bereich der anterioren Fixation erwies sich die Verlagerung der Schrauben in Richtung des Processus frontalis (Modell V4) als wirkungsvoller als die bloße Erhöhung der Schraubenanzahl (Modell V3). Diese Anpassung reduzierte lokale Spannungsspitzen an den kortikalen Verankerungspunkten und verbesserte gleichzeitig die Lastverteilung entlang des Implantats. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass die Positionierung der Fixationsschrauben biomechanisch bedeutsamer ist als deren reine Anzahl.

Unter den ungünstigsten Belastungsbedingungen überschritten die Zugspannungen im Bereich einzelner Kortikalisschrauben lokal den Referenzwert von 50 MPa, was auf potenziell kritische Belastungszonen im kortikalen Knochen hinweist. Gleichzeitig lagen die maximalen Spannungen innerhalb der Titanstruktur mit Spitzenwerten von etwa 500 MPa weiterhin unterhalb der Streckgrenze des verwendeten Werkstoffs, sodass aus rein mechanischer Sicht eine ausreichende Sicherheitsreserve bestand.

Ein weiteres wichtiges Ergebnis war, dass Verbindungsstege zwischen den rechten und linken Implantathälften praktisch keinen Einfluss auf die Spannungsverteilung hatten. Den Simulationen zufolge übernimmt die prothetische Suprakonstruktion bereits einen wesentlichen Anteil an der strukturellen Stabilisierung, sodass die Verbindungsstege nur gering belastet werden. Dieses Verhalten wurde sowohl im Oberkiefer als auch im Unterkiefer beobachtet.

6. Klinische Analyse

Obwohl die Studie keine klinischen Behandlungsergebnisse untersucht, liefert sie wertvolle Erkenntnisse für die Entwicklung patientenspezifischer subperiostaler Implantate. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass bereits vergleichsweise kleine Änderungen der Implantatkonstruktion die mechanische Lastverteilung erheblich beeinflussen können. Damit unterstreicht die Arbeit die Bedeutung einer biomechanisch fundierten Implantatplanung bereits während der digitalen Konstruktionsphase.

Von besonderer klinischer Relevanz ist die Erkenntnis, dass die strategische Positionierung der Kortikalisschrauben einen größeren Einfluss auf die Spannungsverteilung besitzt als eine bloße Erhöhung ihrer Anzahl. Zusätzliche posterior platzierte Schrauben verbesserten die Kraftübertragung deutlich, während eine optimierte anteriore Verankerung lokale Spannungsspitzen weiter reduzierte. Dies spricht dafür, den Fokus bei der Implantatplanung auf eine möglichst günstige räumliche Verteilung der Fixationspunkte zu legen.

Darüber hinaus identifizierte die Studie die einseitige Frontzahnbelastung als die biomechanisch kritischste Belastungssituation. Dieses Ergebnis kann bei der computergestützten Konstruktion individueller Implantate berücksichtigt werden, um potenzielle Spannungskonzentrationen bereits vor der Fertigung zu minimieren und die Belastung gleichmäßiger auf den kortikalen Knochen zu verteilen.

Die numerischen Simulationen zeigten außerdem, dass Verbindungsstege zwischen den beiden Implantathälften nur einen sehr geringen Beitrag zur Gesamtstabilität leisten. Da die prothetische Versorgung selbst bereits eine ausreichende strukturelle Steifigkeit erzeugt, könnten solche Verbindungselemente aus biomechanischer Sicht unter bestimmten Voraussetzungen entbehrlich sein. Diese Beobachtung stellt jedoch ausschließlich ein theoretisches Ergebnis der Simulation dar und darf nicht unmittelbar als klinische Empfehlung interpretiert werden.

Wie bei allen Finite-Elemente-Analysen berücksichtigt auch dieses Modell weder biologische Heilungsprozesse noch Knochenremodellierung, individuelle Patientenvariabilität oder Langzeitermüdung der Materialien. Die dargestellten Ergebnisse beschreiben daher ausschließlich das mechanische Verhalten unter definierten Simulationsbedingungen und ersetzen keine klinische Evidenz.

Insgesamt bestätigt die Studie den hohen Stellenwert numerischer Simulationen als Werkzeug zur Optimierung patientenspezifischer Implantatkonstruktionen. Ob die beobachteten biomechanischen Vorteile tatsächlich zu besseren klinischen Langzeitergebnissen führen, muss jedoch durch prospektive klinische Studien nachgewiesen werden.

7. Klinische Anwendung

Die Ergebnisse dieser Studie sind in erster Linie für die digitale Planung und Konstruktion patientenspezifischer subperiostaler Implantate bei ausgeprägter Kieferatrophie von Bedeutung. Die Finite-Elemente-Analysen zeigen, dass eine gezielte Optimierung der Implantatgeometrie und der Position der Kortikalisschrauben die mechanische Lastverteilung verbessern kann, noch bevor das Implantat hergestellt und klinisch eingesetzt wird.

Die gewonnenen Erkenntnisse sind insbesondere für vollständig digitale Behandlungsabläufe relevant, bei denen dreidimensionale Bildgebung, virtuelle Implantatplanung, CAD/CAM-Technologien und additive Fertigungsverfahren miteinander kombiniert werden. Sie unterstützen Implantologen, Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgen sowie Entwicklungsingenieure bei der Gestaltung individueller Implantate für Patienten, bei denen aufgrund eines ausgeprägten Knochenabbaus konventionelle enossale Implantate oder umfangreiche Augmentationsverfahren nicht oder nur eingeschränkt infrage kommen.

Darüber hinaus verdeutlicht die Studie den Nutzen numerischer Simulationen als Instrument zur Optimierung neuer Implantatdesigns. Die Ergebnisse können dazu beitragen, biomechanisch ungünstige Konstruktionen bereits während der Entwicklungsphase zu identifizieren und konstruktive Anpassungen vorzunehmen, bevor eine klinische Anwendung erfolgt.

Gleichzeitig sollten die dargestellten Resultate ausschließlich als biomechanische Entscheidungsgrundlage verstanden werden. Aussagen über Implantatüberleben, biologische Integration, periimplantäre Gewebereaktionen oder langfristige klinische Erfolge lassen sich aus dieser Untersuchung nicht ableiten, da keine Patienten behandelt oder nachbeobachtet wurden.

8. Evidenzniveau, Limitationen und Transparenz

Bei der vorliegenden Arbeit handelt es sich um eine präklinische numerische Studie, die ausschließlich auf Finite-Elemente-Simulationen basiert. Obwohl diese Methode eine detaillierte Analyse der mechanischen Belastungsverhältnisse ermöglicht, liefert sie ein geringeres Evidenzniveau als prospektive klinische Studien, randomisierte kontrollierte Untersuchungen oder systematische Übersichtsarbeiten.

Zu den wesentlichen Stärken der Studie zählen die Verwendung anatomisch realistischer dreidimensionaler Modelle, die systematische Untersuchung mehrerer Implantatdesigns sowie die standardisierte Analyse verschiedener funktioneller Belastungssituationen. Dadurch konnten die Auswirkungen einzelner konstruktiver Veränderungen objektiv miteinander verglichen werden.

Dennoch weist die Untersuchung mehrere methodische Einschränkungen auf. Die Berechnungen beruhen auf vereinfachenden Annahmen hinsichtlich der Materialeigenschaften, der Kontaktbedingungen zwischen Implantat und Knochen sowie der simulierten Belastungsszenarien. Dynamische Kaukräfte, individuelle anatomische Unterschiede, biologische Heilungsprozesse, Osseointegration, Knochenumbau sowie Materialermüdung im Langzeitverlauf konnten im Simulationsmodell nicht berücksichtigt werden.

Die wichtigste Limitation besteht daher darin, dass keine klinischen Daten vorliegen. Weder Implantatüberlebensraten noch biologische oder prothetische Komplikationen wurden untersucht. Die Ergebnisse belegen somit ausschließlich das biomechanische Verhalten der verschiedenen Implantatkonstruktionen unter definierten Simulationsbedingungen und erlauben keine direkten Aussagen zur klinischen Wirksamkeit.

Hinsichtlich der wissenschaftlichen Transparenz geben die Autoren an, dass mehrere Mitwirkende bei BTK Dental beschäftigt sind, einem Unternehmen, das patientenspezifische Implantatlösungen entwickelt. Diese institutionelle Zugehörigkeit wird in der Publikation offengelegt und sollte bei der Interpretation der Ergebnisse berücksichtigt werden. Aus den im Artikel verfügbaren Informationen geht jedoch nicht hervor, dass diese Zusammenarbeit die Durchführung oder Auswertung der Studie beeinflusst hat.

9. Kernaussagen der Studie

• Studientyp: Präklinische Finite-Elemente-Analyse (FEA).
• Evidenzniveau: Präklinische biomechanische Computersimulation.
• Untersuchungsmodell: Anatomisch realitätsnahe digitale Modelle eines stark atrophierten Ober- und Unterkiefers.
• Patientenzahl: Keine klinischen Patienten eingeschlossen.
• Implantatsystem: Mehrere patientenspezifische subperiostale Implantatdesigns (Versionen V0 bis V6 sowie entsprechende Varianten für den Unterkiefer).
• Nachbeobachtungszeit: Nicht anwendbar.
• Primärer Endpunkt: Analyse der Spannungsverteilung im Implantat und im angrenzenden kortikalen Knochen unter verschiedenen funktionellen Belastungsszenarien.
• Wichtigstes Ergebnis: Die Positionierung der Kortikalisschrauben und die Gestaltung der Implantatgeometrie beeinflussen die Kraftverteilung stärker als eine bloße Erhöhung der Anzahl der Fixationsschrauben. Die höchsten Spannungen traten bei einer einseitigen anterioren Belastung auf.
• Wissenschaftliche Schlussfolgerung: Die Finite-Elemente-Analyse stellt ein leistungsfähiges Instrument zur biomechanischen Optimierung patientenspezifischer subperiostaler Implantate dar und kann die digitale Implantatentwicklung gezielt unterstützen.
• Hauptlimitationen: Ausschließlich numerische Simulation ohne klinische Validierung; biologische Prozesse, Langzeitverhalten und klinische Behandlungsergebnisse wurden nicht untersucht.

10. Wissenschaftliche Bedeutung

Diese Arbeit erweitert das wissenschaftliche Verständnis der biomechanischen Eigenschaften patientenspezifischer subperiostaler Implantate bei ausgeprägter Kieferatrophie. Im Gegensatz zu klinischen Studien liegt der Schwerpunkt nicht auf dem Behandlungserfolg, sondern auf den mechanischen Grundlagen, die bereits während der digitalen Entwicklung eines Implantats berücksichtigt werden können.

Die Autoren zeigen, dass selbst gezielte konstruktive Änderungen einen deutlichen Einfluss auf die Spannungsverteilung innerhalb des Implantat-Knochen-Komplexes haben. Besonders hervorzuheben ist die Erkenntnis, dass die räumliche Anordnung der Kortikalisschrauben für eine günstige Lastübertragung wichtiger ist als deren bloße Anzahl. Diese Beobachtung liefert wertvolle Hinweise für die zukünftige Konstruktion patientenspezifischer Implantate.

Darüber hinaus verdeutlicht die Studie den wachsenden Stellenwert computergestützter Simulationen innerhalb digitaler implantologischer Behandlungskonzepte. Die Kombination aus dreidimensionaler Bildgebung, virtueller Implantatplanung, CAD/CAM-Technologie, additiver Fertigung und Finite-Elemente-Analyse ermöglicht eine zunehmend individualisierte Entwicklung komplexer Implantatlösungen.

Ein weiterer wissenschaftlich interessanter Aspekt besteht in der Beobachtung, dass Verbindungsstege zwischen den beiden Implantathälften nur einen geringen Beitrag zur mechanischen Stabilität leisten. Sollte dieses Ergebnis künftig durch klinische Untersuchungen bestätigt werden, könnten sich daraus neue Ansätze zur Vereinfachung bestimmter Implantatkonstruktionen ergeben.

Gleichzeitig macht die Studie deutlich, dass biomechanische Simulationen klinische Untersuchungen nicht ersetzen können. Ob die numerisch ermittelten Vorteile tatsächlich zu einer höheren Implantatüberlebensrate, einer besseren biologischen Integration oder einer langfristig verbesserten Patientenversorgung führen, muss durch prospektive klinische Studien überprüft werden.

11. Redaktionelles Fazit

Die vorliegende präklinische Untersuchung zeigt eindrucksvoll, welches Potenzial die Finite-Elemente-Analyse für die Entwicklung patientenspezifischer subperiostaler Implantate besitzt. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass eine gezielte Optimierung der Implantatgeometrie und insbesondere der Positionierung der Kortikalisschrauben zu einer ausgewogeneren Kraftverteilung innerhalb des Implantat-Knochen-Systems führen kann.

Obwohl aus den numerischen Simulationen keine unmittelbaren klinischen Empfehlungen abgeleitet werden können, liefern sie eine fundierte biomechanische Grundlage für die Weiterentwicklung individueller Implantatkonzepte. Die Studie unterstreicht zugleich die zunehmende Bedeutung digitaler Planungs- und Simulationsverfahren in der modernen Implantologie.

Um den tatsächlichen klinischen Nutzen dieser konstruktiven Optimierungen zu beurteilen, sind jedoch prospektive klinische Studien mit langfristiger Nachbeobachtung erforderlich. Erst solche Untersuchungen können zeigen, ob die in den Simulationen beobachteten biomechanischen Vorteile langfristig zu einer verbesserten Implantatstabilität, geringeren Komplikationsraten und einer höheren Behandlungsqualität für Patienten mit ausgeprägter Kieferatrophie führen.