Bibliografie
Mechanische Bewertung eines patientenspezifischen additiv gefertigten subperiostalen Kieferimplantats (AMSJI) mittels Finite-Elemente-Analyse
Full text link: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34059405/
Mechanische Bewertung eines patientenspezifischen additiv gefertigten subperiostalen Kieferimplantats (AMSJI) mittels Finite-Elemente-Analyse
1. Wissenschaftliche Referenz
- Studientitel: Mechanische Bewertung eines patientenspezifischen additiv gefertigten subperiostalen Kieferimplantats (AMSJI) mittels Finite-Elemente-Analyse
- Autoren: E. De Moor, S. E. F. Huys, G. H. van Lenthe, M. Y. Mommaerts, J. Vander Sloten
- Fachzeitschrift: International Journal of Oral and Maxillofacial Surgery
- Erscheinungsjahr: 2022
- DOI: 10.1016/j.ijom.2021.05.011
2. Wissenschaftlicher Hintergrund
Die Versorgung vollständig zahnloser Patienten mit ausgeprägter Oberkieferatrophie gehört zu den anspruchsvollsten Herausforderungen der modernen Implantologie und Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie. Mit fortschreitendem Knochenabbau werden konventionelle enossale Implantate häufig schwierig oder nur nach umfangreichen augmentativen Maßnahmen einsetzbar.
Für diese klinischen Situationen wurden verschiedene Behandlungskonzepte entwickelt, darunter Knochenaugmentationen, All-on-4-Protokolle sowie Jochbeinimplantate. Trotz ihrer etablierten Rolle können diese Verfahren mit erhöhtem chirurgischem Aufwand, anatomischen Einschränkungen oder spezifischen Komplikationen verbunden sein.
Vor diesem Hintergrund gewinnen patientenspezifische subperiostale Implantate, die mittels additiver Fertigungstechnologien hergestellt werden, erneut an Bedeutung. Das Additively Manufactured Subperiosteal Jaw Implant (AMSJI) wurde speziell für Patienten mit einer schweren maxillären Atrophie der Klassen V bis VIII nach Cawood und Howell entwickelt. Bevor ein solches Konzept breit klinisch eingesetzt werden kann, ist eine fundierte biomechanische Bewertung erforderlich, um die strukturelle Sicherheit und die langfristige Belastbarkeit des Implantats zu untersuchen.
3. Ziel der Studie
Ziel dieser Studie war die biomechanische Analyse eines patientenspezifischen AMSJI im atrophierten Oberkiefer mithilfe der Finite-Elemente-Methode.
Die Autoren wollten untersuchen, wie sich das Implantat unter physiologischen und pathologischen Belastungen verhält, welche Bereiche besonders hohen mechanischen Spannungen ausgesetzt sind, ob ein Risiko für Materialermüdung besteht und welchen Beitrag die porösen Gerüststrukturen zur biologischen Stabilisierung des Implantats leisten können.
4. Methodik
Bei der vorliegenden Arbeit handelt es sich um eine präklinische numerische Simulationsstudie auf Basis der Finite-Elemente-Analyse (FEA).
Aus Computertomographie-Daten wurden dreidimensionale Modelle des Oberkiefers sowie des AMSJI erstellt. Untersucht wurden zwei unterschiedliche anatomische Situationen: eine Atrophie der Klasse V sowie eine weiter fortgeschrittene Atrophie der Klasse VIII nach Cawood und Howell.
Das Implantat wurde aus der Titanlegierung Ti6Al4V Grade 23 ELI modelliert. Zur Simulation verschiedener klinischer Belastungssituationen wurden mehrere Belastungsmodelle definiert:
- Durchschnittliche Okklusionskraft: 200 N
- Maximale Okklusionskraft: 1000 N
- Beidseitiges Pressen der Zähne (Clenching): 1000 N
- Einseitiges Knirschen (Grinding/Bruxismus): 500 N
Analysiert wurden die von-Mises-Spannungen innerhalb des Implantats, die Dehnungen im Knochengewebe sowie die Relativbewegungen zwischen Knochen und porösen Implantatstrukturen.
Die Anzahl der Patienten wird in den vorliegenden Daten nicht angegeben, da die Untersuchung auf digitalen Modellen basiert und keine klinische Patientenserie darstellt.
5. Hauptergebnisse
Die Simulationen zeigten eine günstige mechanische Performance des AMSJI unter einer durchschnittlichen Okklusionsbelastung von 200 N. Unter diesen Bedingungen blieben die Spannungen unterhalb der für den geplanten Implantationszeitraum von 15 Jahren definierten Ermüdungsgrenze.
Unabhängig vom Belastungsszenario wurden die höchsten Spannungen stets in den Implantatarmen festgestellt, welche den basalen Rahmen mit den prothetischen Pfosten verbinden. Diese Bereiche erwiesen sich als die mechanisch am stärksten beanspruchten Strukturen des Systems.
Bei einer maximalen Okklusionskraft von 1000 N stiegen die Spannungen deutlich an und näherten sich in einzelnen Regionen der Streckgrenze des verwendeten Titans an. Auch Bruxismus-Simulationen führten zu erheblich höheren Belastungen als die normale Kaufunktion.
Im Modell mit stärkerer Knochenatrophie (Klasse VIII) wurden höhere Spannungen innerhalb des Implantats festgestellt als im Modell der Klasse V. Dies deutet darauf hin, dass ein weiterer Knochenabbau die langfristige Belastbarkeit des Implantats negativ beeinflussen könnte.
Zusätzlich ergaben die Analysen, dass die Relativbewegungen zwischen Knochen und Gerüststrukturen unterhalb der Schwellenwerte lagen, die eine Knochenneubildung beeinträchtigen würden. Dies spricht für günstige Voraussetzungen einer Osseointegration und sekundären biologischen Stabilisierung.
6. Klinische Analyse
Die Studie liefert wertvolle biomechanische Erkenntnisse zur Anwendung patientenspezifischer subperiostaler Implantate bei stark atrophierten Oberkiefern. Dabei steht nicht die klinische Erfolgsrate im Vordergrund, sondern die mechanische Machbarkeit des Implantatkonzepts.
Von besonderem Interesse ist die Beobachtung, dass normale funktionelle Kaubelastungen offenbar keine kritischen Spannungen erzeugen. Dies unterstützt den Einsatz solcher Implantate bei Patienten, für die konventionelle implantologische Lösungen aufgrund ausgeprägter Knochenresorption nur eingeschränkt geeignet sind.
Gleichzeitig zeigt die Untersuchung, dass die langfristige Stabilität wesentlich von der Erhaltung des vorhandenen Restknochens abhängt. Die höheren Spannungen im Modell der Klasse VIII legen nahe, dass eine fortschreitende Resorption das Risiko von Ermüdungserscheinungen erhöhen kann.
Ein weiterer klinisch relevanter Aspekt betrifft Patienten mit Bruxismus. Die Simulationen deuten darauf hin, dass wiederholtes Pressen oder Knirschen deutlich höhere mechanische Belastungen verursacht und die Lebensdauer der Implantatkonstruktion potenziell beeinträchtigen könnte.
Aus konstruktiver Sicht identifiziert die Studie die Implantatarme als kritische Schwachstelle. Diese Erkenntnis kann zukünftige CAD/CAM-Optimierungen unterstützen und zur Entwicklung widerstandsfähigerer Implantatdesigns beitragen.
Darüber hinaus sprechen die Ergebnisse der porösen Gerüststrukturen für einen möglichen biologischen Zusatznutzen durch Knochenanwachsung und verbesserte sekundäre Stabilisierung.
7. Klinische Anwendungen
Die Ergebnisse dieser Untersuchung könnten insbesondere für folgende klinische Situationen relevant sein:
- Versorgung vollständig zahnloser Patienten mit schwerer Oberkieferatrophie.
- Fälle der Klassen V bis VIII nach Cawood und Howell.
- Situationen, in denen Knochenaufbauten vermieden werden sollen oder nur eingeschränkt möglich sind.
- Digitale implantologische Behandlungsabläufe mit patientenspezifischer Planung.
- CAD/CAM-basierte Implantatfertigung.
- Komplexe orale und maxillofaziale Rekonstruktionen mit individueller anatomischer Anpassung.
Die vorliegenden Daten deuten auf ein interessantes Potenzial dieser Technologie hin, ersetzen jedoch keine klinische Langzeitbewertung.
8. Evidenzniveau, Limitationen und Transparenz
Bei dieser Arbeit handelt es sich um eine präklinische Finite-Elemente-Analyse, die biomechanische Erkenntnisse liefert, jedoch keine direkten Aussagen zur klinischen Wirksamkeit ermöglicht.
Die Ergebnisse basieren auf computergestützten Simulationen und hängen von Annahmen bezüglich Materialeigenschaften, Belastungsmustern, Herstellungsparametern und biologischen Prozessen ab. Die tatsächlichen klinischen Bedingungen können von den Modellannahmen abweichen.
Die Autoren legen potenzielle Interessenkonflikte offen. Maurice Mommaerts war als Innovation Manager und Statutory Manager bei CADskills tätig. Stijn Huys war innerhalb desselben Unternehmens für Forschung und Entwicklung sowie Qualitätsmanagement verantwortlich.
Klinische Verlaufsdaten, Implantatüberlebensraten, Komplikationsraten oder patientenbezogene Endpunkte wurden in dieser Untersuchung nicht erhoben.
9. Kernaussagen der Studie
- Studientyp: Präklinische Finite-Elemente-Analyse (FEA)
- Evidenzniveau: Niedrig bis moderat (computergestützte biomechanische Untersuchung)
- Untersuchungsgrundlage: Digitale anatomische Modelle
- Anzahl Patienten oder Implantate: In den vorliegenden Daten nicht angegeben
- Betrachteter Zeitraum: Simulation für einen geplanten Implantationszeitraum von 15 Jahren
- Primärer Bewertungsparameter: Mechanisches Verhalten des AMSJI unter funktioneller Belastung
- Hauptergebnis: Günstige mechanische Eigenschaften unter durchschnittlicher Okklusionsbelastung
- Wissenschaftliche Schlussfolgerung: Das AMSJI erscheint unter normalen funktionellen Belastungen mechanisch sicher für Patienten mit schwerer maxillärer Atrophie
- Wesentliche Limitationen: Simulationsbasierte Methodik ohne klinische Validierung
10. Wissenschaftliche Bedeutung
Die Studie erweitert die wissenschaftliche Evidenz zu patientenspezifischen, additiv gefertigten Implantatsystemen für die Behandlung schwerer Kieferatrophien.
Besonders wertvoll ist die detaillierte Analyse von Spannungsverteilungen, Materialermüdung und Stabilitätsmechanismen unter verschiedenen funktionellen Belastungssituationen. Die Identifikation der Implantatarme als besonders belastete Strukturen liefert konkrete Ansatzpunkte für zukünftige Designverbesserungen.
Darüber hinaus unterstützt die Arbeit das Konzept, poröse Strukturen in patientenspezifische Implantate zu integrieren, um neben der mechanischen Verankerung auch eine biologische Stabilisierung durch Knochenanwachsung zu fördern.
Obwohl klinische Langzeitdaten weiterhin erforderlich sind, schafft diese Untersuchung eine wichtige biomechanische Grundlage für die Weiterentwicklung personalisierter Implantatlösungen im Bereich der komplexen implantologischen Rehabilitation.
11. Redaktionelle Schlussfolgerung
Diese Finite-Elemente-Studie legt nahe, dass das AMSJI-Konzept bei Patienten mit ausgeprägter Oberkieferatrophie unter normalen funktionellen Belastungen eine ausreichende mechanische Stabilität bieten kann. Gleichzeitig verdeutlichen die Ergebnisse den Einfluss von Bruxismus und fortschreitender Knochenresorption auf die langfristige Belastbarkeit des Implantats. Die Arbeit liefert damit wichtige biomechanische Erkenntnisse für die Weiterentwicklung patientenspezifischer subperiostaler Implantate und unterstreicht die Notwendigkeit weiterer klinischer Untersuchungen zur Bestätigung der simulierten Ergebnisse.
