Submodellierungsansatz zur Analyse der Schrauben-Knochen-Interaktion bei additiv gefertigten subperiostalen Implantatstrukturen

Gabriel Castrillo, Alberto Carnicero, Ricardo Perera

Full text link: http://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36541118/

Submodellierungsansatz zur Analyse der Schrauben-Knochen-Interaktion bei additiv gefertigten subperiostalen Implantatstrukturen

1. Wissenschaftliche Referenz

• Studientitel: Submodelling Approach to Screw-to-Bone Interaction in Additively Manufactured Subperiosteal Implant Structures
• Autoren: Gabriel Castrillo, Alberto Carnicero, Ricardo Perera
• Fachzeitschrift: Communications in Numerical Methods in Engineering
• Erscheinungsjahr: 2022
• DOI:1002/cnm.3672

2. Wissenschaftlicher Hintergrund

Die Versorgung von Patienten mit ausgeprägter Oberkieferatrophie gehört nach wie vor zu den anspruchsvollsten Herausforderungen der modernen Implantologie. Durch den Einsatz digitaler Planungsverfahren, CAD/CAM-Technologien und additiver Fertigung können heute patientenspezifische subperiostale Implantatstrukturen hergestellt werden, die eine individuelle Rehabilitation auch bei stark reduziertem Knochenangebot ermöglichen. Parallel zu diesen technologischen Fortschritten wächst der Bedarf an einer präzisen biomechanischen Bewertung solcher Implantatsysteme.

Bisher konzentrierten sich zahlreiche Untersuchungen vor allem auf die mechanische Belastbarkeit der Implantatstruktur selbst. Die Wechselwirkung zwischen den Fixationsschrauben und dem umgebenden Knochen wurde dagegen bislang deutlich seltener untersucht, obwohl sie maßgeblich zur Primärstabilität und zur Kraftübertragung beiträgt. Vor diesem Hintergrund entwickelt die vorliegende Studie einen numerischen Modellierungsansatz, der die Schrauben-Knochen-Interaktion mit höherer Genauigkeit analysieren soll, ohne den Rechenaufwand unverhältnismäßig zu erhöhen.

3. Ziel der Studie

Ziel dieser Studie war die Entwicklung und Bewertung einer auf der Finite-Elemente-Methode basierenden Modellierungsstrategie, mit der die mechanische Interaktion zwischen Fixationsschrauben und Oberkieferknochen bei additiv gefertigten subperiostalen Implantatstrukturen detaillierter untersucht werden kann. Besonderes Augenmerk lag darauf, den Einfluss einer realitätsnahen Abbildung der Schrauben-Knochen-Schnittstelle auf Verschiebungen, Reaktionskräfte und Spannungsverteilungen zu analysieren. Darüber hinaus wurde untersucht, wie sich eine vollständige Osseointegration auf das biomechanische Verhalten des Systems auswirkt.

4. Methodik

Es handelt sich um eine präklinische numerische Studie, die auf einer Finite-Elemente-Analyse (FEA) basiert. Die Autoren verwendeten einen Submodellierungsansatz, bei dem ein globales Modell der patientenspezifischen subperiostalen Implantatstruktur mit einem hochauflösenden lokalen Modell der Schrauben-Knochen-Schnittstelle kombiniert wurde. Dadurch konnte die Geometrie der Schraubengewinde detailliert berücksichtigt werden, ohne die Rechenzeit eines vollständig verfeinerten Gesamtmodells erheblich zu erhöhen.

Verglichen wurden verschiedene Simulationsmodelle, die entweder eine detaillierte Interaktion zwischen Schrauben und Knochen berücksichtigten oder auf vereinfachten Annahmen basierten. Zusätzlich wurde der Einfluss einer vollständigen Osseointegration untersucht. Bewertet wurden insbesondere Implantatverschiebungen, Reaktionskräfte sowie Spannungsverteilungen innerhalb der Implantatstruktur, des kortikalen Knochens und des trabekulären Knochens.

Die Anzahl der analysierten Modelle, die genauen Belastungsbedingungen sowie weitere numerische Parameter werden in den bereitgestellten Informationen nicht angegeben.

5. Zentrale Ergebnisse

Die Simulationen zeigen, dass die explizite Berücksichtigung der Schrauben-Knochen-Interaktion die biomechanischen Ergebnisse deutlich beeinflusst. Im Vergleich zu vereinfachten Modellen ergaben sich signifikante Unterschiede sowohl hinsichtlich der Verschiebungen der Implantatstruktur als auch der berechneten Reaktionskräfte.

Die höchsten Spannungen wurden im kortikalen Knochen festgestellt, wo sie Werte erreichten, die nach Angaben der Autoren nahe an dessen maximaler Festigkeit liegen. Der trabekuläre Knochen hatte dagegen innerhalb des untersuchten Modells nur einen geringen Einfluss auf das Gesamtverhalten der Konstruktion. Die innerhalb der Implantatstruktur berechneten Spannungen lagen unterhalb der in der Studie zugrunde gelegten Ermüdungsgrenze, was auf eine günstige mechanische Beanspruchung der Implantatstruktur unter den simulierten Bedingungen hinweist.

Darüber hinaus zeigte der Vergleich zwischen Modellen mit und ohne vollständige Osseointegration, dass sich die Spannungen an der Implantat-Knochen-Grenzfläche nach abgeschlossener Osseointegration verringern. Die Autoren konnten außerdem nachweisen, dass die ursprüngliche Geometrie des Schraubengewindes einen wesentlichen Einfluss auf die Spannungsverteilung im kortikalen Knochen besitzt. Dieses Ergebnis unterstreicht die Bedeutung einer realitätsnahen Abbildung des Gewindes bei biomechanischen Simulationen patientenspezifischer subperiostaler Implantate.

6. Klinische Analyse

Diese Studie liefert keine unmittelbaren klinischen Ergebnisse, sondern einen methodischen Beitrag zum besseren Verständnis der Biomechanik patientenspezifischer subperiostaler Implantate. Die Autoren zeigen, dass eine vereinfachte Darstellung der Schrauben-Knochen-Schnittstelle zu abweichenden Berechnungen von Verschiebungen und Spannungen führen kann. Dies verdeutlicht, wie entscheidend die Genauigkeit numerischer Modelle für die Bewertung des mechanischen Verhaltens individueller Implantatkonstruktionen sein kann.

Von besonderem Interesse ist die Beobachtung, dass der kortikale Knochen den größten Anteil an der Lastübertragung übernimmt. Die dort ermittelten Spannungen nähern sich den von den Autoren angegebenen Festigkeitsgrenzen an, was die Bedeutung einer sicheren kortikalen Verankerung bei der Planung patientenspezifischer subperiostaler Implantate unterstreicht. Im Gegensatz dazu hatte der trabekuläre Knochen innerhalb des untersuchten Simulationsmodells nur einen geringen Einfluss auf das mechanische Gesamtverhalten. Diese Beobachtung sollte jedoch ausschließlich im Rahmen der verwendeten Modellannahmen interpretiert werden und lässt sich nicht ohne Weiteres auf alle klinischen Situationen übertragen.

Darüber hinaus weist die Studie darauf hin, dass sich die Spannungen nach einer vollständigen Osseointegration verringern. Obwohl dieses Ergebnis ausschließlich auf numerischen Simulationen basiert, verdeutlicht es den potenziellen Einfluss biologischer Heilungsprozesse auf die mechanische Belastungsverteilung. Ein weiterer wesentlicher Aspekt ist die nachgewiesene Bedeutung der Gewindegeometrie der Fixationsschrauben. Bereits geringe Unterschiede in der ursprünglichen Gewindeform beeinflussen die Spannungsverteilung im kortikalen Knochen erheblich und sollten daher bei biomechanischen Analysen berücksichtigt werden. Aufgrund des ausschließlich numerischen Studiendesigns sind jedoch experimentelle und klinische Untersuchungen erforderlich, um die praktische Relevanz dieser Ergebnisse zu bestätigen.

7. Klinische Anwendungen

Die vorgestellte Modellierungsmethode kann insbesondere für die Entwicklung und Optimierung patientenspezifischer subperiostaler Implantate bei schwerer Oberkieferatrophie von Bedeutung sein. Eine realitätsnahe Abbildung der Schrauben-Knochen-Interaktion könnte dazu beitragen, biomechanische Analysen im Rahmen digitaler Planungsprozesse sowie CAD/CAM-gestützter Fertigungsabläufe zu verbessern.

Darüber hinaus bietet der Ansatz eine interessante Grundlage für zukünftige Forschungsarbeiten zur Optimierung von Implantatgeometrien, Fixationskonzepten und additiv gefertigten Implantatsystemen. Auf Basis der vorliegenden Daten lässt sich jedoch kein unmittelbarer klinischer Vorteil oder eine Änderung bestehender chirurgischer Protokolle ableiten. Vor einer möglichen klinischen Umsetzung sind weitere experimentelle Untersuchungen sowie prospektive klinische Studien erforderlich, um die Aussagekraft der numerischen Simulationen zu bestätigen.

8. Evidenzniveau, Limitationen und Transparenz

Bei dieser Arbeit handelt es sich um eine präklinische numerische Simulationsstudie auf Grundlage der Finite-Elemente-Methode. Das Evidenzniveau ist daher niedriger einzustufen als das klinischer oder prospektiver Studien. Die Ergebnisse liefern wertvolle biomechanische Erkenntnisse, erlauben jedoch keine direkten Aussagen zur klinischen Leistungsfähigkeit oder Langzeitprognose additiv gefertigter subperiostaler Implantate.

Eine wesentliche Stärke der Studie besteht in der Entwicklung eines Submodellierungsansatzes, der eine hochauflösende Analyse der Schrauben-Knochen-Schnittstelle ermöglicht und gleichzeitig den Rechenaufwand deutlich reduziert. Dadurch wird eine detailliertere Bewertung mechanischer Belastungen ermöglicht als bei vereinfachten numerischen Modellen.

Die bereitgestellten Informationen enthalten jedoch keine Angaben zu einer experimentellen Validierung des Modells oder zu einem Vergleich mit klinischen Daten. Ebenso werden Sensitivitätsanalysen oder weitere Validierungsverfahren nicht beschrieben. Wie bei allen Finite-Elemente-Analysen hängen die Ergebnisse von den zugrunde gelegten Materialeigenschaften, Randbedingungen und Modellannahmen ab. Angaben zu Interessenkonflikten oder zur Finanzierung der Studie sind in den verfügbaren Informationen nicht enthalten.

9. Kernaussagen der Studie

• Studientyp: Präklinische numerische Studie mittels Finite-Elemente-Analyse (FEA).
• Evidenzniveau: Präklinische Simulationsstudie.
• Studienpopulation: In den bereitgestellten Informationen nicht angegeben.
• Anzahl der Patienten oder Implantate: Nicht angegeben.
• Nachbeobachtungszeit: Nicht zutreffend bzw. nicht angegeben.
• Primärer Endpunkt: Untersuchung des Einflusses der Schrauben-Knochen-Interaktion auf Verschiebungen und Spannungsverteilungen bei additiv gefertigten subperiostalen Implantatstrukturen.
• Hauptergebnis: Die detaillierte Modellierung der Schrauben-Knochen-Schnittstelle beeinflusst Verschiebungen, Reaktionskräfte und Spannungsverteilungen erheblich; der kortikale Knochen weist die höchste mechanische Beanspruchung auf.
• Wissenschaftliche Schlussfolgerung: Der vorgestellte Submodellierungsansatz ermöglicht eine realistischere biomechanische Analyse der Implantat-Knochen-Schnittstelle und unterstreicht die Bedeutung einer präzisen Darstellung der Schraubengeometrie.
• Limitationen: Ausschließlich numerische Studie; keine klinische oder experimentelle Validierung im verfügbaren Abstract beschrieben; mehrere methodische Details werden nicht angegeben.

10. Wissenschaftliche Bedeutung

Diese Studie erweitert das biomechanische Verständnis patientenspezifischer subperiostaler Implantate, indem sie den Fokus auf die mechanischen Vorgänge an der Schnittstelle zwischen Fixationsschrauben und Knochen richtet. Während frühere Untersuchungen überwiegend die Stabilität der Implantatstruktur selbst analysierten, zeigt diese Arbeit, dass auch die detaillierte Modellierung des Schrauben-Knochen-Kontakts einen wesentlichen Einfluss auf die berechneten Belastungsverteilungen besitzt.

Der größte wissenschaftliche Beitrag liegt in der vorgestellten Methodik. Durch die Kombination eines globalen Implantatmodells mit lokal hochauflösenden Submodellen wird eine präzisere Analyse ermöglicht, ohne den Rechenaufwand unverhältnismäßig zu erhöhen. Dieser Ansatz könnte zukünftige Entwicklungen im Bereich der digitalen Implantatplanung und additiven Fertigung unterstützen.

Obwohl die Studie keine klinischen Empfehlungen ableitet, liefert sie eine belastbare Grundlage für weitere experimentelle und klinische Untersuchungen. Insbesondere die Bedeutung der Gewindegeometrie sowie der kortikalen Knochenbeanspruchung eröffnet neue Perspektiven für die Optimierung patientenspezifischer Implantatsysteme und ihrer biomechanischen Bewertung.

11. Redaktionelles Fazit

Diese präklinische Studie stellt einen innovativen numerischen Ansatz zur Untersuchung der Schrauben-Knochen-Interaktion bei additiv gefertigten subperiostalen Implantatstrukturen vor. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass eine realitätsnahe Modellierung der Implantat-Knochen-Schnittstelle die Vorhersage mechanischer Belastungen, insbesondere im kortikalen Knochen, wesentlich beeinflussen kann. Damit leistet die Arbeit einen wichtigen methodischen Beitrag zur Weiterentwicklung digital geplanter, patientenspezifischer Implantate. Aufgrund des rein numerischen Studiendesigns sollten die Ergebnisse jedoch mit Vorsicht interpretiert und durch experimentelle sowie klinische Studien bestätigt werden.