Biomechanisch effect van implantaatdikte en schroefdiameter op subperiostale CFR-PEEK-implantaten: een driedimensionale eindige-elementenanalyse

Eda Etik, Basak Keskin Yalcin

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

Biomechanisch effect van implantaatdikte en schroefdiameter op subperiostale CFR-PEEK-implantaten: een driedimensionale eindige-elementenanalyse

1. Wetenschappelijke referentie

• Titel van de studie: Biomechanical effect of implant thickness and screw diameter on CFR-PEEK subperiosteal implants: a three-dimensional finite element analysis
• Auteurs: Eda Etik, Basak Keskin Yalcin
• Wetenschappelijk tijdschrift: Scientific Reports
• Publicatiejaar: 2026
• DOI: 10.1038/s41598-026-49671-0

2. Wetenschappelijke achtergrond

De behandeling van patiënten met ernstige maxillaire atrofie blijft een van de grootste uitdagingen binnen de orale implantologie. Wanneer de beschikbare bothoeveelheid onvoldoende is voor de plaatsing van conventionele endossale implantaten, moeten alternatieve behandelstrategieën worden overwogen. Dankzij de vooruitgang op het gebied van driedimensionale beeldvorming, digitale behandelplanning en CAD/CAM-technologie is de belangstelling voor patiëntspecifieke subperiostale implantaten de afgelopen jaren opnieuw toegenomen. Deze ontwikkelingen maken een nauwkeurige anatomische pasvorm en een sterk gepersonaliseerde chirurgische planning mogelijk.

Naast digitale ontwerptechnieken speelt ook de keuze van het biomateriaal een cruciale rol in het biomechanische gedrag van het implantaatsysteem. Met koolstofvezels versterkt polyetheretherketon (CFR-PEEK) wordt beschouwd als een veelbelovend alternatief vanwege de hoge mechanische sterkte en de elasticiteitsmodulus die dichter bij die van botweefsel ligt dan die van traditionele metaallegeringen. Er is echter nog beperkte kennis beschikbaar over de invloed van ontwerpvariabelen, zoals de dikte van het implantaatframe en de diameter van de fixatieschroeven, op de verdeling van functionele belasting. Deze studie onderzoekt deze vraag aan de hand van een driedimensionale eindige-elementenanalyse.

3. Doel van de studie

Het doel van deze studie was het onderzoeken van de invloed van de dikte van het subperiostale implantaatframe en de diameter van de fixatieschroeven op het biomechanische gedrag van patiëntspecifieke implantaten vervaardigd uit 60% koolstofvezelversterkt CFR-PEEK.

Hiervoor werden verschillende implantaatconfiguraties met elkaar vergeleken om te bepalen hoe deze ontwerpvariabelen de spanningsverdeling, de totale vervorming van het systeem en de overdracht van functionele belasting tussen implantaat en kaakbot beïnvloeden.

4. Methodologie

Deze publicatie betreft een preklinische in-silico-studie uitgevoerd met behulp van een driedimensionale eindige-elementenanalyse (Finite Element Analysis – FEA). Het anatomische model werd opgebouwd op basis van computertomografische beelden van een patiënt met een ernstige maxillaire atrofie, geclassificeerd als Cawood en Howell klasse V. Op basis van deze driedimensionale reconstructie werd een volledig patiëntspecifiek subperiostaal implantaat ontworpen.

Er werden vier verschillende implantaatconfiguraties ontwikkeld door twee framediktes (1,0 mm en 1,5 mm) te combineren met twee diameters van de fixatieschroeven (1,5 mm en 2,0 mm). Het implantaatframe werd gemodelleerd in 60% koolstofvezelversterkt CFR-PEEK, terwijl voor de fixatieschroeven, abutments en de metalen prothetische structuur de materiaaleigenschappen van titanium werden gebruikt.

Om klinisch relevante functionele belasting na te bootsen, werden drie belastingsscenario’s gesimuleerd: een bilaterale verticale belasting in de posterieure regio, een unilaterale schuine belasting in hetzelfde gebied en een bilaterale verticale belasting van het anterieure segment. De onderzochte parameters omvatten de totale verplaatsing van het systeem, de maximale en minimale hoofdspanningen in het bot en de equivalente Von Mises-spanningen in het implantaat, de abutments en de metalen constructie. Omdat het om een computermodel ging, werd geen klinische follow-up uitgevoerd.

5. Belangrijkste resultaten

De numerieke simulaties toonden aan dat de geometrie van het implantaat een aanzienlijke invloed heeft op het biomechanische gedrag van het volledige implantaatsysteem. Een toename van de framedikte van 1,0 mm naar 1,5 mm leidde onder alle belastingsomstandigheden tot een duidelijke afname van de totale vervorming van het systeem, wat wijst op een hogere structurele stijfheid. Tegelijkertijd namen zowel de trek- als de drukspanningen in het omliggende bot af, met name ter hoogte van de posterieure alveolaire kam, waar tijdens de simulaties de hoogste functionele belastingen werden geregistreerd.

Een vergelijkbare ontwikkeling werd vastgesteld bij een vergroting van de diameter van de fixatieschroeven van 1,5 mm naar 2,0 mm. Schroeven met een grotere diameter zorgden voor een gelijkmatigere verdeling van de functionele belasting, waardoor de spanningsconcentraties in zowel het bot als het subperiostale implantaat afnamen. Deze biomechanische verbetering ging echter gepaard met een toename van de spanningen in de metalen prothetische constructie. Dit wijst erop dat de belasting niet verdwijnt, maar zich verplaatst naar de stijvere onderdelen van het systeem.

Van de drie onderzochte belastingsscenario’s veroorzaakte de posterieure belasting consequent de hoogste spanningswaarden. De anterieure verticale belasting resulteerde daarentegen in lagere spanningsniveaus en een andere lokalisatie van de mechanische belasting, voornamelijk rond de apertura piriformis en de aangrenzende neusbodem. De simulaties lieten bovendien zien dat 60% koolstofvezelversterkt CFR-PEEK dankzij zijn hoge elasticiteitsmodulus de spanningsoverdracht naar het bot vermindert, terwijl de mechanische belasting juist sterker wordt geconcentreerd in het implantaatlichaam en de metalen suprastructuur. Op basis van deze berekeningen concluderen de auteurs dat de onderzochte configuraties voldoen aan de fundamentele biomechanische eisen voor patiëntspecifieke subperiostale implantaten. Zij benadrukken echter dat deze conclusies uitsluitend zijn gebaseerd op eindige-elementensimulaties en nog experimenteel en klinisch moeten worden bevestigd.

6. Klinische analyse

Deze studie biedt waardevolle inzichten in de invloed van ontwerpkeuzes op de biomechanische prestaties van patiëntspecifieke subperiostale implantaten. De resultaten maken duidelijk dat niet alleen het gebruikte biomateriaal bepalend is voor het functioneren van het implantaatsysteem, maar ook de geometrische eigenschappen van het implantaat zelf. Relatief kleine wijzigingen in framedikte of schroefdiameter blijken de manier waarop kauwkrachten worden overgedragen naar het bot en de verschillende implantaatcomponenten merkbaar te beïnvloeden.

Een grotere framedikte verhoogde de structurele stijfheid van het implantaat en verminderde de vervorming onder functionele belasting. Vanuit biomechanisch oogpunt kan een kleinere vervorming bijdragen aan een gelijkmatigere krachtsoverdracht en een beperking van lokale spanningspieken in het peri-implantaire bot. Ook een grotere schroefdiameter bleek de belasting gunstiger over het bot te verdelen, waardoor de spanningen rond de fixatiepunten afnamen. Deze bevindingen mogen echter niet worden opgevat als bewijs voor een betere klinische prognose, aangezien processen zoals osseo-integratie, botremodellering en implantaatoverleving niet zijn onderzocht.

Een bijzonder interessant aspect van het onderzoek is het gedrag van 60% koolstofvezelversterkt CFR-PEEK. Volgens de simulaties draagt dit materiaal bij aan een lagere belasting van het omliggende bot, terwijl tegelijkertijd een hoge mechanische stabiliteit behouden blijft. Daar staat tegenover dat de spanningen zich sterker concentreren in het implantaat zelf en in de metalen suprastructuur. Dit onderstreept dat de ontwikkeling van patiëntspecifieke implantaten vraagt om een evenwichtige benadering waarbij materiaaleigenschappen en implantaatgeometrie gezamenlijk worden geoptimaliseerd, zodat de belasting niet onevenredig op één onderdeel terechtkomt.

De resultaten dienen met de nodige voorzichtigheid te worden geïnterpreteerd. Het eindige-elementenmodel is gebaseerd op de anatomie van één enkele patiënt en gaat uit van homogene, isotrope en lineair elastische materiaaleigenschappen. Belangrijke biologische factoren, zoals botremodellering, individuele verschillen in botkwaliteit, osseo-integratie en de invloed van langdurige cyclische belasting, zijn niet in het model opgenomen. Daarom vormt deze studie een waardevolle biomechanische basis voor verder experimenteel en klinisch onderzoek, maar biedt zij geen directe klinische aanbevelingen.

7. Klinische toepassingen

De bevindingen van deze studie kunnen vooral van belang zijn bij het ontwerpen van patiëntspecifieke subperiostale implantaten voor patiënten met ernstige maxillaire atrofie, bij wie conventionele implantaten of uitgebreide botaugmentatieprocedures niet of slechts beperkt toepasbaar zijn.

Binnen een volledig digitale workflow, gebaseerd op computertomografie, CAD/CAM-ontwerp en gepersonaliseerde productie, blijken de framedikte van het implantaat en de diameter van de fixatieschroeven belangrijke ontwerpvariabelen te zijn die het biomechanische gedrag van het systeem beïnvloeden. De resultaten van deze studie kunnen daarom bijdragen aan de optimalisatie van patiëntspecifieke implantaatontwerpen met als doel een evenwichtigere verdeling van de functionele belasting.

De auteurs doen echter geen aanbeveling voor een specifiek chirurgisch protocol en wijzen ook geen optimale implantaatconfiguratie aan voor de dagelijkse klinische praktijk. De bevindingen moeten worden beschouwd als preklinisch biomechanisch bewijs dat verdere bevestiging vereist door middel van experimenteel onderzoek en prospectieve klinische studies voordat toepassing in de routinezorg kan worden overwogen.

8. Bewijsniveau, beperkingen en transparantie

Deze publicatie betreft een preklinische in-silico-studie op basis van een driedimensionale eindige-elementenanalyse (Finite Element Analysis – FEA). Hoewel deze methode veel wordt toegepast om het biomechanische gedrag van implantaatsystemen onder gecontroleerde omstandigheden te onderzoeken, blijft het bewijsniveau preklinisch. De resultaten kunnen daarom niet rechtstreeks worden vertaald naar klinische prestaties, implantaatoverleving of patiëntgerelateerde behandeluitkomsten.

Methodologisch beschikt de studie over verschillende sterke punten. Het driedimensionale model werd opgebouwd uit computertomografische beelden van een patiënt met ernstige maxillaire atrofie. Vier verschillende implantaatconfiguraties werden onder drie klinisch relevante belastingsscenario’s met elkaar vergeleken. Daarnaast voerden de auteurs een mesh-convergentieanalyse uit om de numerieke nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van de simulaties te waarborgen.

Bij de interpretatie van de resultaten moeten echter meerdere beperkingen in aanmerking worden genomen. Alle berekeningen zijn gebaseerd op de anatomie van één enkele patiënt, waardoor de generaliseerbaarheid beperkt is. Bovendien werden zowel het bot als de gebruikte materialen gemodelleerd als homogeen, isotroop en lineair elastisch, wat een vereenvoudiging vormt van de werkelijke biologische situatie. Processen zoals botremodellering, osseo-integratie, individuele variaties in botkwaliteit en de invloed van langdurige functionele belasting werden niet in het model opgenomen. De auteurs benadrukken daarom dat hun bevindingen uitsluitend betrekking hebben op biomechanische simulaties en niet mogen worden beschouwd als bewijs voor klinische superioriteit van een bepaalde implantaatconfiguratie.

Wat de wetenschappelijke transparantie betreft, vermelden de auteurs de goedkeuring door de bevoegde ethische commissies en de schriftelijke geïnformeerde toestemming van de patiënt voor het gebruik van de CT-gegevens. In de beschikbare informatie worden geen belangenconflicten of financiële banden met fabrikanten van implantaatsystemen gemeld.

9. Kernpunten van de studie

• Studietype: Preklinische in-silico-studie met behulp van een driedimensionale eindige-elementenanalyse (FEA).
• Bewijsniveau: Preklinische computationele modelstudie.
• Onderzochte populatie: Patiëntspecifiek anatomisch model van een patiënt met ernstige maxillaire atrofie (Cawood en Howell klasse V).
• Aantal patiënten: 1.
• Onderzochte implantaatconfiguraties: Vier virtuele modellen met twee framediktes (1,0 mm en 1,5 mm) en twee diameters van de fixatieschroeven (1,5 mm en 2,0 mm).
• Follow-up: Niet van toepassing.
• Primair eindpunt: Invloed van framedikte en schroefdiameter op de spanningsverdeling en de totale vervorming van het implantaatsysteem.
• Belangrijkste resultaat: Een grotere framedikte en een grotere schroefdiameter verminderden de belasting van het omliggende bot en verhoogden de mechanische stabiliteit, terwijl de spanningen binnen het implantaat en de metalen suprastructuur toenamen.
• Wetenschappelijke conclusie: De implantaatgeometrie, de diameter van de fixatieschroeven en de stijfheid van CFR-PEEK hebben een aanzienlijke invloed op het biomechanische gedrag van patiëntspecifieke subperiostale implantaten.
• Belangrijkste beperkingen: Model gebaseerd op één patiënt, vereenvoudigde materiaaleigenschappen en het ontbreken van experimentele en klinische validatie.

10. Wetenschappelijke betekenis

Deze studie levert een waardevolle bijdrage aan de wetenschappelijke literatuur over patiëntspecifieke subperiostale implantaten door gelijktijdig twee ontwerpvariabelen te onderzoeken die tot nu toe slechts beperkt gezamenlijk zijn geëvalueerd: de dikte van het implantaatframe en de diameter van de fixatieschroeven. De resultaten tonen aan dat de biomechanische prestaties van een implantaat niet uitsluitend afhangen van het gebruikte biomateriaal, maar ook in belangrijke mate worden bepaald door de geometrische configuratie van het ontwerp.

Daarnaast levert het onderzoek nieuwe gegevens op over het potentieel van 60% koolstofvezelversterkt CFR-PEEK als constructiemateriaal voor gepersonaliseerde subperiostale implantaten. De simulaties suggereren dat dit materiaal de spanningsbelasting van het peri-implantaire bot kan verminderen en tegelijkertijd voldoende structurele stabiliteit behoudt. Tegelijkertijd laat de studie zien dat een optimale biomechanische prestatie alleen kan worden bereikt wanneer materiaaleigenschappen en implantaatgeometrie als één geïntegreerd ontwerpsysteem worden beschouwd.

Hoewel de studie geen klinische werkzaamheid aantoont, biedt zij kwantitatieve biomechanische gegevens die waardevol kunnen zijn voor de verdere ontwikkeling van digitaal ontworpen patiëntspecifieke implantaten. Bovendien vormt zij een solide wetenschappelijke basis voor toekomstige laboratoriumonderzoeken en prospectieve klinische studies die moeten vaststellen of de in de simulaties waargenomen voordelen zich ook vertalen naar betere langetermijnresultaten bij patiënten.

11. Redactionele conclusie

Deze preklinische studie, uitgevoerd met behulp van een driedimensionale eindige-elementenanalyse, laat zien dat zowel de dikte van het implantaatframe als de diameter van de fixatieschroeven bepalende factoren zijn voor het biomechanische gedrag van patiëntspecifieke CFR-PEEK-subperiostale implantaten. De simulaties wijzen erop dat een dikker frame en grotere schroeven de mechanische stabiliteit verbeteren en de belasting van het omliggende bot verminderen, terwijl de mechanische spanningen zich sterker concentreren in het implantaat zelf en de metalen suprastructuur. Deze bevindingen vormen een belangrijke bijdrage aan de biomechanische optimalisatie van digitaal ontworpen, patiëntspecifieke implantaten. Vanwege het computationele karakter van de studie dienen de resultaten echter voorzichtig te worden geïnterpreteerd en eerst door experimenteel en klinisch onderzoek te worden bevestigd voordat zij in de dagelijkse implantologische praktijk kunnen worden toegepast.