Verbetering van het ontwerp van een additief vervaardigde subperiostale implantaatstructuur door middel van topologie-optimalisatie op basis van eindige-elementenanalyse

Alberto Carnicero, Andrés Peláez, Andrés Restoy-Lozano, Isaías Jacquott, Ricardo Perera

Full text link: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34321582/

Verbetering van het ontwerp van een additief vervaardigde subperiostale implantaatstructuur door middel van topologie-optimalisatie op basis van eindige-elementenanalyse

1. Wetenschappelijke referentie

• Titel van de studie: Verbetering van het ontwerp van een additief vervaardigde subperiostale implantaatstructuur door middel van topologie-optimalisatie op basis van eindige-elementenanalyse
• Auteurs: Alberto Carnicero, Andrés Peláez, Andrés Restoy-Lozano, Isaías Jacquott, Ricardo Perera
• Wetenschappelijk tijdschrift: Scientific Reports
• Publicatiejaar: 2021
• DOI: 10.1038/s41598-021-94980-1

2. Wetenschappelijke achtergrond

De behandeling van patiënten met ernstige maxillaire atrofie blijft een van de meest complexe uitdagingen binnen de orale implantologie en de kaakchirurgie. Bij patiënten met volledig tandverlies kan de voortschrijdende resorptie van het alveolaire bot ertoe leiden dat conventionele tandimplantaten niet langer kunnen worden geplaatst zonder aanvullende reconstructieve ingrepen.

Traditionele behandelingen, zoals bottransplantaties, kunnen effectieve resultaten opleveren, maar gaan vaak gepaard met langere behandeltrajecten, extra chirurgische belasting en een verhoogde morbiditeit. De recente ontwikkelingen op het gebied van digitale planning, CAD/CAM-technologieën en metaalgebaseerde 3D-printing hebben geleid tot een hernieuwde belangstelling voor patiëntspecifieke subperiostale implantaten.

Deze implantaten worden ontworpen op basis van de individuele anatomie van de patiënt en kunnen een alternatief vormen voor uitgebreide botopbouwprocedures. In dit kader is het optimaliseren van het implantaatontwerp essentieel om een goede biomechanische prestatie te combineren met een minder invasieve chirurgische aanpak.

3. Doel van de studie

Het doel van deze studie was het ontwikkelen en evalueren van een geoptimaliseerd ontwerp voor een additief vervaardigd subperiostaal implantaat voor patiënten met ernstige maxillaire atrofie.

De onderzoekers wilden het materiaalverbruik verminderen, het aantal benodigde fixatieschroeven terugbrengen, de chirurgische procedure vereenvoudigen en de productiekosten verlagen, zonder de mechanische prestaties van het implantaat in gevaar te brengen.

4. Methodologie

Deze publicatie betreft een preklinische biomechanische studie gebaseerd op eindige-elementenanalyse (Finite Element Analysis, FEA) en topologie-optimalisatie.

Als uitgangspunt werd een reeds bestaand patiëntspecifiek subperiostaal implantaat gebruikt. Op basis van computertomografiebeelden werd een driedimensionaal model opgebouwd dat vervolgens werd onderworpen aan numerieke simulaties.

Het onderzochte materiaal was een Ti6Al4V-titaniumlegering, gekozen vanwege de biocompatibiliteit en de gunstige mechanische eigenschappen. Voor de optimalisatie werd gebruikgemaakt van een tweefasig proces volgens de SIMP-methode (Solid Isotropic Material with Penalization).

Vijf verschillende belastingsscenario’s werden geanalyseerd. Deze omvatten normale kauwkrachten, verhoogde kritische belasting en situaties waarin een deel van de fixatie verloren ging. De evaluatie was gebaseerd op Von Mises-spanningen, vermoeiingsweerstand en de algemene structurele integriteit van het implantaat.

Er werden geen klinische uitkomsten of patiëntopvolgingen gerapporteerd; de studie bleef beperkt tot computermodellering.

5. Belangrijkste resultaten

De analyse van het oorspronkelijke implantaatontwerp bracht verschillende zones aan het licht waar materiaal kon worden verwijderd zonder een significante invloed op de mechanische stabiliteit.

Na de eerste optimalisatiefase werd een volumevermindering van 18,56% gerealiseerd ten opzichte van het oorspronkelijke model. Een tweede optimalisatiefase zorgde voor een bijkomende reductie van 11,21%.

In totaal resulteerde dit in een volumevermindering van 27,68% ten opzichte van de oorspronkelijke geometrie.

Naast de vermindering van het materiaalgebruik maakte het nieuwe ontwerp het mogelijk om twee bovenste fixatieschroeven te elimineren die in het oorspronkelijke model noodzakelijk waren. Ondanks deze vereenvoudiging bleef de mechanische weerstand binnen de vooraf vastgestelde grenzen.

Onder standaard kauwbelasting bedroeg de maximale Von Mises-spanning in het uiteindelijke ontwerp 199,51 MPa, net onder de vastgelegde vermoeiingsgrens van 200 MPa. Ook onder kritische belasting en in simulaties met gedeeltelijk verlies van fixatie werden geen structurele defecten vastgesteld die de integriteit van het implantaat in gevaar brachten.

6. Klinische analyse

Deze studie laat zien hoe geavanceerde digitale ontwerpmethoden kunnen bijdragen aan de ontwikkeling van gepersonaliseerde implantaatoplossingen voor patiënten met ernstige botatrofie van de bovenkaak. De nadruk ligt niet op klinische resultaten, maar op de optimalisatie van de biomechanische eigenschappen van een implantaatstructuur.

De resultaten suggereren dat topologie-optimalisatie een aanzienlijke vermindering van het titaniumvolume mogelijk maakt zonder dat de berekende mechanische prestaties verloren gaan. Vanuit chirurgisch oogpunt zou een compacter implantaat met minder fixatiepunten kunnen leiden tot een minder complexe plaatsingsprocedure en een beperktere chirurgische belasting van het omliggende weefsel.

Toch moeten deze bevindingen voorzichtig worden geïnterpreteerd. De studie is volledig gebaseerd op numerieke simulaties en biedt geen gegevens over implantaatoverleving, osseointegratie, biologische complicaties, prothetische prestaties of patiënttevredenheid.

De belangrijkste bijdrage van deze publicatie ligt daarom in de validatie van een ontwerpstrategie die gebruikmaakt van digitale engineering om patiëntspecifieke subperiostale implantaten efficiënter te maken. Verdere klinische onderzoeken zijn noodzakelijk om te bepalen of de biomechanische voordelen zich ook vertalen naar betere behandelresultaten.

7. Klinische toepassingen

De resultaten van deze studie kunnen relevant zijn voor:

• De implantologische rehabilitatie van volledig tandeloze patiënten met ernstige maxillaire atrofie.
• Situaties waarin uitgebreide botaugmentatie of bottransplantaties moeilijk uitvoerbaar zijn.
• De ontwikkeling van patiëntspecifieke subperiostale implantaten.
• Digitale behandelplanning binnen de implantologie.
• CAD/CAM-gebaseerde productieprocessen.
• Additieve vervaardiging van titanium implantaatstructuren.
• Complexe maxillofaciale reconstructies waarbij maatwerkoplossingen vereist zijn.

Aangezien de resultaten uitsluitend gebaseerd zijn op simulaties, is verdere klinische validatie noodzakelijk voordat deze bevindingen rechtstreeks in de dagelijkse praktijk kunnen worden toegepast.

8. Evidentieniveau, beperkingen en transparantie

Deze publicatie betreft een preklinische biomechanische simulatiestudie. Het klinische evidentieniveau moet daarom als beperkt worden beschouwd.

De conclusies zijn gebaseerd op computermodellen waarin aannames zijn gedaan over kauwkrachten, fixatiecondities en materiaaleigenschappen. Er werden geen klinische onderzoeken, prospectieve patiëntgegevens of vergelijkingen met alternatieve behandelingen uitgevoerd.

De auteurs geven bovendien aan dat de voorgestelde ontwerpprincipes moeten worden aangepast aan de individuele anatomische kenmerken van iedere patiënt en dat aanvullende optimalisaties mogelijk zijn.

Wat transparantie betreft, verklaren de auteurs geen belangenconflicten te hebben.

De belangrijkste beperking van het onderzoek is het ontbreken van klinische validatie van de gesimuleerde resultaten.

9. Kernpunten van de studie

• Type studie: Preklinische studie gebaseerd op eindige-elementenanalyse en topologie-optimalisatie.
• Evidentieniveau: Laag tot matig vanuit klinisch perspectief.
• Populatie of aantal geanalyseerde studies: Niet gespecificeerd in de beschikbare gegevens.
• Aantal patiënten of implantaten: Patiëntspecifiek implantaatmodel gebaseerd op een reële casus; exact aantal niet vermeld.
• Follow-upduur: Niet gespecificeerd in de beschikbare gegevens.
• Primaire uitkomstmaat: Mechanische prestaties en vermoeiingsweerstand van een geoptimaliseerd subperiostaal implantaat.
• Belangrijkste resultaat: Totale volumevermindering van 27,68% met behoud van de vereiste biomechanische eigenschappen.
• Wetenschappelijke conclusie: Topologie-optimalisatie gecombineerd met additieve productie maakt een efficiënter ontwerp van patiëntspecifieke subperiostale implantaten mogelijk.
• Belangrijkste beperkingen: Simulatieonderzoek zonder klinische validatie.

10. Wetenschappelijke impact

Deze studie levert een bijdrage aan de verdere ontwikkeling van digitale implantologie en gepersonaliseerde implantaatoplossingen voor patiënten met ernstige maxillaire botatrofie. Het onderzoek toont aan dat de combinatie van eindige-elementenanalyse, topologie-optimalisatie en additieve productie kan worden ingezet om implantaatontwerpen systematisch te verbeteren.

De aanzienlijke reductie van het implantaatvolume zonder verlies van berekende mechanische prestaties onderstreept het potentieel van digitale engineering binnen de moderne orale rehabilitatie. Daarnaast biedt de studie een methodologisch kader dat in toekomstige onderzoeken kan worden toegepast voor de ontwikkeling van op maat gemaakte implantaten.

Hoewel klinische gegevens ontbreken, ondersteunt dit werk de groeiende rol van geavanceerde digitale technologieën in de behandeling van complexe reconstructieve en implantologische indicaties.

11. Redactionele conclusie

Deze studie toont aan dat topologie-optimalisatie op basis van eindige-elementenanalyse een veelbelovende methode is voor het verbeteren van het ontwerp van additief vervaardigde subperiostale implantaten. Door het materiaalvolume en het aantal benodigde fixaties te verminderen, werd een efficiëntere implantaatstructuur ontwikkeld zonder verlies van de vooraf gedefinieerde mechanische prestaties. Hoewel de resultaten uitsluitend afkomstig zijn uit preklinische simulaties, vormt dit onderzoek een belangrijke stap in de verdere ontwikkeling van gepersonaliseerde implantologische oplossingen voor patiënten met ernstige maxillaire atrofie.