Numerische Untersuchungen zum biomechanischen Verhalten verschiedener orthodontischer Ankerimplantate

Abstract

Qualität und Quantität des Alveolarknochens gelten als bedeutende Einflussfaktoren auf die Verankerungseffizienz orthodontischer Mini-Implantate. Ziel dieser Untersuchung war es, die Auswirkung unterschiedlicher Materialparameter im Hinblick auf verschiedene Implantattypen und -größen sowie Belastungsrichtungen mithilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) zu ermitteln.<br /> Hierfür wurden FE-Modelle 16 verschiedener Mini-Implantate von sechs verschiedenen Herstellern erstellt: Åarhus Mini Implant (American Orthodontics), AbsoAnchor^® Micro Implant (Dentos), Dual-Top^™ (Jeil Medical Corporation), LOMAS (Mondeal Medical Systems GmbH), IMTEC Mini Ortho Implant (IMTEC Corporation), <i>tomas</i>^® (Dentaurum J. P. Winkelstroeter KG). Diese wurden in ein idealisiertes Kieferknochensegment mithilfe des FE-Programmsystems MSC.Marc/Mentat 2007r1 integriert. Die Längen des intraossären Schraubenanteils der Mini-Implantate variierten zwischen 7,0 mm und 10 mm, der Durchmesser zwischen 1,2 mm und 2,0 mm. Es wurden Kortikalisdicken von 1 mm und 2 mm simuliert, die laut Literaturangaben den durchschnittlichen Kortikalisdicken im Insertionsgebiet entsprechen. Der Spongiosa-E-Modul wurde zwischen 100 MPa und 1 GPa, die Belastungsrichtung zwischen 0° bis 45° nach bukkal bei einer Belastung von 5 N variiert. Der Kortikalis wurden in einer Versuchsreihe orthotrope anstelle von isotropen Eigenschaften zugewiesen. Es wurden jeweils die Auslenkung des Implantatkopfes sowie die Verteilung von Spannungen und Verzerrungen in der Kortikalis und der Spongiosa ermittelt. <br /> Bei einem Großteil der Mini-Implantate lag die Auslenkung zwischen 4 μm und 14 μm, abhängig von Kortikalisdicke und Materialeigenschaften. Bei einer Kortikalisdicke von 1 mm stiegen die ermittelten Auslenkungen des Implantatkopfes mit sinkendem E-Modul der Spongiosa an. Bei einer Kortikalisdicke von 2 mm konnte dieser Zusammenhang nicht beobachtet werden. Eine Kortikalisdicke von 1 mm in Kombination mit einem Spongiosa-E-Modul von 100 MPa verursachte bei allen Modellen die höchsten Belastungen im Knochen.<br /> Durch das Kippen der Lastrichtung nach bukkal im Winkel von 45° reduzierten sich die Verzerrungen in der Kortikalis (542 μStrain - 4.409 μStrain) um bis zu 35 %. Durch Materialanpassung der Kortikalis zu orthotropen Eigenschaften entstanden um 40 % höhere Spannungen (26,1 MPa - 207,7 MPa) und um 30 % höhere Verzerrungen (885 μStrain - 10.710 μStrain) als in isotroper Kortikalis. Die Verteilung der untersuchten Parameter wurde in Richtung der geänderten Materialorientierung beeinflusst. <br /> Insgesamt zeigte sich, dass die Kortikalisdicke den Haupteinfluss auf die Auslenkung der Mini-Schrauben ausübt. Einen sekundären Einfluss auf die Auslenkung konnte bei Variation des Spongiosa-E-Moduls gefunden werden.<br /> Die Materialanpassung der Kortikalis zu orthotropen Eigenschaften führte zu höheren Werten bezüglich Spannung und Verzerrung innerhalb des kortikalen Materials, die jedoch klinisch irrelevant waren. Der deutlich höhere Aufwand an Rechenzeit war nicht mit den Ergebnissen zu rechtfertigen, so dass eine Idealisierung der Materialien für die FEM weiterhin sinnvoll erschien.<br /> Vorteile von rechtwinkliger Belastung der Mini-Schrauben, wie sie von manchen Herstellern gefordert wird, waren im Hinblick der Knochenbelastung nicht zu erkennen. Statt dessen verringerten sich die Verzerrungen bei Neigung der Belastungsrichtung nach bukkal. Sowohl Verzerrungen und Spannungen als auch Auslenkung der Mini-Schrauben unterlagen dem Einfluss des Spongiosa-E-Moduls. Die ungünstigsten Werte konnten bei einem Spongiosa-E-Modul von 100 MPa im Zusammenhang mit 1 mm dicker Kortikalis ermittelt werden. Die Verwendung von Mini-Implantaten bei osteoporotischen Patienten ist deshalb zu hinterfragen.