Konstruktion und Erprobung eines intraoralen Belastungsgeräts zur Bestimmung von Kraft/Auslenkungszusammenhängen von Zähnen im menschlichen Gebiss

Abstract

Die Gingivitis und die Parodontitis haben meist eine schädigende Wirkung auf den Zahnhalteapparat und können die mechanischen Eigenschaften des Parodontalligaments (PDL) beeinflussen. Das Hauptziel dieser Studie war die Entwicklung eines intraoralen Belastungsgeräts, das die parodontalen Gewebeveränderungen vor, während und nach einer parodontalen Erkrankung durch die intraorale Messung der Zahnauslenkung bestimmen konnte. Unter Anwendung des intraoralen Belastungsgeräts erfolgten zeitabhängige Aktivierungen mit variierenden Auslenkungen in-vitro an Schweineprämolaren und in-vivo an humanen oberen linken ersten Schneidezähnen. Die Aktivierungen der Zähne wurde durch einen integrierten piezoelektrischen Aktuator mit einer maximalen Auslenkung von bis zu 0,20 mm realisiert. Außerdem registrierte ein in das Gerät integrierter Kraftsensor die auftretenden Kräfte von bis zu 200 N. Zeitgleich erfassten 16 Hall-Effekt-Sensoren die Verschiebungen zweier sich an der Zahnkrone befindlicher Zylindermagnete. Mit Hilfe der erfassten Daten konnten die resultierenden Zahnauslenkungen auf die Zahnbewegung zurückgerechnet werden.<br /> Die experimentellen in-vivo-Untersuchungen erfolgten an den oberen linken ersten Schneidezähnen (Zahn 21) von fünf parodontal gesunden Probanden mit einer maximalen Auslenkung von 0,15 mm. Die maximalen Belastungszeiten betrugen 0,1 s bis 5,0 s. Die experimentell ermittelten Ergebnisse wurden in die Entwicklung von patientenspezifischen Finite-Elemente-Modellen zur Simulation von Kraft/Auslenkungszusammenhängen einbezogen. Die Erzeugung der numerischen Probandenmodelle erfolgte unter Anwendung von Röntgenaufnahmen. Um die Aktivierungen der Zahnkrone in den Probandemodellen zu simulieren und die Materialparameter des humanen PDL zu bestimmen, wurden die numerischen Kraft/Auslenkungskurven an die zuvor experimentell ermittelten Kurven angeglichen.<br /> Bei der kürzesten Belastungszeit lagen die experimentell ermittelten Kräfte im Bereich von 12,6 N (0,1 s). Die numerisch berechneten Elastizitätsmoduln variierten zwischen 1,7 MPa (0,1 s) und 0,6 MPa (5,0 s). Bei Betrachtung der Kraftverläufe sanken die experimentell und numerisch ermittelten Kräfte mit steigender Belastungszeit.<br /> Die durch die experimentellen Anwendungen des intraoralen Belastungsgeräts und die numerischen Berechnungen der erstellten Probandenmodelle gewonnenen Erkenntnisse geben ein verbessertes Verständnis über die biomechanischen Vorgänge innerhalb des Zahnhalteapparats und stützen die klinischen Untersuchungen.<br /> Diese Studie wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), Klinische Forschergruppe 208 (KFO208, TP5) finanziert.