Lenz, Jürgen

Riediger, Dieter

Rong, Qiguo

Rues, S.

Schindler, Hans Jürgen

Schweizerhof, Karl

KITopen

Rues, Stefan; Lenz, Jürgen; Schindler, Hans J.; Rong, Qiguo; Schweizerhof, Karl; Rie-diger, DieterBeanspruchungen des Unterkiefers bei unterschiedlichen Implantatverteilun-gen und unter unterschiedlichen LastenMit Hilfe der Methode der Finiten Elemente werden für unterschiedliche, häufig verwendete (symmetrische undnicht-symmetrische) Implantatverteilungen im Unterkiefer die Spannungen im periimplantären Knochenbett analy-siert, insbesondere um klinisch-kritische Beanspruchungen zu bewerten. Die Analyse zeigt, dass die Druckspannungenmit wachsendem Atrophiegrad des Kiefers ansteigen und dass eine zusätzliche Schleimhautabstützung zu einer be-trächtlichen Reduktion der Spannungen im Implantatbett beitragen kann.1. Einführung in die medizinische FragestellungIn der vorliegenden Finite Element (FE) Analyse sollten anhand von verschiedenen, in der Praxis häufig vorkom-menden Implantatverteilungen (Abb. 1) im Unterkiefer (UK) folgende Fragestellungen geklärt werden: 1) wie sichunter unterschiedlichen funktionellen (Kau-) Belastungen die periimplantären Knochenbeanspruchungen im starkatrophierten (geschwundenen) gegenüber dem schwach atrophierten Kiefer erhöhen und 2) in welchem Maße einezusätzliche Abstützung der Prothesen-Kragarme auf der Schleimhaut (Gingiva) zur Verminderung der Knochenbe-anspruchung beitragen kann.a)4 3 1b)4 3Gingivac)76 4Abbildung 1: Implantatea) in regio 1,3,4 mit überkragendemSteg bis in regio 6;b) in regio 3,4 mit überkragendem Stegbis in regio 7 und Abstützung auf derGingiva;c) in regio 4,6,7 ohne überkragendenSteg2. Materialien und MethodenDie für die Berechnungen verwendeten UK-Modelle besitzen sagittale Kieferhöhen von 25 mm (schwach atrophiert)bzw. 18 mm (stark atrophiert). Die Unterteilung in Kortikalis (äußere, dichte Knochenschale) und Spongiosa (tra-bekuläre innere Knochenstruktur) erfolgte anhand vorliegender realer Kiefer.Die Belastung wurde über einen beidseitigen Muskelzug (musculus masseter) von je 100 N (mäßige Kaukraft) simu-liert und die verschiedenen Belastungszustände über den Kontakt (Lagerung auf Druckfedern) mit einzelnen odermehreren Antagonisten (Gegenzähnen) realisiert. Die Abstützung der Prothesen-Kragarme auf der Gingiva wurde,wie aus Abb. 1b ersichtlich, durch eine Verteilung von Druckfedern modelliert. Die Kiefergelenke (Kondylen) waren,um ihre Lagerung über den nachgiebigen Diskus in der Gelenkgrube des Schläfenbeins zu modellieren, ebenfalls aufFedern gelagert. Die verwendeten Materialparameter sind Tab. 1 zu entnehmen. Die Diskretisierung der FE-Modelleerfolgte mit bis zu 104.200 Elementen bzw. 86.900 Knoten. Das Netz wurde im periimplantären Knochenbereich ver-feinert und variiert. Dabei wurden vorwiegend 8-Knoten-Hexaederelemente, ansonsten 4-Knoten-Tetraederelementeverwendet. Die Berechnungen wurden mit ANSYS 6.1 durchgeführt.Implantat, Verbinder (Titan) EI = EV = 110 GPa, νI = νV = 0.3Kortikalis EK = 15 GPa, νK = 0.3Spongiosa ES = 2 GPa, νS = 0.3Gingiva EG = 10 MPaAntagonisten (Druckfedern) cA,vert = 2700 N/mm, cA,hor = 1350 N/mmLagerung der Kondylen cKon = 50 N/mm (in allen Richtungen)Tabelle 1: Materialparameter (linear-elastische Materialien)PAMM · Proc. Appl. Math. Mech. 3, 310–311 (2003) / DOI 10.1002/pamm.200310427 First published in:EVA-STAR (Elektronisches Volltextarchiv – Scientific Articles Repository) http://digbib.ubka.uni-karlsruhe.de/volltexte/1000000547 3. ErgebnisseBeispielhaft für die untersuchten Implantatverteilungen und unterschiedlichen Lastfälle werden im Folgenden dieErgebnisse für die Konstruktion aus Abb. 1b für den sicher ungünstigsten (symmetrischen) Fall vorgestellt, bei demdiese jeweils nur am Kragende beidseitig Kontakt mit einem Antagonisten hat.-8.5-5.6-2.70.33.26.29.112.015.017.920.823.826.7-32.0-28.6-25.3-22.0-18.7-15.3-12.0-8.7-5.3-2.01.34.68.0-17.7-15.0-12.3-9.7-7.0-4.4-1.71.03.66.39.011.614.3-48.7-44.4-40.1-35.8-31.5-27.2-22.9-18.5-14.2-9.9-5.6-1.33.0Abbildung 2.1:Max. ZugspannungenσI [MPa] für den schwachatrophierten UKAbbildung 2.2:Max. DruckspannungenσIII [MPa] für den schwachatrophierten UKAbbildung 3.1:Max. ZugspannungenσI [MPa] für den starkatrophierten UKAbbildung 3.2:Max. DruckspannungenσIII [MPa] für den starkatrophierten UKVergleicht man die Ergebnisse für den schwach atrophierten (Abb.2) mit denen des stark atrophierten Unterkie-fers (UK) (Abb.3), so nimmt die maximale Zugspannung von ∼ 27 MPa beim schwach atrophierten auf ∼ 14 MPabeim stark atrophierten UK ab, die maximale Druckspannung nimmt jedoch betragsmäßig von ∼ 32 MPa auf ∼ 49MPa zu. Die Spannungen verschieben sich somit in Richtung des Druckbereichs. In Tab. 2 werden diese Spannungs-werte den Ergebnissen einer Vergleichsberechnung für die Konstruktion aus Abb. 1b ohne Schleimhautabstützunggegenübergestellt.σI [MPa] σIII[MPa]schwach atrophierter UK 26.7 -32.0mit gingivaler Abstützung Tabelle 2:stark atrophierter UK 14.3 -48.7 Ergebnisse für die Konstruktionmit gingivaler Abstützung aus Abb. 1b bei unterschiedlichenschwach atrophierter UK 47.2 -56.9 Atrophiegraden des Unterkiefersohne gingivale Abstützung bzw. ohne gingivale AbstützungDie Vergleichsberechnung belegt, dass sich die maximalen Zug- bzw. Druckspannungen im Knochenbett ohneAbstützung des Prothesen-Kragarms von ∼ 27 MPa auf ∼ 47 MPa bzw. von ∼ -32 MPa auf ∼ -57 MPa etwa verdop-peln.Die Berechnungen zeigen ferner, dass die Spongiosa bei allen untersuchten Implantatverteilungen und Lastfällennur geringfügig beansprucht wird, d.h. im Wesentlichen die Kortikalis die Lasten abträgt. Hohe Knochenbeanspru-chungen treten vorwiegend an der Materialtrennfläche Implantat-Kortikalis, bei einigen Lastfällen aber auch an derMaterialtrennfläche Kortikalis-Spongiosa auf. Sie klingen aber schnell mit zunehmendem Abstand vom jeweiligenImplantat ab.4. SchlussfolgerungenDie Ergebnisse zeigen, dass sich die Spannungen im Knochen beim stark atrophierten im Vergleich zum schwachatrophierten UK in Richtung höheren Drucks verschieben und sich somit bei ersterem die Gefahr der Knochenre-sorption erhöht. Weiterhin zeigt sich, dass die Belastungen des Knochenbetts nahezu halbiert werden können, wennlange Prothesen-Kragarme auf der Gingiva abgestützt werden. Darüber hinaus belegen die Simulationen, dass imWesentlichen die Kortikalis die Last abträgt und die hohen Beanspruchungen im Knochenbett mit wachsendemAbstand von den Implantaten schnell abklingen.DIPL.-ING. STEFAN RUES, DR. RER. NAT. JÜRGEN LENZ, DR. MED. DENT. HANS J. SCHIND-LER, PROF. DR. MED. DR. MED. DENT. DIETER RIEDIGER, Universität Karlsruhe, ForschungsgruppeBiomechanik, Fakultät für Mathematik, Kaiserstr.12, 76128 Karlsruhe, Germany; DR.-ING. QIGUO RONG,PROF. DR.-ING. KARL SCHWEIZERHOF, Universität Karlsruhe, Institut für Mechanik, Kaiserstr.12, 76128Karlsruhe, Germany   Section 8: Computational mechanics 311  

Beanspruchungen des Unterkiefers bei unterschiedlichen Implantatverteilungen und unter unterschiedlichen Lasten

https://publikationen.bibliothek.kit.edu/1000000547/843506

Beanspruchungen des Unterkiefers bei unterschiedlichen Implantatverteilungen und unter unterschiedlichen Lasten

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

KITopen