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«Biomechanische Auswirkungen verschiedener orthodontischer Miniimplantate auf den periimplantären Knochen- eine FEM Analyse Dissertation zum Erwerb ...»

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Aus der Poliklinik für Kieferorthopädie

der Ludwig-Maximilians-Universität München

Direktorin: Prof. Dr. med. dent. Andrea Wichelhaus

Biomechanische Auswirkungen verschiedener orthodontischer Miniimplantate

auf den periimplantären Knochen- eine FEM Analyse

Dissertation

zum Erwerb des Doktorgrades der Zahnmedizin

an der Medizinischen Fakultät der

Ludwig-Maximilians-Universität München

vorgelegt von

Stefan Scheuermann

aus Schwäbisch Hall

Mit Genehmigung der Medizinischen Fakultät der Universität München Berichterstatter: Priv. Doz. Dr. Dr. Christof Holberg Mitbericherstatter: Priv. Doz. Dr. Jan Kühnisch Dekan: Herr Prof. Dr. Dr. h.c. Maximilian Reiser, FACR, FRCR Tag der mündlichen Prüfung: 20.10.2009 Meiner Familie in großer Dankbarkeit gewidmet Seite Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Literaturübersicht

2.1. Implantologie in der Kieferorthopädie 7 2.1.1 Historie 7 2.1.2 Vor- und Nachteile von Miniimplantaten 9 2.1.3 Indikationen und Behandlungszeitpunkt 10 2.1.4 Insertion 12 2.1.5 Implantatgeometrie 14 2.1.6 Einwirkende Kräfte 15 2.1.7 Periimplantäre Effekte und auftretende Belastungen 16 2.1.8 Histologische Aspekte 17 2.1.9 Virtuelle Simulation 19

2.2. Die Finite Elemente Methode (FEM) 20 2.2.1 Definition und Beschreibung des Verfahrens 20 2.2.2 Historische Entwicklung 22 2.2.3 Anwendungen in den Ingenieurswissenschaften 24 2.2.4 Anwendungen in der Medizin und Kieferorthopädie 25 2.2.5 Modellierungsverfahren in der Medizin 28 2.2.6 Materialeigenschaften kieferorthopädischer Simulationsmodelle 30 2.2.7 Kräfte und Belastungen in der Kieferorthopädie 30 2.2.8 Spannungs- und Dehnungsgrenzwerte des Knochens 31

3. Studienziele

3.1. Belastungen bei ansteigender Kraftentwicklung 32

3.2. Belastungen bei differierender Knochenqualität 32

3.3. Implantatsystemvergleich 32

–  –  –

7. Schlussfolgerung

8. Literaturverzeichnis

1. Einleitung Verankerung ist in der Kieferorthopädie bis zum heutigen Zeitpunkt eine zentrale Herausforderung und häufig steht und fällt der Behandlungserfolg damit. Zahlreiche intra- und extraorale Verankerungsmittel stehen dem Kieferorthopäden dafür zur Verfügung. Zwischen Verankerung und Kraftangriffspunkt entsteht dabei ein biomechanisches Kraftsystem, das auf den Gesetzmäßigkeiten der Mechanik Isaac Newtons beruht (actio = reactio) und somit abhängig von Dauer, Richtung und Größe der Kraft ist.

Für den Kieferorthopäden ist es von immenser Wichtigkeit alle auftretenden Kräfte einzuplanen, da es sonst während der Behandlung leicht zu unerwünschten Nebenwirkungen kommen kann. Werden Zähne als Verankerung genutzt, kann es dann unter Umständen zu Zahnstellungsänderungen im Sinne von Rotationen und Translationen führen. Generell bleibt bei inadäquater Verankerung der Behandlungserfolg aus. Gerade hieraus ergibt sich die Notwendigkeit einer zuverlässigen und stabilen Verankerung. Sind Zähne für die Verankerung, z.B. nach parodontalen und endodontischen Erkrankungen, oder vorzeitigem Zahnverlust nicht geeignet, ist es für den Kieferorthopäden bisher notwendig, extraorale Verankerungssysteme, wie z.B. Headgear, Delaire Maske, oder Klasse II Elastics einzusetzen. Viele der bisherigen Verankerungsmittel haben jedoch vor allem für den

Patienten entscheidende Nachteile:

Sie sind abhängig von der Patientenmitarbeit, haben unerwünschte Nebenwirkungen und sind ästhetisch für viele Patienten nicht vertretbar, wodurch deren Compliance leidet und der Behandlungserfolg für beide Seiten gefährdet ist.

Besonders die erwachsenen Patienten legen großen Wert auf eine ästhetisch ansprechende, möglichst unsichtbare und mitarbeitsunabhängige Apparatur, die sie im Alltag und der Arbeitswelt nicht behindert. Zudem wäre eine einfache, schnelle und komplikationsarme Eingliederung und Entfernung der Apparatur wünschenswert.

Für den Kieferorthopäden sind ein breites Indikationsspektrum, die Kombinierbarkeit mit bisherigen orthodontischen Behandlungssystemen und eine stabile, sofort belastbare Verankerung von großem Vorteil.

Durch die Synergie von Implantologie und Kieferorthopädie konnten in den letzten Jahren neue Behandlungskonzepte erschlossen werden. Grundlage dazu war das Prinzip der Osseointegration durch Brånemark et al. (Branemark, Adell et al. 1969;

Branemark, Hansson et al. 1977). Hierdurch konnten enossale Titanimplantate unter Positionsstabilität lang einwirkenden orthodontischen Kräften widerstehen und somit als orthodontische Verankerung genutzt werden (Roberts, Smith et al. 1984; Roberts, Helm et al. 1989). Seit Roberts et al. enossale Implantate als orthodontische Verankerung einsetzten, haben sich diese intraoralen Verankerungssysteme außergewöhnlich entwickelt. Heute werden zur Verankerung keine dentalen Implantate mehr verwendet, sondern so genannte Miniscrews, die in Durchmesser und Länge deutlich kleiner sind (Kanomi 1997; Costa, Raffainl et al. 1998;

Armbruster and Block 2001; Deguchi, Takano-Yamamoto et al. 2003; Melsen 2004;

Berens, Wiechmann et al. 2006). Es wurden dazu Schrauben in verschiedenen Systemen mit verschiedensten Durchmessern, Längen, Oberflächen, Schraubendesign des Halses und des Gewindes entworfen. Durch die steigende Nachfrage entstanden diesbezüglich zwar einige klinische Berichte und Studien, die zeigten, dass Miniimplantate als maximale Verankerung dienen und somit extraorale Verankerungssysteme ersetzen können (Odman, Lekholm et al. 1988; Wehrbein, Glatzmaier et al. 1996; Melsen and Lang 2001; Bae, Park et al. 2002; Fritz, Diedrich et al. 2003; Melsen 2004; Berens, Wiechmann et al. 2006), doch gibt es bis heute nur wenige Studien, die die unterschiedlichen Systeme bei orthodontischer Belastung an Hand einer FEM Studie vergleichen und auftretende Kräfte an knöchernen anatomischen Strukturen untersuchen um damit Rückschlüsse der auftretenden Kräfte in Abhängigkeit von Design, Länge und Durchmesser der Miniimplantate zu gewinnen. In vielen durchgeführten klinischen Studien sind zwar Lockerung und Verlust des Implantats feststellbar, doch sind keinerlei Belastungswerte periimplantär registrierbar. Überbelastungsreaktionen nach zu hoher Kraftapplikation, sowie Einflüsse von Implantatgeometrie und Knochenqualität bleiben somit unerkannt. Klinische Studien und Erkenntnisse aus virtuellen Simulationen mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) stehen bezüglich der empfohlenen Kraftapplikation und einer daraus resultierenden Überbelastung nicht immer im Einklang (Costa, Raffainl et al. 1998; De Pauw G.A.M. 1999; Dalstra M 2004; Maino, Maino et al. 2005). So findet in zahlreichen klinischen Studien eine vollständige Osseointegration der inserierten Miniimplantate trotz hoher Krafteinwirkung bis zu 5 N statt (De Pauw G.A.M. 1999), obwohl nach FEMUntersuchungen aber Miniimplantate bei Kräften über 100 cN verloren gehen können (Dalstra M 2004). Mit Hilfe von histologischen Studien hat man dazu zwar Knochenanbauprozesse auch nach hoher Kraftapplikation an periimplantären ossären Strukturen feststellen können, welche die inserierten Implantate stabilisieren, doch gehen nach wie vor ein gewisser Anteil inserierter Implantate verloren. Hierbei stellen sich Fragen, zu Einflüssen von Knochenqualität, einwirkenden Kräften und daraus resultierenden Belastungen des periimplantären Knochenlagers hinsichtlich, einer Überbelastung und dem damit verbundenen Implantatverlust. Ziel dieser Studie war es deshalb, an Hand eines Systemvergleichs verschiedener Miniimplantate, auftretende periimplantäre Belastungen bei ansteigender Kraftapplikation zu registrieren und hinsichtlich einer möglichen Überbelastungsreaktion zu beurteilen. Zusätzlich sollten Rückschlüsse auf eine bevorzugte Schraubengröße und den Einfluss der Knochenqualität auf die Belastungsentwicklung geschlossen werden.





2. Literaturübersicht

2.1. Implantologie in der Kieferorthopädie 2.1.1. Historie Mit der Entwicklung orthodontischer Mini-Implantate wird das Ziel verfolgt, eine möglichst stabile orthodontische Verankerung zu schaffen (Odman, Lekholm et al.

1988; Roberts, Helm et al. 1989; Wehrbein 1994), die für den Patienten angenehm und ästhetisch zu tragen ist und für den Kieferorthopäden keine außergewöhnliche Patientencompliance erfordert (Costa, Raffainl et al. 1998), Diese begann mit der Einführung des Prinzips der Osseointegration durch Brånemark (Branemark, Adell et al. 1969; Branemark, Hansson et al. 1977), und der Belastung enossaler Implantate durch Roberts et al. (Roberts, Smith et al. 1984; Roberts, Helm et al. 1989), der dentale Implantate auf Grund ihrer Positionsstabilität auch zur längeren Kraftapplikation als orthodontische Verankerungselemente einsetzte. Damit begann seit den frühen 80er (Creekmore and Eklund 1983) Jahren eine stetige Entwicklung neuer Systeme bis zum heutigen Zeitpunkt. 1995 veröffentlichten Block und Hoffmann ein palatinales Onplant (Block and Hoffman 1995) (Abb.1), gefolgt von palatinalen Implants durch Wehrbein et al.(Wehrbein, Glatzmaier et al. 1996) (Abb.

2,3). Beide waren jedoch auf den Bereich der Palatinalregion beschränkt (Block and Hoffman 1995; Wehrbein, Glatzmaier et al. 1996). Überwunden wurde diese durch die Einführung der Miniscrews (Abb. 4,5), oder Mini-Implantaten durch Costa et al.1998 (Costa, Raffainl et al. 1998) (Abb. 5), Kanomi (Kanomi 1997) (Abb. 6), Park und den Miniplatten durch Erverdi 2002 (Erverdi and Kargul 2002).

Abbildung 1.

Schematische Zeichnung eines Onplants von S. F. H. Ismail and A. S. Johal Journal of Orthodontics, Vol. 29, No. 3, 239-245, September 2002.

Abbildung 2.

Schematische Zeichnung eines palatinalen Orthosystem Implants von Straumann, S. F. H. Ismail and A. S. Johal Journal of Orthodontics, Vol. 29, No. 3, 239-245, September 2002.

Abbildung 3.

Detaillierte Darstellung eines palatinalen orthodontischen Implantates vom Typ Straumann mit der Länge 4mm.

Abbildung 4.

Schematische Zeichnung eines Aarhus Miniimplants, S. F. H. Ismail and A. S. Johal Journal of Orthodontics, Vol. 29, No. 3, 239-245, September 2002.

Abbildung 5.

Detaillierte Darstellung eines Mini-Implantates vom Typ Aarhus.

Abbildung 6.

Ein Mini-implant, wie von Kanomi beschrieben, S. F. H. Ismail and A. S. Johal Journal of Orthodontics, Vol. 29, No. 3, 239-245, September 2002.

2.1.2. Vor- und Nachteile von Mini-Implantaten Der Einsatz von Mini-Implantaten bietet nicht nur für den Kieferorthopäden, sondern auch für den Patienten ausgesprochene Vorteile. Für den Behandler zählen neben einer guten und zügigen Verarbeitbarkeit auch Wirtschaftlichkeit und die Möglichkeit, neue Verankerungssysteme mit bestehender Multiband-Technik kombinieren zu können. Mini-Implantate bieten dem Kieferorthopäden eine maximale Verankerungsmöglichkeit (Ismail and Johal 2002; Mah and Bergstrand 2005; Maino, Maino et al. 2005; Berens, Wiechmann et al. 2006; Kuroda, Sugawara et al. 2007), nahezu ohne anatomische Lokalisationseinschränkungen, deren Insertion schnell zu erlernen und ohne großen Aufwand (flapless) (Mah and Bergstrand 2005; Maino, Maino et al. 2005) durchzuführen ist. Durch die sofortige Belastbarkeit der MiniImplantate nach Insertion, wodurch eine zeitaufwändige Einheilphase entfällt und durch eine zusätzlich von der Patientencompliance unabhängige Behandlung, ist eine straffe und zeitsparende Therapie für Kieferorthopäde und Patient möglich (Mah and Bergstrand 2005). Dem Patienten bieten sich zudem weitere unter anderem ästhetische Vorteile, denn durch den Einsatz von Mini-Implantaten können extraorale Verankerungselemente ersetzt werden, die vor allem für erwachsene Patienten aus sozialen und beruflichen Gründen nicht tolerabel sind. Die Insertion erfolgt für den Patienten innerhalb weniger Minuten minimal invasiv unter Lokalanästhesie und hinterlässt nahezu keine Beschwerden (Kyung, Park et al. 2003; Mah and Bergstrand 2005). Komplikationen sind entweder bei der Insertion, oder der nachfolgenden Behandlung beschrieben und betreffen fast ausschließlich die Stabilität des MiniImplantats im Knochen (Bae, Park et al. 2002; Miyawaki, Koyama et al. 2003; Mah and Bergstrand 2005; Chen, Chang et al. 2007; Kravitz and Kusnoto 2007; Kuroda, Sugawara et al. 2007; Baek, Kim et al. 2008). Hauptfaktoren sind dabei die Implantatgeometrie, das Knochenangebot, bzw. dessen Qualität, mögliche Entzündungen des periimplantären Gewebes, die Verletzung von Zahnwurzeln und die Höhe der wirkenden Kräfte während der Behandlung (Bae, Park et al. 2002;



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