Untersuchung zu biomechanischen Eigenschaften von natürlichem Knochen und Ersatzmaterialien

Abstract

Hintergrund und Ziele Die biomechanischen Eigenschaften von Knochen sind bedeutsam sowohl hinsichtlich des Einheilvorgangs als auch der Belastungsgrenze zahnärztlicher Implantate. Bei ungünstiger Knochenqualität steigt die Verlustrate von Implantaten. Bislang gibt es keine prä- oder interaoperativen Verfahren, die die Knochenqualität verlässlich ermitteln. In der vorliegenden Studie wurde der Elastizitätsmodul von künstlichem und tierischem Knochen durch Druckversuche mittels einer Universalprüfmaschine bestimmt. Anhand künstlicher Knochenmaterialien wurde zunächst die verwendete Prüfanordnung validiert. Im Anschluss wurde die Verfahrensweise auf die Untersuchung tierischer Knochen übertragen, um einen Rückschluss auf die Knochenqualität zu erhalten. Material und Methode Die Validierung der Universalprüfmaschine erfolgte an zylinderförmigen Prüfkörpern aus polymerem Schaummaterial mit einer Länge von 11 mm und einem Durchmesser von 10 mm, die mittels eines Trepanbohrers erstellt wurden. Diese Knochenersatzmaterialien bezeichnete man aufgrund der unterschiedlichen Struktur und Dichte wie folgt: 10 pcf Cellular Rigid Polyurethan Foam, 20 pcf Cellular Rigid Polyurethan Foam, 10 pcf Solid Rigid Polyurethan Foam, 20 pcf Solid Rigid Polyurethan Foam und 40 pcf Solid Rigid Polyurethan Foam. Zur Herstellung der nativen Proben wurde die Mandibula des adulten Hausschweins sowie boviner Knochen aus dem Femur verwendet. Unter Berücksichtigung der anatomischen Begebenheiten diente hierfür ein im Handstück eingespannter Trepanbohrer mit einem Innendurchmesser von 8 mm. Im Ergebnis variieren die Probengrößen mit einem Durchmesser von 7,0 bis 7,7 mm sowie Längen von 6,9 bis 11,8 mm. Diese zylinderförmigen Proben wurden in die Prüfmaschine eingespannt und mit konstanter Geschwindigkeit zusammengedrückt, um dabei die Kraft sowie den zurückgelegten Weg zu messen. Bei Probenbruch erfolgte ein Abbruch der jeweiligen Messung. Die Resultate wurden in Form von Kraft-Weg-Diagrammen ausgewertet und nachfolgend wurde der Elastizitätsmodul errechnet. Ergebnisse und Beobachtungen Die Ergebnisse der Messungen zeigten materialspezifische Unterschiede: 10 pcf Cellular Rigid Foam ergab einen Mittelwert von 27,6 N/mm2 (SD 2,8); 20 pcf Cellular Rigid Foam einen Wert von 97,5 N/mm2 (SD 6,2); 10 pcf Solid Rigid Foam ergab 32,5 N/mm2 (SD 1,5), 20 pcf Solid Rigid Foam 99,9 N/mm2 (SD 7,5). Der Wert von 40 pcf Solid Rigid Foam lag bei 196,3 N/mm2 (SD 3,1). Die Mittelwerte der nativen Proben waren beim adulten Hausschwein 255,0 N/mm2 (SD 51,0) und bei bovi¬nem Femur 83,5 N/mm2 (SD 21,4). Praktische Schlussfolgerungen Bei sehr weitlumigem, spongiösem Knochen geringer Dichte entstehen mehr Messfehler als bei dichteren, homogeneren Proben. Da bei intraoperativer Anwendung die Knochenproben unter Erhalt der anatomi¬schen Strukturen nicht die ausreichende Größe aufweisen, kann das Verfahren nach aktueller Studienlage noch nicht zum klinischen Einsatz kommen. Jedoch kann die Universalprüfmaschine bei ausreichender Probengröße und -anzahl herangezogen werden, um andere Verfahren zur Knochenqualitätsmessung mit Grundlage des Elastizitätsmoduls zu validieren. Show more