Bone damage during dental implant insertion : a pilot study combining strain gauge and histologic analysis

Abstract

Aim: Achieving primary implant stability during implant placement is an important factor in attaining osseointegration, which determines the long-term clinical success of dental implants. Primary stability is largely dependent on the quality of the alveolar bone as well as the implant design with its specific drilling protocol. Due to the creation of a drill hole as well as cortical bone compression during implant placement, traumatization of the bone appears unavoidable. To reduce the extent of marginal bone resorption, implant manufacturers as well as implantologists try to minimize the traumatic bone damage during the implantation procedure. The aim of this in vitro study was to measure the forces acting on the alveolar bone during the insertion of two different implant systems, to evaluate the extent of bone damage by means of a subsequent histological analysis and to establish possible correlations. Material and Methods: Implants of two bone-level systems (Astra; Straumann; n = 5) were inserted into fresh bovine bone. The insertion torque was recorded with the surgical contra-angle handpiece. Strain gauges were used to monitor the resulting bone strain on the buccal wall. Subsequently, primary stability of the implant was determined by means of Osstell measurement. Histological analysis determined bone to implant contact and bone density as well as signs of bone damage such as microcracks, macrocracks and the extent of bone deformation. In addition to comparing the implant systems (Welch t-Tests), all measurement parameters were tested for possible correlations (Pearson product moment correlation coefficient), with the level of significance set at α = 0.05. Results: Straumann implants produced slightly increased readings for insertion torque (p = 0.772), strain development (p = 0.893) and primary implant stability (p = 0.642). Histologic assessment revealed significantly increased bone to implant contact in the Straumann group compared to the Astra group (cortical p = 0.014; trabecular p = 0.016), with only slight differences in bone density (cortical p = 0.466; trabecular p = 0.360). A significantly increased number of microcracks in the cortical bone was observed in the Astra group (p = 0.020). A correlation of insertion torque with bone to implant contact in cortical bone (p = 0.029) was found in the Straumann group. In trabecular bone, the number of macrocracks correlated with bone to implant contact (p = 0.029). Astra implants showed a correlation of insertion torque with bone to implant contact in the trabecular region (p = 0.007). There was also a correlation between implant stability and the number of macrocracks in the trabecular bone (p = 0.016), furthermore between the number of macrocracks in the cortical region and the bone to implant contact (p = 0.019). Conclusion: The present study demonstrated that bone damage of varying degrees is inevitable during implant placement. Clinically, they mainly manifest in the peri-implant cortical bone. When developing a new implant macrodesign, attempts should be made to achieve implant stability by compression in the trabecular bone so as to relieve the peri-implant cortical area.

Ziel: Das Erreichen von Primärstabilität bei der Implantation ist ein wichtiger Faktor zur Erzielung von Osseointegration, was den langfristigen klinischen Erfolg dentaler Implantate bedingt. Die Primärstabilität hängt maßgeblich von der Qualität des Alveolarknochens sowie der Implantatform mit seinem spezifischen Bohrprotokoll ab. Durch das Anlegen eines Bohrstollens sowie durch die kortikale Knochenkompression bei der Implantatinsertion erscheint eine Traumatisierung des Knochens unvermeidbar. Um das Ausmaß einer marginalen Knochenresorption zu verringern, versuchen Implantathersteller sowie Implantologen die traumatische Knochenschädigung während des Implantationsvorganges zu minimieren. Ziel dieser in vitro Studie war es, die während der Insertion zweier verschiedener Implantatsysteme am Alveolarknochen einwirkenden Kräfte messtechnisch zu erfassen, anhand einer anschließenden histologischen Analyse das Ausmaß der Knochenschädigung zu evaluieren und mögliche Zusammenhänge zu erkennen. Material und Methoden: Die Implantate zweier Bone-Level Systeme (Astra; Straumann; n = 5) wurden in frische Rinderknochen inseriert. Das Eindrehmoment wurde mit dem chirurgischen Winkelstück festgehalten. Mit Hilfe von Dehnungsmessstreifen zeichnete man die dabei an der bukkalen Wand entstehende Knochendehnung auf. Anschließend erfolgte die Bestimmung der Primärstabilität des Implantates mittels Osstell-Messung. In der histologischen Analyse ermittelte man den Knochen-Implantat-Kontakt und die Knochendichte sowie Anzeichen von Knochenschäden wie Mikrorisse, Makrorisse und das Ausmaß der Knochendeformation. Neben dem Vergleich der Implantatsysteme (Welch t-Test) wurden alle Messparameter auf mögliche Korrelationen untersucht (Pearson Produkt-Moment-Korrelationskoeffizient), wobei das Signifikanzniveau auf α = 0.05 festgelegt wurde. Ergebnisse: Straumann-Implantate wiesen leicht erhöhte Messwerte für das Eindrehmoment (p = 0.772), die Knochendehnung (p = 0.893) und die Primärstabilität (p = 0.642) auf. Die histologische Beurteilung erbrachte einen signifikant größeren Knochen-Implantat-Kontakt der Straumann Gruppe im Vergleich zur Astra Gruppe (kortikal p = 0.014; trabekulär p = 0.016), wobei sich die Knochendichte nur gering unterschied (kortikal p = 0.466; trabekulär p = 0.360). Eine signifikant erhöhte Zahl an Mikrorissen im kortikalen Knochen fand sich bei den Astra-Implantaten (p = 0.020). Eine Korrelation des Eindrehmomentes mit dem Knochen-Implantat-Kontakt im kortikalen Knochen (p = 0.029) ergab sich in der Straumann Gruppe. Im trabekulären Knochen korrelierte die Anzahl der Makrorisse mit dem Knochen-Implantat-Kontakt (p = 0.029). Bei Astra-Implantaten fand sich eine Korrelation des Eindrehmomentes mit dem Knochen-Implantat-Kontakt im trabekulären Bereich (p = 0.007). Auch zwischen der Implantatstabilität und der Anzahl der Makrorisse im trabekulären Knochen bestand eine Korrelation (p = 0.016), weiterhin zwischen der Anzahl der Makrorisse im kortikalen Bereich und dem Knochen-Implantat-Kontakt (p = 0.019). Schlussfolgerung: In der vorliegenden Untersuchung konnte gezeigt werden, dass bei der Implantatinsertion Knochenschäden unterschiedlichen Ausmaßes unvermeidlich sind. Klinisch treten sie vornehmlich im peri-implantären kortikalen Knochen in Erscheinung. Bei der Entwicklung eines neuen Implantat-Makrodesigns sollte man daher versuchen, Implantatstabilität durch Kompression im trabekulären Knochen zu erzielen, um den kortikalen Bereich zu entlasten.