Biomechanische Beurteilung eines neuartigen Verankerungssystem für implantatgetragene Deckprothesen

Abstract

Einleitung Zur prothetischen Versorgung eines unbezahnten Unterkiefers dient in zahlreichen Fällen die Totalprothese, die jedoch bei ausgeprägter Atrophie der Mandibula häufig keinen ausreichenden Halt bietet. Durch die Einführung der Implantattechnik kann man heute bei vorteilhaften Kieferverhältnissen festsitzenden implantatgetragenen Zahnersatz anfertigen. Häufig ist jedoch die Atrophie der Mandibula so weit fortgeschritten, dass sich nur zwischen den Foramina mentalia Implantate einbringen lassen. Moderne Konzepte sehen auch hier die Möglichkeit von festsitzenden Brückenkonstruktionen vor, was aber eine erhebliche Materialbelastung bedeutet und wofür noch keine Langzeitergebnisse vorliegen. Lange und durchwegs positive Erfahrung hat man hingegen mit interforaminalen Implantaten, die zur Stabilisierung einer totalprothesenartigen abnehmbaren Konstruktion verwendet werden, die man als Hybrid-prothese, Deckprothese oder Overdenture-Prothese bezeichnet. Dabei gelingt es, mit zwei interforaminalen Implantaten in der Eckzahnregion die Unterkieferprothese ausreichend zu stabilisieren, wobei das Ausmaß des Prothesenhalts auch von den Freiheitsgraden des protheti-schen Verbindungselementes abhängt. Ziel der vorliegenden Untersuchung war es, bei zwei bekannten und einem neuartigen prothetischem Attachment die Kraftübertragung auf das Implantat und speziell auf den peri-implantären Raum zu untersuchen, wie sie bei alltäglichen Belastungssituationen der Prothese auftreten.

Material und Methode Die Anfertigung des in vitro Messmodells erfolgte analog einer realen Patientensituation. Zwei interforaminale Bone-Level-Implantate waren in der jeweiligen Eckzahnregion des Kunststoffmodells verankert. Im peri-implantären Bereich befestigte man mesial und distal der Implantate Dehnungsmessstreifen, welche die entstehenden mechanischen Spannungen aufzeichneten. Zum Testen der prothetischen Attachments wurden je System fünf Messprothesen angefertigt, in welche die Attachment-Matrizen eingebaut wurden. Es handelte sich um Zylinderteleskop, Locator mit blauen, pinkfarbenen und weißen Einsätzen (Zest Dental Solutions, Carlsbad, USA) und ein neuartiges Attachment-System, bei dem ein flexibler Nitinol-Draht einen intrinsischen Memoryeffekt aufweist, der ihn nach Auslenkung in seine Ausgangsposition zurückstellen lässt. Als Testverfahren diente die Insertion der Prothesen, die Belastung mittels konstant axial einwirkender Kraft von 50 Newton (N) sowie das Ausgliedern der Prothesen. Die Insertion der Prothesen erfolgte händisch durch Aufsetzen der Prothesen auf das Messmodell. Die Belastung wurde durch eine Universalprüfmaschine unter konstanter Abgabe von 50 N ausgeführt, die auf das Kauzentrum der Messprothesen aufgebracht wurden. Das Ausgliedern der Prothesen erfolgte durch Abnahme vom Messmodell mittels Ligaturen an bukkalen und oralen Angriffspunkten am Prothesenkörper und konstantem Zug durch die Universalprüfmaschine. Alle drei Testverfahren wurden mit jeder Prothese einmalig durchgeführt. Zur statistischen Analyse dienten der Shapiro-Wilk-Test zur Überprüfung der Normalverteilung, der Levene-Test zur Beurteilung der Varianzhomogenität, der Kruskal-Wallis-Test für die nichtparametrische Einwe-ganalyse und zur Erhebung paarweiser Vergleiche der Nemenyi´s All-Pairs-Test. Zur Berück-sichtigung von Mehrfachtests wurde eine Bonferroni-Korrektur angewendet. Das Signifikanz-niveau wurde für alle Tests auf α=0,05 festgelegt.

Ergebnis Beim Zylinderteleskop ergaben sich für Insertion die Mittelwerte 214,2 µm/m, für Belastung 152,2 µm/m und für Ausgliedern 164,0 µm/m. Beim Locator-System mit blauem Retentionsring lagen die Werte bei 124,2 µm/m, 58,9 µm und 84,3 µm/m. Die entsprechenden Belastungswerte für pink betrugen 117,4 µm/m bei Insertion, 58,9 µm/m unter Belastung und 91,7 µm/m beim Prothesenausgliedern. Bei Verwendung des weißen Retentionsringes erhielt man Werte von 134,6 µm/m, 41,0 µm/m, und 169,7 µm/m. Das NiTi-Attachment-System er-brachte Belastungswerte von 45,9 µm/m, 23,9 µm/m und 30,6 µm/m. Die erforderliche Kraft zur Abnahme der Prothesen vom Messmodell betrug bei der Teleskop-Prothese 39,1 N, bei den Lokatoren 25,9 N (blau), 32,1 N (pink) und 43,7 N (weiß). Bei den Prothesen mit den NiTi-Attachments waren 10,0 N zum Ausgliedern erforderlich. Bei der Insertion der Prothesen zeigte sich im Vergleich von Zylinderteleskop (214,17 µm/m) und NiTi-Attachment (45,94 µm/m) ein signifikanter Unterschied (p=0,027); ebenso bei der 50N-Belastung zwischen dem NiTi-Attachment (23,97 µm/m) und dem Locator (blau) (58,86 µm/m; p=0,039). Beim Prothesenausgliedern ergab sich ein signifikanter Unterschied von p = 0,027 im Vergleich von Locator (weiß; 169,66 µm/m) und dem NiTi-Attachment (30,59 µm/m).

Diskussion Anhand der drei Testverfahren Insertion, 50N-Belastung und Ausgliedern der Prothese mit Re-tentionskraftmessung erfolgte die Belastungsanalyse der drei prothetischen Attachments Zylinderteleskop, Locator-System und NiTi-Attachment. Bei der Insertion erzeugte das Zylinderteleskop mit 214 µm/m den höchsten Wert der gesamten Studie. Die Implantate waren analog zur Patientensituation mit leichter Divergenz im Kunst-stoffmodell verankert. Die bei Insertion einwirkenden Kräfte scheinen über die große Retentionsfläche des starren Attachments unmittelbar an das Implantat und so an den umliegenden Knochen weitergegeben worden zu sein. Die Locatoren mit ihren drei Einsätzen erreichten alle etwa 120 µm/m. Dies war zu erwarten, da ihr Unterschied ja vornehmlich in der Abzugskraft bestand. Das NiTi-Attachment bewirkte aber weniger als die Hälfte dessen. Dies ist auf den variablen Nitinol-Draht zurückzuführen, der bei Insertion die Divergenz der Implantate besser ausglich und weniger Kraft auf die Implantate weiterleitete. Auch bei der Belastung ergab das Zylinderteleskop mit 152µm/m die höchsten Werte, gefolgt von den Locatoren mit ca. 50µm/m und dem NiTi-Attachment, das hier mit 24µm/m die niedrigsten Werte der gesamten Untersuchung hervorrief. Hervorzuheben ist dabei, dass die 50N- Prothesenbelastung zu geringerer Implantatbelastung führte als die Insertion der Prothese. Die Elastizität des NiTi-Drahtes scheint für die niedrige Implantatbelastung bei dem neuartigen Atta-chment-Typ verantwortlich zu sein. Bei der Prothesenausgliederung ergab das Locator-Attachment (weiß) den höchsten peri-implantären Dehnungswert von 170µm/m, der den Wert des Zylinderteleskopes übertraf. Dies wurde erwartet, da herstellerseits die höchste Retentionskraft mit 2,3kg vom Hersteller vorgege-ben ist. Beim Zylinderteleskop dürfte eine Gleitphase zwischen Matrize und Patrize mit der entstehenden Reibung für den ebenfalls hohen Wert verantwortlich sein. Interessanterweise zeigte das NiTi-Attachment mit 30 µm/m bei der Ausgliederung etwas höhere Werte als bei Belastung der Prothese. Dies mag durch einen etwas ausgiebigeren Kontakt zwischen Primär- und Sekundärkrone bei der Abnahme hervorgerufen werden. Beim Vergleich der Retentionskraft bei Prothesenausgliederung erreichte der Locator (weiß) 44N, was den höchsten Prothesenhalt darstellte. Das Zylinderteleskop erzielte 39N. Der blaue Locator ergab 26N, der pinkfarbene lag mit 32N etwas höher, beide verhielten sich analog zu den vom Hersteller genannten Retentionskräften von 0,7 bzw. 1,4 kg. Mit 10N wurde die geringste Haltekraft beim NiTi-Attachment gemessen.

Schlussfolgerung Individuell gefertigte Zylinderteleskopkronen benötigen einen hohen zahntechnischen Aufwand und können in Abhängigkeit von Material und Herstellungsprinzip extrem hohe Kräfte auf die Implantate übertragen. Dies stellt ihre klinische Zweckmäßigkeit in Frage. Die einfachere Ver-arbeitbarkeit des Locator-Systems hat sicher zu dessen klinischer Verbreitung beigetragen. Glei-cherweise treten aber auch beim Locator hohe Kräfte auf, die wohl zu einer gewissen Ver-schleißanfälligkeit mit häufigerem Austausch des Retentionseinsatzes beitragen. Beim NiTi-Attachment liegt mit 10N wohl eine ausreichende Haltekraft vor. Aufgrund der geringen Belas-tungsübertragung darf eine geringe Abnutzung und damit eine langzeitige nachbesserungsfreie Gebrauchsphase erwartet werden.

Introduction In many cases, a complete denture is used to restore an edentulous mandible. However, in cases of severe mandibular atrophy, this often does not provide sufficient support. With the introduc-tion of dental implants, fixed implant-supported prostheses can now be fabricated in favorable jaw conditions. However, mandibular atrophy is often so advanced that implants can only be inserted between the mental foramina. Modern concepts also provide the option of fixed bridge constructions, but this places considerable strain on the material and long-term results are not yet available. However, long and consistently positive experience has been gained with interforami-nal implants, which are used to stabilize a removable, complete-denture-like construction also known as an overdenture or hybrid denture. Two interforaminal implants in the canine region successfully stabilize the mandibular prosthesis, whereby the extent of denture retention also depends on the degree of freedom of the prosthetic connecting element. The aim of this study was to investigate the force transmission to the implant and specifically to the peri-implant bone of two conventional and one novel prosthetic attachments, as they occur during everyday loading situations of the prosthesis.

Materials and Methods An in vitro measurement model was fabricated resembling a real patient situation. Two interfo-raminal bone-level implants were anchored in the respective canine region of the resin model. Strain gauges were attached mesial and distal adjacent to the implants to record the resulting stress development. To test the prosthetic attachments, five measurement prostheses were fabricated for each system, into which the attachment matrices were installed. These included a cylindrical telescopic crown, a locator with blue, pink, and white inserts (Zest Dental Solutions, Carlsbad, USA), and a novel attachment system featuring a flexible nitinol wire with an intrinsic memory effect, allowing it to return to its original position after deflection. The test procedure involved inserting the prosthesis, applying a constant axial force of 50 N, and removing the prosthesis.

The prostheses were inserted manually by placing them on the measuring model. The loading was performed by a universal testing machine with a constant force of 50 N, which was applied to the masticatory center of the measurement prostheses. The prosthesis was removed from the measurement model using ligatures attached to buccal and oral anchor pins on the prosthesis body and subjected to constant tension by the universal testing machine. All three test proce-dures were performed once per prosthesis. Statistical analysis used the Shapiro-Wilk test to verify normal distribution, the Levene test to assess homogeneity of variance, the Kruskal-Wallis test for nonparametric one-way analysis, and the Nemenyi all-pairs test to determine pairwise comparisons. Bonferroni correction was applied to account for multiple testing. The significance level was set at α=0.05 for all tests.

Results For the cylindrical telescope, the values obtained were 214.2 µm/m for insertion, 152.2 µm/m for loading, and 164.0 µm/m for removal. For the Locator system with the blue retention ring, the values were 124.2 µm/m, 58.9 µm/m, and 84.3 µm/m. The corresponding values for the pink system were 117.4 µm/m at insertion, 58.9 µm/m under load, and 91.7 µm/m at prosthesis removal. Using the white retention ring, the values obtained were 134.6 µm/m, 41.0 µm/m, and 169.7 µm/m. The NiTi-Attachment system yielded load values of 45.9 µm/m, 23.9 µm/m, and 30.6 µm/m. The force required to remove the prostheses from the model was 39.1 N for the telescopic prosthesis, 25.9 N (blue), 32.1 N (pink), and 43.7 N (white) for the locators. For the prostheses with NiTi-Attachments, 10.0 N was required to remove them. During insertion of the prostheses, a comparison of the cylindrical telescopic attachment (214.17 µm/m) and the NiTi-Attachment (45.94 µm/m) revealed a significant difference (p=0.027); the same was true for the 50 N load between the NiTi-Attachment (23.97 µm/m) and the locator (blue) (58.86 µm/m; p=0.039). For prosthesis removal, a significant difference of p= 0.027 was observed between the Locator (white; 169.66 µm/m) and the NiTi-Attachment (30.59 µm/m).

Discussion The analysis of the loading of the three prosthetic attachments cylinder telescopic crown, locator system, and NiTi-Attachment was carried out using three test procedures: insertion, 50 N load-ing, and removal of the prosthesis with retention force measurements. During insertion, the cylinder telescope produced the highest value of the entire study at 214 µm/m. The implants were anchored in the plastic model with slight divergence, analogous to the patient's situation. The forces acting during insertion appear to have been transmitted directly to the implant and thus to the surrounding bone via the large retention surface of this rigid attach-ment. The locators, with their three inserts, all achieved approximately 120 µm/m. This was to be expected, since their difference lay primarily in the withdrawal force. However, the NiTi-Attachment achieved less than half of this. This is due to the variable Nitinol wire, which better compensated for the divergence of the implants during insertion and transmitted less force to the implants. The cylindrical telescope also produced the highest values for loading at 152 µm/m, followed by the locators at approximately 50 µm/m and the NiTi-Attachment, which produced the lowest values of the entire study at 24 µm/m. It is surprising that the 50 N prosthesis load resulted in lower implant stress than the insertion of the prosthesis. The flexibility of NiTi wire, on the other hand, appears to be responsible for the low implant stresses with this new type of attachment. During prosthesis removal, the locator attachment (white) produced the highest strain value of 170 µm/m, which even exceeded the value of the cylindrical telescope. This was to be expected, since the manufacturer specifies the highest retention force for this attachment at 2.3 kg. In the case of the cylindrical telescope, a sliding phase between the matrix and patrix, with the resulting friction, is likely responsible for the equally high value. Interestingly, the NiTi-Attachment showed slightly higher values of 30 µm/m during removal than during loading of the denture. This may be due to somewhat more extensive contact be-tween the primary and secondary crowns during removal. When comparing the retention force during denture removal, the Locator (white) achieved 44N, which represented maximum retention. The cylindrical telescope achieved 39 N. The blue Loca-tor achieved 26 N, while the pink one was slightly higher at 32 N, but both behaved analogous-ly to the retention forces stated by the manufacturer of 0.7 and 1.4 kg, respectively. The lowest retention force, 10 N, was measured with the NiTi-Attachment.

Conclusion Custom-made cylindrical telescopic crowns cause high laboratory costs and, depending on the material and manufacturing principle, can transmit extremely high forces to the implant thereby questioning their clinical suitability. The easier processing of the Locator system has certainly contributed to its wide-spread use. However, the Locator also exhibits high forces, which may contribute to a certain susceptibility to wear and more frequent replacement. The NiTi-Attachment, at 10 N, appears to provide sufficient retention force. Due to the low load transfer, low wear and thus a long service life can be expected.