DE102006014169A1 - Reindeer antler bone changes examining method, involves loading implants over defined time through variable forces, which are exerted by load exerting device, and removing antler area containing implant, where removed area is examined - Google Patents
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Abstract
Description
Beschrieben wird ein neuartiges Tiermodell, mit dem alle Arten von Knochenwundheilung und Umbauphänomenen um Implantate, Knochenersatzmaterialien und anderen Füllkörpern aus klinischer, biomechanischer und histologischer Sicht studiert werden können, ohne dabei das Tier opfern zu müssen. Zusätzlich können Stoffwechselvorgänge und der Einfluss von Wachstumsfaktoren auf die Knochenheilung evaluiert werden. Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Untersuchung von Implantaten mit Hilfe dieses Modells, und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.described becomes a novel animal model, with which all types of bone wound healing and rebuilding phenomena implants, bone substitute materials and other fillers clinical, biomechanical and histological views can, without having to sacrifice the animal. additionally can Metabolic processes and evaluated the influence of growth factors on bone healing become. The invention further relates to a method for examination of implants using this model, and a device for execution of the procedure.
Hintergrundbackground
Das Geweih ist der „Kopfschmuck" von männlichen Tieren, die zu den Cerviden gerechnet werden – nur beim Rentier (Rangifer tarandus) tragen beide Geschlechter ein Geweih. Nicht zu verwechseln ist es mit dem Kopfschmuck von schafartigen Tieren wie dem Steinbock, der Gemse oder der Ziege. Dieser besteht aus Horn, wächst ein Leben lang mit und wird nicht abgeworfen, kann aber bisweilen abbrechen.The Antler is the "headdress" of males Animals that are counted among the cervids - only the reindeer (Rangifer tarandus), both sexes wear antlers. Not to be confused it is with the headdress of sheep-like animals like the ibex, the chamois or the goat. This is made of horn, grows Lifelong with and will not be dropped, but can sometimes break.
Durch Steuerung über das Hormon Testosteron wachsen aus der Stirn der Tiere aus Rosenstöcken (zapfenförmige Knochengebilde) Knochenstangen, die mit fortschreitendem Alter der Tiere und je nach Art des Tiers Verzweigungen (Enden, Sprossen) oder Schaufeln bilden können. Geweihe werden aus Knochensubstanz gebildet (nicht aus Horn) und während der Wachstumsphase über eine kurzbehaarte Haut, den Bast, durch Blutgefäße versorgt. Nach Abschluss des Wachstums trocknet der Bast aus und wird vom Tier an Büschen und Bäumen abgestreift (gefegt). Im Herbst bis Spätherbst des Jahres bildet sich zwischen Geweih und Rosenstock eine Demarkationslinie (Trennfuge), an der das Geweih abbricht.By Control over the hormone testosterone grow from the forehead of the animals from rose bushes (cone-shaped bone structures) Bones, which with the advancing age of the animals and depending on Type of animal forming branches (ends, sprouts) or shovels can. Antlers are made of bone (not horn) and during the Growth phase over a short-haired skin, the bast, supplied by blood vessels. After graduation of growth, the bast dries and is absorbed by the animal on bushes and trees stripped (swept). In the autumn until late autumn of the year forms between antler and Rosenstock a demarcation line (parting line), where the antlers break off.
Die Geweihe der Rentiere sind zum Teil unregelmäßig und asymmetrisch und bei keinen zwei Tieren identisch. Sie sind stangenförmig und weit verzweigt; nur die tiefste Sprosse bildet am Ende einer Stange eine kleine Schaufel, die man auch als „Schneeschaufel" bezeichnet. Das Geweih des Männchens ist mit einer Länge von 50 bis 130 Zentimeter deutlich größer als das des Weibchens, welches nur 20 bis 50 Zentimeter lang wird. Das Geweih des Männchens wird im Herbst abgestoßen – das der Weibchen im Frühjahr; gegebenenfalls nicht beide Seiten zugleich, so dass das Ren vorübergehend nur eine Geweihhälfte hat.The Antlers of the reindeer are partly irregular and asymmetrical and at not identical to two animals. They are rod-shaped and widely branched; just the deepest rung forms a small shovel at the end of a pole, which is also called a "snow shovel" Antlers of the male is with a length from 50 to 130 centimeters much larger than that of the female, which only 20 to 50 inches long. The antlers of the male is repelled in the fall - that of the females in the spring; If necessary, do not both sides at the same time, so that the reindeer temporarily only one antler half Has.
In Bezug auf die Knochenremodellierungsvorgänge um Implantate im Allgemeinen und um sofortbelastete Dentalimplantate im Besonderen besteht bislang noch keine eindeutige Verknüpfung von mechanischen Größen und biologischen Reaktionen. Die sehr dynamische zeitliche Veränderung der Knochenstruktur durch Einheilung und Knochenumbau kann weder mit experimentellen noch mit den Standard Finite Elemente Methoden direkt nachgewiesen werden. Sie äußert sich oft z.B. lediglich in Form einer Lockerung, die sich niederschlägt in einer Verringerung der Kräfte oder einer Vergrößerung der Auslenkungen.In Regarding the bone remodeling processes around implants in general and immediate loaded dental implants in particular, so far no clear link yet of mechanical sizes and biological reactions. The very dynamic temporal change The bone structure through healing and bone remodeling can neither with experimental still using the standard finite element methods be detected directly. She expresses herself often e.g. only in the form of a relaxation, which is reflected in one Reduction of forces or an enlargement of the Deflections.
Es fehlt bislang insbesondere an einem einfachen Tiermodell, an welchem die Wirkung der Belastung von Implantaten auf den umgebenden Knochen gezielt untersucht werden kann. Dieses Problem soll durch die vorliegende Erfindung gelöst werden.It So far, in particular, there is a lack of a simple animal model in which the effect of loading implants on the surrounding bone can be specifically investigated. This problem should be solved by the present Invention solved become.
Kurzbeschreibung der ErfindungSummary the invention
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Simulation der Belastung von Implantaten, in welchem an Geweihe, bevorzugt in Rentiergeweihe, Implantate inseriert und unter kontrollierten Bedingungen belastet werden. Hierzu wird bevorzugt die kompakte, integrierte und computergesteuerte Belastungsvorrichtung gemäß Ausführungsform (2) verwendet, die über programmierte Belastungsprotokolle zyklische Auslenkungen auf die Implantate aufbringt.The The present invention relates to a method for simulating the Loading of implants, in which on antlers, preferably in reindeer antlers, implants advertised and charged under controlled conditions. For this purpose, preference is given to the compact, integrated and computer-controlled Loading device according to the embodiment (2) used over programmed stress logs cyclic deflections on the Apply implants.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit
- (1) ein Verfahren zur Untersuchung von Knochenveränderungen in der Umgebung von Implantaten, welche in Knochen implantiert werden, umfassend die Schritte (a) Einsetzen eines Implantats in das Geweih eines geweihtragenden Tiers (Cervide), bevorzugt eines lebenden geweihtragenden Tieres; (b) mechanische Belastung des Implantats über einen definierten Zeitraum durch definierte veränderbare Kräfte, welche von einer am Geweih angebrachten Belastungsvorrichtung ausgeübt werden; (c) anschließende Entfernung des Geweihbereich, welche das Implantat enthält; und (d) Untersuchung des entfernten Geweihbereichs;
- (2) eine Belastungsvorrichtung
- (3) ein Tiermodell zur Untersuchung von Implantaten, welche in Knochen implantiert werden, umfassend (i) ein geweihtragendes Tier, bevorzugt ein lebendes geweihtragendes Tier, in dessen Geweih mindestens ein Implantat inseriert ist; und (ii) eine Vorrichtung, welche auf das inserierte Implantat eine mechanische Belastung ausübt, bevorzugt die Belastungsvorrichtung gemäß Ausführungsform (2); und
- (4) die Verwendung des Tiermodells gemäß Ausführungsform (3) zur Untersuchung der Knochenveränderung in der Umgebung von Implantaten, zur Entwicklung und vorklinischen Prüfung neuer Knochenersatzmaterialien zur Knchenregeneration, neuer Implantate, insbesondere neuer Dentalimplantate, und zur Prüfung neuartiger Konzepte zur Behandlung von Patienten mit Implantaten.
- (1) a method for examining bone changes in the vicinity of implants implanted in bone, comprising the steps of (a) inserting an implant into the antler of an antler animal (Cervide), preferably a live antler animal; (b) mechanical loading of the implant over a defined period of time by defined variable forces exerted by an antler mounted load device; (c) subsequently removing the antler area containing the implant; and (d) examining the removed antler area;
- (2) a loading device
- (3) an animal model for examining implants implanted in bone comprising (i) an antler animal, preferably a live antler animal in whose antler at least one implant is inserted; and (ii) a device which applies a mechanical load to the inserted implant, preferably the loading device according to embodiment (2); and
- (4) The use of the animal model according to embodiment (3) for examining bone change in the vicinity of implants, for the development and preclinical testing of new bone replacement materials for bone regeneration, new implants, in particular new dental implants, and for testing novel concepts for treating patients with implants ,
Kurzbeschreibung der FigurenSummary the figures
Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description the invention
Es wird ein neues Tiermodell für die Implantat- und Knochen-Forschung vorgestellt. Dieses ist für nichtverbrauchende Tierstudien geeignet. Das Tiermodell kann neben der Untersuchung zahnmedizinischer Fragestellungen auch bei allen medizinischen Untersuchungen zu Knochenumbauvorgängen und Knochenstoffwechselvorgängen Anwendung finden. Die gewonnenen Erkenntnisse werden helfen, die klinische Zuverlässigkeit von Implantaten zu beurteilen und gegebenenfalls durch gezielte Designoptimierungen der Implantate zu erhöhen sowie die bestehenden Konzepte zu überdenken.It will be a new animal model for implant and bone research presented. This is for non-consumable Animal studies suitable. The animal model may be next to the examination Dental issues also in all medical examinations to bone remodeling processes and bone metabolism processes Find application. The knowledge gained will help that clinical reliability of implants and, if appropriate, by targeted Improve design optimizations of the implants as well as the existing concepts to reconsider.
Als Knochenmodell kann im Verfahren gemäß Ausführungsform (1) das Geweih von allen Arten geweihtragender Tiere, speziell aller Cerviden, genutzt werden. Das Wachstum des Geweihs ist eine typische enchondrale Knochenentwicklung, ähnlich der des humanen Röhrenknochens [Li et al., 2001; Baxster BJ et al., 1999]. Das Wachstum findet am distalen Ende der Geweihverzweigungen statt. Diese Wachstumszone wird genauso wie beim langen menschlichen Knochen in vier Zonen von distal nach proximal eingeteilt: Proliferationszone der Prächondroblasten, Zone der hypertrophen Chondroblasten, Zone der chondralen Ossifikation und Zone des Geflechtknochens. Der Geflechtknochen ist vom Periost umgeben und wird im Laufe der Zeit durch lamellären Knochen ersetzt. Durch appositionelles Wachstum vom Periost aus nimmt der Durchmesser des Geweihes zu [Ronning 1990]. Somit ist das Geweih aus histologischer Sicht ein adäquates Modell für die Darstellung des Knochenwachstums im Tiermodell.When Bone model in the method according to embodiment (1) the antler of All types of antler-bearing animals, especially all cervids, used become. The growth of the antler is a typical endochondral bone development, similar to the of human tubular bone [Li et al., 2001; Baxster BJ et al., 1999]. The growth takes place at the distal end of the antler branches. This growth zone becomes four zones just like the long human bone classified from distal to proximal: proliferating zone of the pre-dardbone, Zone of hypertrophic chondroblasts, zone of chondral ossification and zone of the woven bone. The woven bone is surrounded by the periosteum and is replaced by lamellar bone over time. By appositional growth from the periosteum decreases the diameter of the Antlers to [Ronning 1990]. Thus, the antler is from histological An adequate view Model for the representation of bone growth in the animal model.
Aus biomechanischer Sicht sind beim Knochen die Materialparameter von Kortikalis und Spongiosa relevant. Untersuchungen von Currey [1989], Li [2003] und von Vashishth et al. [1997, 2000, 2003] an Rentiergeweihen haben gezeigt, dass das elastische und das Bruchverhalten im Wesentlichen mit dem Verhalten von menschlichem Knochen vergleichbar ist. Es eignet sich daher auch aus biomechanischer Sicht sehr gut für die Untersuchung der Knochenbelastung um Implantate.Out biomechanical view are the material parameters of bone Cortex and cancellous bone relevant. Investigations by Currey [1989], Li [2003] and by Vashishth et al. [1997, 2000, 2003] to reindeer antlers have shown that the elastic and the breaking behavior substantially is comparable to the behavior of human bone. It Therefore, it is also very suitable for the examination from a biomechanical point of view the bone load around implants.
Die im Rahme der vorliegenden Erfindung bevorzugte Verwendung des Rentier-Geweihs im Verfahren (1) bietet zahlreiche Vorteile. Geweihe sind bei den meisten geweihtragenden Arten nur beim Männchen vorhanden. Ausnahmen sind lediglich das Wasserreh, das nie ein Geweih hat, sowie das Rentier (Rangifer tarandus; alternativer Name Ren oder Karibou), bei dem beide Geschlechter ein Geweih haben. Da in einem Gehege immer nur ein männliches Tier gehalten werden kann, haben Rentiere also den großen Vorteil, dass mit weiblichen und männlichen Geweihträgern eine größere Tierpopulation auf kleinem Raum zur Verfügung steht.The in the context of the present invention preferred use of reindeer antlers in the process (1) offers many advantages. Antlers are the most antithetic Species only in males available. Exceptions are only the water turning, which never an antler has, as well as the reindeer (Rangifer tarandus, alternative name Ren or Karibou), in which both sexes have an antler. Because in an enclosure only a male Animals can be kept so reindeer have the big advantage that with female and male antler beams a larger animal population available in a small space stands.
Die Geweihe sind verzweigte Stangen, die jedes Jahr abgeworfen werden und anschließend nachwachsen. Knochenuntersuchungen an Geweihen lassen damit histologische Untersuchungen zu, ohne dass dem Tier ein bleibender Schaden zugefügt werden müsste. Hervorzuheben ist, dass die Versuchstiere im Gegensatz zu herkömmlichen Untersuchungsmethoden Für die anschließenden histologischen und biomechanischen Studien nicht geopfert werden müssen.The Antlers are branched poles that are dropped every year and then regrow. Bone examinations on antlers allow histological examinations without causing any permanent damage to the animal would. It should be emphasized that the experimental animals in contrast to conventional Investigation Methods For the subsequent ones histological and biomechanical studies should not be sacrificed have to.
Der Vorteil eines Rentiergeweihs liegt darin, dass bei gleichem biologischem und mechanischem Verhalten das Rentier keine festen Abwurf und Wachstumszeiten für das Geweih hat. Dies bedeutet, dass in einer kleineren Herde stets Tiere aufzufinden sind, deren Geweih in einer für die Tierstudie günstigen Wachstumsphase ist.Of the The advantage of a reindeer antler is that at the same biological and mechanical behavior the reindeer does not have solid dropping and growing times for the Has antlers. This means that in a smaller herd always animals whose antlers are favorable for the animal study Growth phase is.
Somit ist man nicht an die Wachstumssaison gebunden, wie es bei Hirschen oder anderen geweihtragenden Tieren der Fall wäre.Consequently you are not tied to the growing season, as is the case with deer or other antler-bearing animals.
Die Größe der Rentiere zusammen mit der leichten Domestizierbarkeit erlaubt eine Behandlung ohne Vollnarkose. Die Größe der Rentiere schwankt sehr mit dem Verbreitungsgebiet. Die Kopfrumpflänge reicht von 120 bis 220 Zentimeter, die Schulterhöhe von 90 bis 140 Zentimeter, das Gewicht von 60 bis 300 Kilogramm. Das manuelle Fixieren des Kopfes und eine Therapie mit erfolgter Oberflächenanästhesie sind bei Rentieren möglich. Hirsche, Elche oder andere Geweihträger können auf diese minimalinvasive Art nicht therapiert werden.The Size of reindeer together with easy domestication allows treatment without General anesthetic. The size of the reindeer varies a lot with the circulation area. The body length is sufficient from 120 to 220 centimeters, the shoulder height from 90 to 140 centimeters, the weight of 60 to 300 kilograms. Manual fixing of the Head and a therapy with surface anesthesia are in reindeer possible. Deer, moose or other antlers can access these minimally invasive Type can not be treated.
Untersuchungen an Geweihen im Vergleich zu intraoralen Untersuchungen bieten den entscheidenden Vorteil, dass die Belastung auf Implantate im Geweihknochen mit einer frei definierten Kraft und Richtung sehr genau und zielgerichtet appliziert werden kann. Die Tiere werden weder bei der Nahrungsaufnahme noch bei der Fortbewegung durch die Belastungsvorrichtung gestört. Da Geweihe während der aktiven Wachstumsphase von dem empfindlichen Bast geschützt sind, vermeiden die Tiere unnötigen und in dieser Phase sehr schmerzhaften Revierkampf oder Kontakt mit dem Geweih an Fremdflächen (z.B. Äste, Bäume usw.) und sichern damit den Verbleib von technischen Vorrichtungen wie der Belastungsvorrichtung gemäß Ausführungsform (2) am Geweih.investigations on antlers compared to intraoral examinations provide the decisive advantage that the load on implants in the antler bone with a freely defined force and direction very accurately and purposefully can be applied. The animals are neither at the food intake still disturbed during locomotion by the loading device. Because antlers during the active growth phase are protected by the sensitive bast, avoid the animals unnecessary and in this phase very painful territorial fighting or contact with the antlers on foreign surfaces (for example, branches, Trees, etc.) and thus ensure the whereabouts of technical devices such as the loading device according to the embodiment (2) on the antlers.
Das erfindungsgemäße Verfahren (1) umfasst in-vitro-Untersuchungen der Knochenstoffwechselvorgänge und Knochengewebeveränderungen an Proben, welche den geweihtragenden Tieren entnommen wurden, bzw. an Teilen der Geweihe. Dabei wird insbesondere das zeitliche Verhalten von Implantaten unter verschiedenen Belastungen im knöchernen Lagergewebe untersucht. Dafür werden nach Ablaufen vordefinierter Belastungszeiten im Geweih histologische und biomechanische Untersuchungen durchgeführt.The inventive method (1) includes in vitro studies of bone metabolism processes and Bone tissue changes on samples taken from the antlers, or on parts of the antlers. In particular, the temporal behavior is of implants under different loads in the bony Stock tissues examined. Therefore become histological after expiration of predefined exposure times in antlers and performed biomechanical investigations.
Im Folgenden wird die Durchführung des Verfahrens (1) unter Verwendung von Rentieren vorgestellt. Alle Darstellungen gelten jedoch ohne Beschränkung der Allgemeinheit auch für andere geweihtragende Tiere. Rentiere eignen sich jedoch besonders für die erfindungsgemäßen Untersuchungen, da das Rentiergeweih in seiner Knochenstruktur dem humanen Knochen sehr ähnlich ist. Zudem ist das Geweihwachstum beim Rentier nicht an eine feste Saison gebunden, womit praktisch durchgängig Tiere mit Geweihen in gewünschter Wachstumsphase und damit auch Präparate für die Untersuchungen zur Verfügung stehen.in the Following is the implementation of the method (1) presented using reindeer. All However, representations also apply without restriction of generality for others antlering animals. Reindeer are particularly suitable for the investigations of the invention, there the reindeer antler in its bone structure the human bone very similar is. In addition, the antler growth in reindeer is not a fixed Seasonally bound, bringing virtually consistent animals with antlers in desired Growth phase and thus also preparations for the Examinations available stand.
In das Geweih eines Rentieres werden Implantate inseriert. Im gleichen Behandlungstermin werden drei dieser Implantate mit jeweils einer Belastungsvorrichtung, bevorzugt einer Belastungsvorrichtung wie in Ausführungsform (2), versehen. Die Belastungsvorrichtungen werden so programmiert, dass über längere Zeiträume (maximal 6 Wochen mit einer Akkuladung) autark unterschiedliche intraorale Belastungen simuliert werden. Die Implantate können in allen beliebigen Richtungen und mit verschiedenen Kräften belastet werden. So werden in einer bevorzugten Ausführungsform bei dem ersten Implantat rein axiale Belastungen von 100 N angestrebt, das zweite Implantat wird exzessiv axial und das dritte Implantat mit axialen und nichtaxialen Kräften belastet. Nach Ablauf einer vorher festgelegten Zeit werden unter örtlicher Betäubung mit einer Osteotomiesäge oder einem rotierenden Instrument die Geweihbereiche, die die Implantate enthalten, entnommen. Diese Präparate werden weiter aufbereitet [Li C, Suttie JM, 2003] und zum immunhistologischen Nachweis von belastungsabhängigen Signalstoffen verwendet. Im gleichen OP-Termin werden ebenso wie oben beschrieben 4 neue Implantate eingesetzt, um osseodynamische Veränderungen während einer zwölfwöchigen Einheilungsphase zu untersuchen. Dabei werden ab der zweiten Woche calciumaffine Farbstoffe intravenös injiziert. Die Präparatentnahme erfolgt wie vor beschrieben, die Präparate werden für die Histologie weiter aufbereitet.In the antler of a reindeer implants are inserted. In the same Treatment appointment will be three of these implants, each with one Loading device, preferably a loading device such as in embodiment (2). The load devices are programmed so that for longer periods (max 6 weeks on a single charge) autarkic intraoral loads be simulated. The implants can be in any direction and with different powers be charged. Thus, in a preferred embodiment in the first implant purely axial loads of 100 N sought, the second implant becomes excessively axial and the third implant with axial and non-axial forces loaded. After expiration of a predetermined time are under local anesthesia with an osteotomy saw or a rotating instrument the antler areas that the implants contained, taken. These preparations are further processed [Li C, Suttie JM, 2003] and for immunohistological detection of load-dependent Signaling substances used. In the same surgery appointment as well as described above 4 new implants used to osseodynamic changes while a twelve-week healing period to investigate. From the second week, calcium-affine dyes will be used intravenous injected. The preparation takes place as described before, the preparations be for the Histology further processed.
Ein Teil der Präparate wird in einem besonders bevorzugten Aspekt des Verfahrens vor der histologischen Aufbereitung noch experimentell-biomechanisch untersucht, um Belastungs/Auslenkungscharakteristika zu bestimmen. Im einem weiteren bevorzugten Aspekt werden Vermessungen mit geeigneten computertomographischen Methoden durchgeführt, um die Rekonstruktion der Implantat/Präparat-Geometrien zu ermöglichen. Die Geometrien können anschließend in numerische Modelle konvertiert werden.One Part of the preparations is in a particularly preferred aspect of the method before the histological preparation still experimental-biomechanically examined, to determine load / displacement characteristics. In one Another preferred aspect is surveying with suitable computed tomography Methods carried out to enable the reconstruction of implant / specimen geometries. The geometries can subsequently be converted into numerical models.
Im erfindungsgemäßen Verfahren (1) werden also die Knochenumbauprozesse nach Implantation untersucht. Zur quantitativen Bestimmung der Knochenumbauprozesse im Implantatlagergewebe wird dabei bevorzugt eine histomorphometrische Analyse durchgeführt (entsprechend ASBMR = Nomenklatur der American Society for Bone and Mineral Research). Immunhistochemische Untersuchungen werden bevorzugt verwendet, um die zellulären Prozesse im Implantatbereich zu untersuchen.in the inventive method (1) the bone remodeling processes after implantation are examined. For the quantitative determination of bone remodeling processes in the implant bearing tissue preferably a histomorphometric analysis is carried out (corresponding to ASBMR = Nomenclature of the American Society for Bone and Mineral Research). Immunohistochemical studies are preferably used to the cellular Investigate processes in the implant area.
Die Materialeigenschaften des Knochens basieren neben der Zusammensetzung der extrazellulären Matrix insbesondere auf deren Mineralisationsgrad. Dieser dynamische Vorgang wird in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform mittels Kno chensequenzanalyse bestimmt. Die Kombination der verschiedenen Untersuchungsverfahren ermöglicht es schliesslich in einem besonders bevorzugten Aspekt der Ausführungsform (1), die Knochenregenerationsprozesse in ihrer Komplexität beurteilen.The Material properties of the bone are based on the composition the extracellular Matrix in particular on their degree of mineralization. This dynamic Operation is in a further preferred embodiment by means of bone chensequenzanalyse certainly. The combination of different examination methods allows finally in a particularly preferred aspect of the embodiment (1), assessing the complexity of bone regeneration processes.
In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens (1) dienen biomechanische Untersuchungen am erfindungsgemäßen Tiermodell, und der Vergleich dieser Ergebnisse mit entsprechenden histologischen Untersuchungen, zur Deutung der Knochenumbauvorgänge um sofortbelastete Dentalimplantate.In a very particularly preferred embodiment of the method (1) serve biomechanical investigations on the animal model according to the invention, and the comparison of these results with appropriate histological Investigations to interpret the bone remodeling processes around immediately loaded dental implants.
Für die Simulation der Implantatbelastungen wird des weiteren mit Ausführungsform (2) der vorliegenden Erfindung eine autarke, programmierbare Belastungsvorrichtung bereitgestellt, die am Geweih befestigt werden kann. In ähnlichen Tierversuchen z.B. an Schafstibia wurden die Versuchstiere wiederholt anästhetisiert und zyklische Belastungen von etwa 100 N auf die in die Tibia inserierten Implantate über Zugdrähte oder Hebelkonstruktionen aufgebracht. Abgesehen von der hohen Belastung für die Tiere durch die wiederholte Anästhesie wäre dieses Vorgehen im Rentiermodell völlig unpraktikabel. Daher wurde eine unabhängig arbeitende Belastungsvorrichtung konstruiert, die am Geweih befestigt werden kann und gesteuert über einen Mikro-Computer die zyklischen Belastungen auf das Implantat gemäß einem einprogrammierten Belastungsprotokoll aufbringt.For the simulation of the implant loads, further, with embodiment (2) of the present invention, a self-sufficient, programmable loading device is provided, which is attached to the antler can be attached. In similar animal experiments, for example on sheep tibia, the experimental animals were repeatedly anaesthetized and cyclic loads of about 100 N applied to the implants inserted into the tibia via pull wires or lever constructions. Apart from the high burden on the animals due to repeated anesthesia, this procedure in the reindeer model would be completely impractical. Therefore, an independently operating loading device has been constructed that can be attached to the antlers and controlled by a microcomputer to apply the cyclic loads to the implant according to a programmed loading protocol.
In
An
dem Gehäuse
Aufbau
und Wirkungsprinzip der erfindungsgemäßen Belastungsvorrichtung sind
wie folgt: Das ringförmige
Gehäuse
Das erfindungsgemäße Tiermodell gemäß Ausführungsform (3) umfasst bevorzugt die Belastungsvorrichtung gemäß Ausführungsform (2).The animal model according to the invention according to embodiment (3) preferably comprises the loading device according to the embodiment (2).
Das erfindungsgemäße Verfahren (1), die erfindungsgemäße Belastungsvorrichtung (2) und das erfindungsgemäße Tiermodell (3) eignen sich zur Entwicklung und vorklinischen Prüfung neuer Knochenersatzmaterialien zur Knochenregeneration, neuer Implantate und auch neuartiger Behandlungskonzepte.The inventive method (1), the loading device according to the invention (2) and the animal model of the invention (3) are suitable for development and preclinical testing of new Bone replacement materials for bone regeneration, new implants and also novel treatment concepts.
Das erfindungsgemäße Verfahren (1) kann ferner eingesetzt werden, um numerische Modelle zu entwickeln, mit denen die Gewebeumbauprozesse um die Implantate im Geweih entsprechend der Situation im Tierversuch simuliert werden können. Durch Vergleich der Simulationsergebnisse mit den Ergebnissen der experimentell-biomechanischen Studie wird ein validiertes theoretisches Modell der Knochenumbauprozesse um sofortbelastete Implantate zur Verfügung gestellt, mit dem die Simulation klinischer Belastungssituationen und die Voraussage eventueller Risikosituationen bei sofortbelasteten Implantaten möglich ist.The inventive method (1) can also be used to develop numerical models with which the tissue remodeling processes around the implants in antlers accordingly the situation in animal experiments can be simulated. By comparing the simulation results with the results of the experimental biomechanical study a validated theoretical model of bone remodeling processes Immediately loaded implants provided with which the Simulation of clinical stress situations and the prediction of possible Risk situations for immediately loaded implants is possible.
Ein bevorzugtes Einsatzgebiet des Verfahrens (1) ist die klinische, biomechanische und histologische Beurteilung des Verhaltens sofortbelasteter Dentalimplantate, um deren Funktion als Verankerung von Einzelzahnersatz hauptsächlich im Seitenzahnbereich zu optimieren und das Risiko eines Implantatverlustes zu minimieren.One preferred field of application of the method (1) is the clinical, biomechanical and histological assessment of the behavior of immediately loaded dental implants, to their function as anchoring of single tooth replacement mainly in the To optimize posterior region and the risk of implant loss to minimize.
Aus dem Tiermodell (3) lassen sich zudem auf Geweihbasis neue Knochenersatzmaterialien zur Knochenregeneration und Implantate entwickeln.Out the animal model (3) can be on antler basis new bone replacement materials to develop bone regeneration and implants.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele illustriert, welche jedoch nicht limitierend für den Erfindungsgegenstand sein sollen.The Invention is illustrated by the following examples, which but not limiting for the Subject of the invention should be.
BeispieleExamples
Beispiel 1: BelastungsvorrichtungExample 1: Loading device
Ein kurzbauender Piezotranslator (Modell P-830.20 der Fa. Physik Instrumente) dient als Belastungsvorrichtung. Bei einer maximalen Auslenkung von ca. 50 μm und einer maximalen Last von 1000 N ist dies ein ideales Gerät für die Durchführung kontrollierter zyklischer Belastungen, da die Auslenkung über die Spannung gesteuert und geregelt werden kann. Auch ist die Anstiegszeit der Auslenkung extrem kurz, was die Realisierung sehr dynamischer Belastungen erlaubt. Schrittmotoren, Gleichstrommotoren oder Linearversteller sind hier wesentlich langsamer und müssen mit einem nicht unerheblichen Aufwand mit, Getrieben und weiterer Mechanik versehen werden. Dagegen kann die Piezostelleinrichtung als linearer Direktantrieb eingesetzt werden. Für die Ansteuerung der Piezostelleinrichtung dient ein Single-Board-Computer der Fa. Phytec (Phytec nanoModul-164, mit integriertem Analog/Digital-Wandler). Das Modul hat etwa die Größe einer Scheck-Karte und eignet sich mit dem integrierten A/D-Wandler ideal für die gestellte Aufgabe als Controller eines kompakten, integrierten Gerätes. Über ein Programm, das in den Mikrocontroller geladen wird, steuert der A/D-Wandler einen Leistungs-Transistor (Typ SIPMOS der Fa. Siemens), der wiederum die Spannungsversorgung der Piezostelleinrichtung regelt. Somit kann die Belastungsvorrichtung vollständig autark zyklische Belastungen über einen definierten Zeitraum und mit protokollierten Lastfrequenzen auf die Implantate aufbringen. Die Stromversorgung erfolgt über Akku- oder Batteriepacks.A short-building piezotranslator (model P-830.20 from the company Physik Instrumente) serves as a loading device. With a maximum deflection of approx. 50 μm and a maximum load of 1000 N, this is an ideal device for carrying out con trolled cyclic loads, since the deflection can be controlled and regulated by the voltage. Also, the rise time of the deflection is extremely short, which allows the realization of very dynamic loads. Stepper motors, DC motors or linear adjusters are here much slower and must be provided with a considerable effort with, gears and other mechanics. In contrast, the piezo actuator can be used as a linear direct drive. For the control of the piezoelectric device is a single-board computer Fa. Phytec (Phytec nanoModul-164, with integrated analog / digital converter). The module is about the size of a check card and, with the integrated A / D converter, is ideally suited for the given task as controller of a compact, integrated device. Via a program that is loaded into the microcontroller, the A / D converter controls a power transistor (type SIPMOS from Siemens), which in turn regulates the voltage supply of the piezo actuator. Thus, the loading device completely self-sufficient cyclic loads over a defined period of time and with recorded load frequencies on the implants apply. Power is supplied by battery or battery packs.
Beispiel 2: Experimente an RentiergeweihenExample 2: Experiments to reindeer antlers
Fortwährend wurde
jeweils das Geweih eines Rentieres gemäß dem in
Ein Teil der Präparate wurde vor der histologischen Aufbereitung noch im Kopf-CT oder aber in einem μCT-Scanner gemessen. Ebenfalls wurden diese Präparate in den biomechanischen Messaufbauten untersucht und die CT-Scans dienten der Rekonstruktion der Präparate-Geometrie für die FE-Analysen.One Part of the preparations was still in the head CT before histological preparation or else in a μCT scanner measured. Also, these preparations were in the biomechanical Measurement setups were examined and the CT scans were used for the reconstruction of the preparations geometry for the FE analyzes.
Beispiel 3: HistochemieExample 3: histochemistry
(A) Aufbereitung der Gewebe für die Histologie(A) Preparation of the tissues for the histology
Nach Entnahme der Proben erfolgte eine sofortige Fixierung in 4% gepuffertem Paraformaldehyd bei 4°C für mindestens 1 Tag und anschließend die Entkalkung in 4% EDTA-Lösung für 4 Wochen. Danach wurden die Präparate in Paraffin orientiert eingebettet. Von den Präparaten wurden sagittale Serienschnitte mit einer Dicke von 5 μm hergestellt und ausgewählte Schnitte mit Übersichtsfärbungen (z.B. H.E.) angefärbt. Somit ist die Beurteilung der Knochenumbauvorgänge im ausgewählten Bereich vestibulär vom Implantat möglich.To Removal of the samples was followed by immediate fixation in 4% buffered Paraformaldehyde at 4 ° C for at least 1 day and then the decalcification in 4% EDTA solution for 4 weeks. After that the preparations became embedded in paraffin-oriented. From the specimens were sagittal serial sections with a thickness of 5 microns made and selected Sections with overview dyeings (e.g., H.E.) stained. Thus, the assessment of bone remodeling is within the selected range vestibularly possible from the implant.
(B) Histochemische Färbungen(B) Histochemical staining
Zur Identifizierung der an Umbauvorgängen beteiligten Osteoklasten bzw. Odontoklasten und deren mononuklären Vorläufer wurde an ausgewählten Schnitten ein histochemischer Nachweis der Tartrat-resistenten sauren Phosphatase (TRAP), zur Identifizierung von Osteoblasten bzw. Zementoblasten ein Nachweis der alkalischen Phosphatase (AP) durchgeführt.to Identification of those involved in conversion operations Osteoclasts or Odontoklasten and their mononuclear precursors was on selected cuts a histochemical detection of tartrate-resistant acid phosphatase (TRAP), for the identification of osteoblasts or cementoblasts a detection of alkaline phosphatase (AP) performed.
(C) Immunhistochemische Untersuchungen(C) Immunohistochemical investigations
Mit Hilfe von spezifischen Nachweisreaktionen wurden folgende immunhistochemische Untersuchungen zum Nachweis der verschiedenen Marker der Knochenumbauvorgänge in Folge von mechanischer Belastung durchgeführt: Cycloxygenase-2 (COX-2), endotheliale Nitricoxidsynthase (eNOS), die Wachstumshormone: Insulin Like Growth Factor (IGF-1 und -2), Transforming Growth Factor-β (TGF-β) und Interleukin-6 (IL-6).With Help of specific detection reactions were following immunohistochemical Investigations to prove the different markers of bone remodeling in a row performed by mechanical stress: cycloxygenase-2 (COX-2), endothelial nitric oxide synthase (eNOS), the growth hormone: insulin Like Growth Factor (IGF-1 and -2), Transforming Growth Factor-β (TGF-β) and Interleukin-6 (IL-6).
An ausgewählten Schnitten wurden immunhistochemische Nachweise mit Hilfe kommerziell erhältlicher schweinespezifischer Antikörper nach Etablierung entsprechender Protokolle durchgeführt. Je nach Antikörper erfolgte der Nachweis mit Hilfe direkter oder indirekter Verfahren und der Visualisierung mit der ABC-Methode.At chosen Sections were immunohistochemical evidence using commercially available pig-specific antibody after establishing appropriate protocols. Depending on antibody Evidence was provided by means of direct or indirect procedures and visualization using the ABC method.
(D) Morphometrische Auswertung(D) Morphometric evaluation
Zur quantitativen Beschreibung der rekrutierten Osteoklasten und Osteoblasten wurden morphometrische Auswertungen durchgeführt. Die Auswertungen können über ein vorhandenes System computergestützt erfolgen. Dabei werden jeweils pro Präparat fünf Schnitte mit einem Abstand von jeweils 40 μm ausgewertet. In der ausgewählten Knochenregion, die einen Bereich von der Kontaktfläche zum Implantat bis zum Periost enthält, werden folgende Parameter bestimmt:
- – Anzahl der multinuklären Osteoklasten und ihre mononuklären Vorläufer,
- – Anzahl der Osteoblasten und
- – Fläche der Areale bzw. Anzahl der Zellen mit positiver Immunreaktion auf das Zytokin IL-6 und die Wachstumsfaktoren TGF-β, IGF-1 und -2, sowie die Enzyme eNOS und COX-2.
- - number of multinucleated osteoclasts and their mononuclear precursors,
- Number of osteoblasts and
- Area of the areas or number of cells with positive immune reaction to the cytokine IL-6 and the growth factors TGF-β, IGF-1 and -2, as well as the enzymes eNOS and COX-2.
Beispiel 4: FluoreszenzuntersuchungenExample 4: Fluorescence Studies
(A) Aufbereitung der Gewebe für die dynamische Histomorphometrie(A) Preparation of the tissues for the dynamic histomorphometry
Die vier Implantate mit dem umgebenden Knochengewebe wurden aus dem Geweih herausgesägt und in 4% gepuffertem Paraformaldehyd bei 4 °C für 48 Stunden fi xiert. Anschließend erfolgte eine Dehydrierung der Präparate in einer aufsteigenden Alkoholreihe (70-100%) und Einbettung in Methylmetacrylat. Im nächsten Schritt werden Schnitte entlang der Implantatlängsachse angefertigt (Trenn-Dünnschliff-Technik nach Donath, 1988). Der Vergleich der osteodynamischen Befunde um die Implantate erfolgt durch Selektion von drei mittleren Bereichen des Implantates. Diese Schnitte wurden auf 10 μm dünngeschliffen.The Four implants with the surrounding bone tissue were removed from the Sawed out antlers and fixed in 4% buffered paraformaldehyde at 4 ° C for 48 hours. Then took place a dehydration of the preparations in an ascending alcohol series (70-100%) and embedded in Methyl methacrylate. In the next Cuts are made along the longitudinal axis of the implant (Donath thin-section technique, 1988). The comparison of the osteodynamic findings around the implants is done by selecting three middle areas of the implant. These sections were at 10 μm ground thin.
(B) Dynamische Histomorphometrie(B) Dynamic histomorphometry
Zur quantitativen Beschreibung der osteodynamischen Knochenumbauvorgänge werden morphometrische Auswertungen durchgeführt. Die folgenden Parameter werden mit Hilfe eines Fluoreszenzmikroskops gemessen: Prozentsatz der Knochenapposition an der Implantatoberfläche, Prozentsatz der Knochenanlagerungsfläche, Prozentsatz der doppel- und dreifachmarkierten Knochenoberfläche, Mineralanlagerungsrate bezogen auf die Schnittfläche und der Prozentsatz der Knochresorption um das Implantat.to quantitative description of osteodynamic bone remodeling processes morphometric evaluations performed. The following parameters are measured using a fluorescence microscope: percentage the bone apposition at the implant surface, percentage of bone attachment area, percentage double and triple labeled bone surface, mineral accumulation rate based on the cut surface and the percentage of bone resorption around the implant.
Beispiel 5: Experimentelle und numerische Untersuchungen der ImplantatbeweglichkeitExample 5: Experimental and numerical studies of implant mobility
(A) Vermessung von Präparaten(A) Measurement of preparations
Im Rahmen von Untersuchungen zur Primärstabilität von Dentalimplantaten wurde festgestellt, dass diese in der Größenordnung einiger 100 μm liegen können und sich aus Translationen und Rotationen zusammensetzen. Bei vollständiger Osseointegration ist die Distanz zwischen Oxidschicht des Titans und dem mineralisierten Knochengewebe nur wenige Nanometer. Abhängig von der lokalen Knochendichte und der Anzahl der Gewindegänge im Implantat wird die Größenordnung der Bewegungen dann nur einige 10 μm betragen. Um die Präparate mit gesetzten Implantaten vermessen zu können, müssen daher Messaufbauten mit unterschiedlichen Auflösungen und Kraftbereichen eingesetzt werden. Derartige Messsysteme stehen in Form des MOMS und HEXMES zur Verfügung. Sie erlauben beide die vollständige dreidimensionale Vermessung angreifender Kraftsysteme und der resultierenden Auslenkungen.in the Framework of studies on the primary stability of dental implants was found that these are of the order of a few 100 microns can and composed of translations and rotations. With complete osseointegration is the distance between the oxide layer of titanium and the mineralized Bone tissue only a few nanometers. Depending on the local bone density and the number of threads in the implant becomes the order of magnitude the movements then only a few 10 microns. To the preparations with Measuring implants must therefore be able to measure set implants different resolutions and force areas are used. Such measuring systems are available in the form of MOMS and HEXMES available. They both allow the full three-dimensional Measurement of attacking force systems and the resulting deflections.
Die Funktionalität und die Genauigkeit der beiden Messsysteme in Bezug auf die Einsatzmöglichkeiten der biomechanischen Analyse des Implantatverhaltens werden zunächst an Hand verschiedener Proben überprüft. Als Proben können alle Arten von Knochen verwendet werden, die eine Schicht Kortikalis mit darunter liegender, ausreichend vorhandener Spongiosa aufweisen. Es können z.B. Schweineunterkiefer verwendet werden, die im Schlachthof erworben, unter standardisierten Bedingungen aufgearbeitet und bearbeitet werden. Des Weiteren sollen Segmente von Geweihen mit Implantaten versehen werden und ebenfalls in den Messaufbauten untersucht werden. In diese Präparate werden Implantate inseriert, und die Primärstabilität wird gemessen. Erst anschließend werden die in den vorhergehenden Beispielen gewonnenen Präparate analysiert.The functionality and the accuracy of the two measuring systems in terms of applications The biomechanical analysis of the implant behavior will be first Hand of different samples checked. When Samples can All types of bones are used which have a layer of cortical bone with underlying, sufficiently present cancellous bone. It can e.g. Pork jaw acquired in the slaughterhouse, processed and processed under standardized conditions become. Furthermore, segments of antlers with implants be provided and also be examined in the measurement setups. In these preparations are Implants are inserted and primary stability is measured. Only then will be analyzed the preparations obtained in the previous examples.
(B) Rekonstruktion der Präparat-Geometrie und Sensitivity-Analyse(B) reconstruction of Preparation geometry and sensitivity analysis
Es werden FE-Modelle der bereits vermessenen Präparate generiert. Hierfür wird sowohl die oben beschriebene Software CAGOG als auch ein kommerzielles Programm der Firma Materialise, Leuven eingesetzt. Es werden Modelle auf der Basis histologischer Schnitte (CAGOG) und von Kopf-CT- oder μCT-Aufnahmen (Materialise-MIMICS) zur Berechnung mit den diversen vorhandenen FE-Paketen erzeugt. Die Geometrie und die Dichte aus dem CT oder dem μCT ergeben ein sehr genaues FE-Modell des Knochens. Für die Geometrierekonstruktion aus den CTs wird die Software MIMICS benötigt. Desweiteren können die mechanischen Gewebeparameter anhand von Hounsfield-Einheiten in dem Programm MIMICS berechnet werden. Die Umrechnung der Dichtedaten des CT in Elastizitätsmodulwerte kann auf der Basis der Arbeiten von Rietbergen et al. erfolgen. Die Werte können in MIMICS automatisch dem entsprechenden Element zugeordnet werden. An die Modellentwicklungen schließen sich Untersuchungen an, die die Sensitivität der Modelle gegen Geometrieänderungen, Einfluss der Elementzahl und Randbedingungen abschätzen. Hierzu zählt insbesondere die Modellierung der Randbedingungen im Bereich der Implantat/Knochengrenzfläche.FE models of already measured preparations are generated. For this purpose, both the software described above CAGOG and a commercial program of the company Materialize, Leuven is used. Models based on histological sections (CAGOG) and head CT or μCT images (Materialize-MIMICS) are generated for calculation with the various existing FE packages. The geometry and density of the CT or μCT gives a very accurate FE model of the bone. For the geometry construction from the CTs the software MIMICS is needed. Furthermore, the mechanical tissue parameters can be calculated using Hounsfield units in the MIMICS program. The conversion of the density data of the CT into Young's modulus values can be based on the work of Rietbergen et al. respectively. The values can be automatically assigned to the corresponding element in MIMICS. The model developments are followed by investigations which estimate the sensitivity of the models against geometry changes, the influence of the number of elements and boundary conditions. This includes in particular the modeling of the boundary conditions in the area of the implant / bone interface.
Um eine Konvergenz der Ergebnisse zu erhalten ist es notwendig, eine Variation von Vernetzungsdichte, Spongiosa und Kortikalis durchzuführen. Die verwendeten Materialparameter müssen an Hand mehrerer Präparate verifiziert werden. Ferner müssen der Einfluß der Anisotropie der Spongiosa und der Kortikalis, die Inhomogenitäten von Knochenstrukturen und eventuell vorhandene Nichtlinearitäten im Materialverhalten untersucht werden.Around It is necessary to obtain a convergence of results Variation of crosslink density, spongiosa and cortex to perform. The used material parameters on the basis of several preparations be verified. Furthermore, must the influence of Anisotropy of cancellous bone and cortical bone, inhomogeneities of Bone structures and possibly existing nonlinearities in the material behavior to be examined.
(C) Validierung der numerischen Ergebnisse(C) validation of the numerical Results
Um die gemessenen und berechneten Verschiebungen miteinander vergleichen zu können, müssen sie von dem gleichen Präparat stammen. Bei einer Übereinstimmung der theoretischen und experimentellen Verschiebungen kann davon ausgegangen werden, dass im Rahmen einer gewissen Fehlertoleranz das aufgestellte Modell realistisch ist, die verwendeten Materialparameter das Verhalten aller modellierten Strukturen zutreffend wiedergeben, und dass die berechneten Spannungs/Verzerrungsmuster den tatsächlich auftretenden entsprechen. Somit kann ein Vergleich der ermittelten Spannungs-/Verzerrungsmuster mit klinischen Erfahrungen erfolgen. Die klinischen Daten liefern Aufschluss über die zeitliche Reihenfolge von angebautem und abgebautem Knochen sowie dessen Dichte und wird eine eindeutigere Aussage ermöglichen, inwieweit bei diesen Prozessen die Lastverteilung im Knochen beteiligt ist. Zudem bietet der Vergleich von experimentellen und numerischen Ergebnissen an Schweinekiefersegmenten und an Geweihsegmenten einen Hinweis darauf, inwieweit sich das neue Tiermodell als mechanisch und biomechanisch geeignet erweisen kann.Around compare the measured and calculated shifts they have to be able to from the same preparation come. At a match Theoretical and experimental shifts may be of this be assumed that under some fault tolerance the set up model is realistic, the material parameters used accurately reflect the behavior of all modeled structures, and that the calculated stress / strain patterns are actually occurring correspond. Thus, a comparison of the determined stress / distortion patterns done with clinical experience. Provide the clinical data Information about the chronological order of cultivated and degraded bones as well as its density and will allow a clearer statement To what extent the load distribution in the bone is involved in these processes. In addition, the comparison offers experimental and numerical results on pig segments and on antler segments an indication that to what extent the new animal model is considered mechanical and biomechanical may prove suitable.
Beispiel 6: Entwicklung einer Bone Remodeling-Theorie zur Simulation der ImplantateinheilungExample 6: Development a bone remodeling theory to simulate implant healing
(A) Theoretische Entwicklungen für die Beschreibung des Knochenumbaus um Dentalimplantate(A) Theoretical developments for the Description of bone remodeling around dental implants
Änderungen der Knochenstruktur dürfen in den zu entwickelnden Modellen – ebenso wie im biologischen System – nur bei Abweichungen von einem Gleichgewichtszustand ablaufen. Dieser Gleichgewichtszustand ist dadurch charakterisiert, dass sich die Knochenan- und abbauprozesse die Waage halten und keine makroskopischen Änderungen der mechanischen Eigenschaften oder der Geometrie auftreten dürfen. Durch das Einbringen des Implantats ist die physiologische Belastung des Alveolarknochens geändert, da das parodontale Ligament und die hierdurch festgelegte Art der Lasteinleitung wegfallen.amendments the bone structure allowed in the models to be developed - as well as in the biological System - only in the event of deviations from a state of equilibrium. This Equilibrium state is characterized by the fact that the Bone growth and dismantling process balance and no macroscopic changes mechanical properties or geometry may occur. By the introduction of the implant is the physiological burden of the implant Alveolar bone changed, because the periodontal ligament and the thus determined type of Load introduction omitted.
Diese beiden Punkte stellen einen deutlichen Unterschied zu den entwickelten Modellen der orthodontischen Zahnbewegung dar: Bei diesen Modellen war die Hauptbelastung und auch das Signal zum Knochenumbau im Desmodont zu sehen und die Struktur von Zahn und Zahnhalteapparat wurde nicht geändert. Insofern können die entwickelten Routinen nicht direkt auf die hier gegebene Aufgabenstellung übertragen werden. Des Weiteren kann die kieferorthopädische Krafteinleitung als eine Überlagerung der normalen Belastungen des stomatognathen Systems durch Kauen, Schlucken usw. betrachtet und dadurch als isoliertes Problem berechnet werden. Bei der hier zu betrachtenden Aufgabenstellung besteht die Belastung des Alveolarknochens aber gerade aus diesen normalen, physiologischen Belastungen, die sich zu einer Gesamtbelastung des Knochens über eine gewisse Zeitspanne aufaddieren.These Both points make a clear difference to the developed ones Models of orthodontic tooth movement: In these models was the main load and also the signal for bone remodeling in the periodontal ligament to see and the structure of tooth and periodontium was not changed. insofar can The developed routines are not transferred directly to the given task become. Furthermore, the orthodontic force application as a superposition of the normal strains of the stomatognathic system by chewing, swallowing etc. and thus calculated as an isolated problem. at The task to be considered here is the burden of alveolar bone but just from this normal, physiological Strains that result in a total strain of the bone over a add up a certain amount of time.
Die auftretenden zyklischen Deformationen des Alveolarknochens stellen die Erhaltung der Knochenstruktur sicher; es besteht also ein Gleichgewicht zwischen physiologischer Belastung und Knochenstruktur sowie -form. Durch Einbringen des Implantats wird dieses Gleichgewicht gestört, und innerhalb der vorgegebenen Verzerrungsbereiche ändert sich auch das Gleichgewicht zwischen Knochenanbau und – abbau. Dieses Verhalten ist auch in dem Tiermodell zu erwarten, wobei durch Einbringen und Belasten des Implantates in das Geweih das normale Wachstum und die Knochenstruktur deutlich beeinflusst werden sollten. Durch die kontrollierte und protokollierte Lasteinleitung über die in Beispiel 1 beschriebenen neuen Geräte ergibt sich zudem die Möglichkeit, das Belastungsprotokoll in den numerischen Studien exakt nachzuvollziehen und die biologische Reaktion mit den mechanischen Belastungsgrößen zu korrelieren.The occur cyclic deformations of the alveolar bone the preservation of the bone structure safely; So there is a balance between physiological stress and bone structure and shape. By introducing the implant this balance is disturbed, and Within the given distortion ranges, the equilibrium also changes between bone cultivation and degradation. This behavior is also to be expected in the animal model, by Inserting and loading the implant into the antler normal growth and the bone structure should be significantly influenced. By the controlled and logged load transfer via the The new devices described in example 1 also give the possibility accurately reproduce the load protocol in the numerical studies and to correlate the biological response with the mechanical stress levels.
Demzufolge ist eine Theorie zu entwickeln, die zunächst durch die zyklischen physiologischen Belastungen die Aufrechterhaltung der Knochenstruktur beschreiben kann. Die Entwicklungen sind in Richtung einer verzerrungsgesteuerten Dichteänderung der Spongiosa zu betreiben. Diese Dichteänderung äußert sich dann in einer Änderung der Materialparameter, die in einem iterativen Prozess an die geänderte mechanische Situation anzupassen sind. Es sind dabei Schwell- und Grenzwerte zu betrachten sind, innerhalb derer die Knochendichte ausschließlich abnimmt, konstant bleibt oder auch zunimmt.As a result, is to develop a theory, first by the cyclic physiological loads can describe the maintenance of bone structure. The Developments are towards a distortion-controlled density change to operate the cancellous bone. This density change then manifests itself in a change the material parameters that in an iterative process to the changed mechanical To adapt to the situation. There are thresholds and limits within which the bone density exclusively decreases, remains constant or increases.
Die Arbeiten dieses Abschnitts befassen sich mit der Entwicklung der mathematischen und numerischen Zusammenhänge, der Implementierung in FORTRAN und der Integration als adaptives Finites Element oder als Optimierungsschleife in das FE-System MARC.The work of this section deals with the development of mathematical and numerical relationships, the implementation in FORTRAN and the integration as adaptive finites Element or as an optimization loop in the FE system MARC.
(B) Modellgenerierung und Simulationsrechnungen(B) Model Generation and simulation calculations
Die Arbeiten dieses Abschnitts können sich im Wesentlichen auf die Ergebnisse aus der statischen FEM stützen. Das dort generierte FE-Modell des Implantat/Knochen-Verbundes kann über entsprechende Filter auch an das für diesen Arbeitsabschnitt verwendete FE-Programm übergeben werden. Gleiches gilt für die initial, also bei Start einer Simulationsrechnung, einzusetzenden Materialparameter der Spongiosa und der Kortikalis. Anschließend ist das Implantat entsprechend einer physiologischen Situation zyklisch zu belasten und bei jedem Lastzyklus sind die Verzerrungen zu berechnen und aufzuaddieren. Das so gewonnene Signal beschreibt die Grö ßenordnung des lokalen Reizes für das Bone Remodeling, es wird zur Berechnung der Änderung der Spongiosa-Dichte ausgewertet. Die sich hieraus ergebenden geänderten Materialparameter gehen in ein neues FE-Modell des Implantat/Knochen-Verbundes ein, das sodann wieder auf die bereits beschriebene Art belastet wird. Dieser Zyklus wird so lange fortgesetzt, bis das Modell einen neuen Gleichgewichtszustand erreicht hat, die Dichte der Spongiosa und die zugehörigen Materialparameter sich also nicht mehr ändern.The Working this section can essentially based on the results of the static FEM. The There generated FE model of the implant / bone composite can also have appropriate filters to that for be transferred to this work section used FE program. same for for the initial, ie at the start of a simulation calculation, to be used Material parameters of cancellous bone and cortical bone. Then it is the implant cyclically according to a physiological situation and at each load cycle the distortions are to be calculated and add up. The signal obtained in this way describes the order of magnitude of the local appeal for the bone remodeling, it is used to calculate the change in cancellous bone density evaluated. The resulting changed material parameters go in a new FE model of the implant / bone composite, which then back on the type already described is charged. This cycle will be like this long continued until the model is a new state of equilibrium has reached the density of cancellous bone and the associated material parameters So do not change anymore.
(C) Validierung der Aussagen des Modells(C) validation of the statements of the model
Die Aussagekraft der entwickelten Bone Remodeling-Theorie ist zu beurteilen. Hierzu können verschiedene Resultate aus den Untersuchungen dieses Projekts aber auch ältere Ergebnisse anderer theoretischer, experimenteller oder klinischer Studien herangezogen werden. Die folgenden Untersuchungen sind durchzuführen:
- – Vergleich mit den initial berechneten Verzerrungsmustern und Belastungen aus der statischen FEM bei Einsatz verschiedener Implantate,
- – Vergleich der gemessenen und berechneten Beweglichkeiten eines Implantats im Tiermodell nach einer gewissen Standzeit desselben mit den Beweglichkeiten, die sich aus der Bone Remodeling Theorie nach der entsprechenden Zahl an Simulationszyklen ergibt,
- – Darstellung der Entwicklung der Dichteverteilung, die sich aus der Bone Remodeling-Theorie ergibt und Vergleich mit der Entwicklung der Dichteverteilung im Tiermodell und
- – Vergleich mit klinischen Beispielen (Implantatverlust, Implantatlockerung, abzuleiten aus Patientendokumentationen/Röntgenaufnahmen).
- Comparison with the initially calculated distortion patterns and loads from the static FEM when using different implants,
- - Comparison of the measured and calculated mobility of an implant in the animal model after a certain lifetime thereof with the mobility resulting from the bone remodeling theory after the corresponding number of simulation cycles,
- - Presentation of the evolution of density distribution resulting from the bone remodeling theory and comparison with the development of density distribution in animal models and
- - Comparison with clinical examples (implant loss, implant loosening, to be deduced from patient documentation / X-rays).
Für die Arbeiten wird ein sehr leistungsfähiges Finite Elemente Programmsystem benötigt, das die Implementierung der Remodeling-Routinen erlaubt. Hierfür kommt nur das System MARC in Frage.For the works will be a very powerful Finite element program system requires that implementation the remodeling routines allowed. For this only the system MARC comes in question.
Beispiel 6: Korrelation von Histologie und BiomechanikExample 6: Correlation of histology and biomechanics
In diesem abschließenden Projektabschnitt sollen die biologischen Befunde mit den biomechanischen Ergebnissen korreliert werden. Zunächst wird als Standardverfahren die topografische Verteilung der Osteoklasten und der Osteoblasten histochemisch bestimmt. Sodann wird die Verteilung der oben genannten Faktoren um die Implantate immunhistochemisch untersucht und statistisch aufbereitet. Diese Er gebnisse werden in Form von Balkendiagrammen dargestellt, wobei die Konzentrationen auf der X-Achse gegen die Höhe des Implantates aufgetragen werden. In weiteren Diagrammen werden die Spannungs- und Verzerrungsverteilungen sowohl in Ihren Komponenten als auch als gemittelte Größen ('von-Mises-Spannung', 'Total Strains') ebenfalls als Plot gegen die Höhe des Implantates dargestellt. Diese Diagramme können jeweils über die Höhe des Implantates in Übereinstimmung gebracht werden.In this final one Project section should be the biological findings with the biomechanical Results are correlated. First, as a standard procedure the topographic distribution of osteoclasts and osteoblasts determined histochemically. Then the distribution of the above Factors around the implants were examined immunohistochemically and statistically edited. These results are in the form of bar graphs shown, wherein the concentrations on the X-axis against the Height of Implants are applied. In further diagrams, the voltage and distortion distributions both in your components as well as averaged quantities ('von Mises tension', 'Total Strains') also as a plot against the height of the implant. These diagrams can each be about the Height of Implants in accordance to be brought.
Durch diese Art der Darstellung soll sowohl für jedes untersuchte Zellsystem und jeden Marker als auch für jede untersuchte Belastungsgruppe (axial optimal belastet, unbelastet, axial überbelastet, axial und horizontal belastet) die Korrelation der biomechanischen Ergebnisse mit den zellbiologischen Reaktionen durchgeführt werden. Dies ermöglicht, jeder anatomischen Region um den bukkalen Knochen die mechanischen Größen und die Konzentrationen der Marker bzw. die Anzahl der Zellen mit positiven Reaktion zuzuordnen. Damit kann die direkte Verknüpfung der berechneten mechanischen Reize mit in vivo beobachteten biologischen Reaktionen erzielt werden.By This type of representation is intended for each cell system studied and every marker as well Each tested load group (axially optimally loaded, unloaded, axially overloaded, axial and horizontally loaded) the correlation of biomechanical results be carried out with the cell biological reactions. This allows everyone anatomical region around the buccal bone the mechanical sizes and the concentrations of the markers or the number of cells with positive Assign reaction. This can be the direct link of calculated mechanical stimuli with in vivo observed biological Reactions can be achieved.
Mit der gleichen Vorgehensweise können die morphometrischen Ergebnisse zu den osteodynamischen Knochenumbauvorgängen mit der Spannungs- und Verzerrungsanalyse verglichen werden. Die beschriebene Methode erlaubt erstmalig eine Interpretation der Ergebnisse von drei bei dem Knochenumbau um die Dentalimplantate wichtigen Aspekten, die bislang nur ansatzweise als zusammengehörende Mechanismen untersucht worden sind. Dadurch kann ein großer Beitrag dazu geleistet werden, welche mechanische Größe als Schlüsselreiz wirkt, welche zellregulatorische Aktivität mit großer Wahrscheinlichkeit direkt auf diesen Reiz reagiert und welche Remodellierungsprozesse das Endresultat dieser biomechanischen und biochemischen Parameter darstellen.With the same procedure can the morphometric results of the osteodynamic bone remodeling processes the stress and distortion analysis are compared. The described Method allows for the first time an interpretation of the results of three aspects important in the bone remodeling around the dental implants, the so far only rudimentary examined as belonging together mechanisms have been. This can make a big contribution to it which mechanical quantity acts as a key stimulus, which cell regulatory activity is likely directly responds to this stimulus and which remodeling processes that Represent the end result of these biomechanical and biochemical parameters.
Beispiel 7: Klinische Studie über sofortbelastete Implantate im SeitenzahnbereichExample 7: Clinical Study about Immediately loaded implants in the posterior region
In der klinischen Studie sollen Okklusionskonzepte für sofortbelastete Implantate im Seitenzahnbereich erarbeitet werden. Um die bestehenden Okklusionskonzepte für Implantate zu prüfen und zu überarbeiten, muss auch auf die Belastbarkeit des Implantat-Aufbau-Interfaces eingegangen werden. Es gilt zu klären, ob die vorhandenen Konstruktionsprinzipien auch beim Einzelzahnersatz im Seitenzahnbereich angewandt werden können und den enormen mechanischen Belastungen im Kau zentrum standhalten. Besonders die Belastbarkeit des Verbindungssystems zwischen Implantat und Aufbau spielt eine große Rolle.In the clinical study, occlusion concepts for immediately loaded implants in the posterior region will be developed. To the existing ones Checking and revising occlusion concepts for implants must also address the loading capacity of the implant abutment interface. It must be clarified whether the existing design principles can also be applied to the single tooth replacement in the posterior region and withstand the enormous mechanical stress in the chewing center. In particular, the load capacity of the connection system between implant and abutment plays a major role.
Die prothetische Versorgung von Ankylos-Implantaten erfolgt im Oberkiefer- und Unterkiefer-Seitenzahnbereich. Mindestens ein Nachbarzahn und die Antagonisten müssen erhalten sein. Die Lückenbreite wird auf 12 mm beschränkt. Damit eine ausreichende Belastungsfähigkeit des Knochen-Implantat-Interfaces gewährleistet ist, sollte es das Knochenlager zulassen, Implantate mit einer Länge von 11 mm und einem Durchmesser von mindestens 3,5 mm oder mindestens 9,5 mm-Implantate mit einem Durchmesser von 4,5 mm zu inserieren oder 8 mm-Implantate mit einem Durchmesser von 5,5 mm zu inserieren. Die Knochenqualität sollte D2-D3 sein. D1 wird auch akzeptiert. D4 nur dann, wenn eine primäre Stabilität ohne weitere additive knochenkondensierende Maßnahmen erzielt wird. Bei weichem Knochen (D4) sollte auf das Vorschneiden des Gewindes zugunsten einer höheren Primärstabilität des Implantates verzichtet werden. Eine sehr gute Primärstabilität stellt eine der wichtigsten Bedingungen für das Gelingen der Sofortbelastung dar.The prosthetic restoration of Ankylos implants is performed in the upper jaw and mandibular posterior region. At least one neighboring tooth and the antagonists have to to be kept in shape. The gap width is limited to 12 mm. Thus, a sufficient load capacity of the bone implant interfaces guaranteed is, should it allow the bone bearing, implants with a length of 11 mm and a diameter of at least 3.5 mm or at least 9.5 mm implants with a diameter of 4.5 mm or 8 mm implants with one Diameter of 5.5 mm to advertise. The bone quality should be Be D2-D3. D1 is also accepted. D4 only if a primary stability without further additive bone-condensing measures is achieved. For soft bones (D4) should be based on pre-cutting the thread in favor of a higher primary stability of the implant be waived. Very good primary stability is one of the most important Conditions for the success of immediate loading.
Die Sofortbelastung der Implantate erfolgt zuerst mittels eines Provisoriums. Hierbei sind nur punktförmige Kontakte in MIK angestrebt. Die reduzierte Kauflächengestaltung in oro-vestibulärer Ausdehnung in Kombination mit einer flachen Höckerneigung verhindert eine laterotrusive Kraftübertragung auf das Implantat und reduziert damit das einwirkende Drehmoment beim Kauakt. Das Provisorium wird für ca. sechs Wochen vom Patienten getragen.The Immediate loading of the implants takes place first by means of a temporary restoration. Here are only punctiform Contacts in MIK. The reduced occlusal surface design in oro-vestibular extension in combination with a flat camber incline prevents one laterotrusive power transmission the implant and thus reduces the applied torque when Mastication. The temporary will be for worn by the patient for about six weeks.
Die definitive prothetische Versorgung besteht aus Galvanokronen mit Keramikverblendung, damit eine passive Passung des Zahnersatzes gewährleistet ist. Die Kauflächengestaltung entspricht der natürlicher Zähne mit eingearbeitetem Zentrikkontakt und physiologischen Höckerneigungen. Die Verwendung von temporärem Zement ermöglicht eine bedingt abnehmbare Suprastruktur. Die Röntgenkontrollen mit einem individualisierten Rechtwinkelhalter nach der Insertion des Implantates und drei bzw. neun Monate nach der definitiven prothetischen Versorgung gibt einen Aufschluss über das Knochenniveau. Kontinuierliche Periotestmessungen während der Kontrolltermine zeigen eventuell auftretende Lockerungen des Implantates auf.The definitive prosthetic restoration consists of Galvanokronen with Ceramic veneer, so that a passive fit of the denture guaranteed is. The occlusal surface design corresponds to the natural one Teeth with incorporated Zentrikkontakt and physiological Höckernigungen. The use of temporary Cement allows one conditionally removable superstructure. The X-ray checks with an individualized Right angle holder after insertion of the implant and three or nine months after the definitive prosthetic restoration gives one Information about the bone level. Continuous periotest measurements during the Inspection dates show any loosening of the implant on.
Literaturliterature
- Baxster BJ, Andrews RN, Barrell GK. The Anatomical Record 256:14-19 (1999) Currey JD. J Biomech. 22 (1989):469-75.Baxster BJ, Andrews RN, Barrell GK. The Anatomical Record 256: 14-19 (1999) Currey JD. J Biomech. 22 (1989): 469-75.
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EP0269175B1 (en) * | 1986-11-21 | 1992-06-03 | Nobelpharma AB | A bone ingrowth chamber |
EP0579673B1 (en) * | 1991-04-11 | 1996-07-10 | Imperial College Of Science, Technology & Medicine | Testing implants |
US6918763B2 (en) * | 2002-11-19 | 2005-07-19 | Miracle One Technology Co., Ltd. | Apparatus for detecting the stability of a tooth in the gum or an implant in the body |
-
2006
- 2006-03-24 DE DE200610014169 patent/DE102006014169A1/en not_active Withdrawn
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