Beanspruchungsuntersuchungen an Rekonstruktionsplatten zur Überbrückung von Kieferwinkeldefekten

Zusammenfassung

Ziel

Ziel der vorliegenden Studie war es, mithilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) die funktionelle Beanspruchung von Rekonstruktionsplatten und des Verbundes Kiefer-Schrauben-Rekonstruktionsplatte bei der Überbrückung eines Kieferwinkeldefekts zu untersuchen. Zugleich sollten der Einfluss von Plattengeometrie, Schraubenanordnung und -durchmesser auf die räumliche Belastungsverteilung ermittelt und daraus Vorschläge für eine Designoptimierung der Rekonstruktionsplatten abgeleitet werden.

Material und Methoden

Aus dem Modell eines humanen Unterkiefers mit Gelenk-, Muskel- und Kaukräften wurde ein Teilstück mit einem Kieferwinkeldefekt erstellt, der durch eine Titanrekonstruktionsplatte mit Osteosyntheseschrauben M2,7 überbrückt wurde. Neben der Standardform der Rekonstruktionsplatte wurden eine weitere Plattenform mit flächenhaftem Design modelliert und außerdem Schraubenanordnung, -anzahl und -größe variiert. Die Ermittlung der mechanischen Beanspruchung erfolgte nach der Gestaltänderungsenergiehypothese.

Ergebnisse

Im Osteosynthesesystem mit der Standardrekonstruktionsplatte traten im Ergebnis der FE-Berechnung Beanspruchungen bei simulierten funktionellen Belastungen auf, welche die Zugfestigkeiten der Komponenten weit überschreiten. Mögliche Folgen wären ein Ermüdungsbruch der Platte selbst, das allmähliche Lockern der Osteosyntheseschrauben und irreversible Schädigungen des Knochens. Bereits bei einer Vergrößerung des Gewindenenndurchmessers der Schrauben auf das 1,5fache sinken die Beanspruchungen auf weniger als die Hälfte. Sehr günstig wirkt sich auch ein flächenhaftes Design der Rekonstruktionsplatte aus. Durch die großflächige Auflage der Platte am Kiefer und die Möglichkeit der Anordnung der Schrauben im Dreieck oder Quadrat könnten die Beanspruchungen nochmals erheblich verringert, die Platte dadurch dünner ausgeführt und so der Geometrie des Kiefers besser angepasst werden.

Schlussfolgerung

Um die Oberfläche des „Fremdkörpers“ Rekonstruktionsplatte auf ein erforderliches Minimum zu reduzieren, wird ein erster Vorschlag der Optimierung bzgl. Materialreduzierung aus spannungsarmen Zonen unterbreitet.

Abstract

Aim

The aim of the present study was to evaluate the mechanical stress in reconstruction plates used for bridging mandibular angle defects and in the screw-plate-bone interface with the finite element method. Additionally, the influence of reconstruction plate geometry, screw configuration, and screw diameter upon the mechanical stress distribution was determined. Suggestions for design improvements of the plate were derived from the results.

Material and methods

Based on the geometrical data of a human mandible, an angle defect bridged by a titanium reconstruction plate was generated and exposed to chewing force. The reconstruction plate was securely fixed by M 2.7 titanium screws. A variation of plate design, screw configuration, and screw diameter was carried out. The mechanical stress was calculated following the von Mises stress hypothesis.

Results

Using the standard plate the mechanical stress in all components exceeded by far the ultimate tensile strength. Possible clinical consequences could be a fatigue fracture of the plate, loosening of the screw, and irreversible damage of the bone leading to infection. Increasing the screw diameter by 50% would lead to a decrease of the mechanical stress by far more than 50%. An increase of the interface area between bone and plate and a triangular screw configuration diminishes the mechanical stress further, which may consequently allow a reduction of plate thickness with better adaptation to the actual jaw geometry.

Conclusion

As a preliminary result the reconstruction plate could be thinned out in areas subject to less mechanical load.