Entwicklung bionischer Zahnimplantate mittels struktureller Optimierungsmethodik

Die Bionik erforscht biologische Konstruktions- und Entwicklungsprinzipien und überträgt sie auf das Design medizinischer Produkte. Obwohl allein in Deutschland jedes Jahr ca. 1 Millionen Zahnimplantate gesetzt werden, besteht keine Einigkeit über die ideale Form, Größe und Anzahl der Implantate, da die Entwicklungsprinzipien der zu ersetzenden menschlichen Zahnwurzeln unklar sind.
Ziel dieses Förderungsantrages war es geotechnische Topologieoptimierungsmodelle auf den
menschlichen Zahnhalteapparat zu übertragen, um die grundlegenden Mechanismen der Zahnwurzelbildung zu verstehen.

Für die Modellerstellung wurde die Dimension der Zahnwurzel und des Kieferknochens an digitalen Volumentomographien von Patienten mit physiologischen Knochenverhältnissen ermittelt.
Aus den gemittelten Werten wurde eine vereinfachtes Finite Elemente Modell erstellt und die Materialeigenschaften von Zahn und Alveolarknochen an humanen Autopsie-präparaten mittels mikro-Computertomographie und Nanoindentation bestimmt. Die Solid Isotropic Material with Penalization (SIMP)-Methode war für die Simulation der
Zahnwurzel nicht geeignet. Die Soft Kill Option (SKO)-Methode zeigte hingegen gute
Optimierungsergebnisse. Mit der SKO-Methode konnte damit erstmals ein numerisches Modell erstellt werden, dass die Wurzelbildung ohne Formvorgaben dreidimensional beschreibt.
Basierend auf diesen Vorarbeiten soll in einem Folgeprojekt das entwickelte Optimierungsmodell an digitalen Volumentomographien implantologischer Patienten mit pathologischem Knochenabbau angewendet und für die Simulation dentaler Implantate eingesetzt werden.