Mechanische Grundlagen für die Entwicklung eines metallfreien Implantatsystems auf der Basis von Polyetheretherketon (PEEK)
Creators: name: Schwitalla, Andreas
Publisher: name: Charité - Universitätsmedizin Berlin
Year: 2019
Subjects: subject: glass fiber reinforced PEEK
subject: dental implants
subject: carbon fibers
subject: polyetheretherketone
subject: insertion torque
subject: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::610 Medizin und Gesundheit::610 Medizin und Gesundheit

description: Konventionelle Dentalimplantate auf Titan-Basis können mit verschiedenen Problemen behaftet sein. Einerseits gibt es Patienten mit nachgewiesener Titanüberempfindlichkeit, andererseits stehen Titanimplantate wegen des hohen E-Moduls von Titan (110 GPa) im Verdacht, den periimplantären Knochen mechanisch durch Überbelastung zu schädigen, indem sie die eingeleiteten Kaukräfte direkt auf diesen übertragen. Dies führt nachfolgend zu marginalem Knochenabbau. Darüber hinaus kann die Eigenfarbe von Titan das Ergebnis optisch beeinträchtigen, was insbesondere bei dünner Mukosa im Frontzahngebiet zum Tragen kommt. Als metallfreie Alternative stehen Implantate aus Zirkonoxid-Keramik zur Verfügung. Diese haben eine weiße Eigenfarbe, aber eine noch höhere Steifigkeit als Titan (E-Modul: 210 GPa). Darüber hinaus altern sie in feuchtem Milieu, was die mechanische Belastbarkeit beeinträchtigt. Diese Nachteile sowohl der Titan- als auch der Zirkonoxid-Implantate, könnten durch die Verwendung des Hochleistungspolymers PEEK (Polyetheretherketon) als metallfreies Implantatmaterial überwunden werden. PEEK hat einen E-Modul von ca. 4 GPa, der durch Faserverstärkung entsprechend angepasst werden kann. So müsste auf der Basis von PEEK einerseits die mechanischen Anforderungen an entsprechende Bauteile erfüllt und andererseits eine optimierte Lastübertragung auf den periimplantären Knochen erzielt werden können. Entsprechend war das Ziel der vorliegenden Arbeit die Untersuchung der mechanischen Eigenschaften verschiedener verfügbarer PEEK-Sorten vor dem Hintergrund, eine PEEK-Sorte bzw. eine Kombination aus verschiedenen PEEK-Sorten zu definieren, die als Basis zur Herstellung eines metallfreien Dentalimplantates mit den Dimensionen eines konventionellen zweiteiligen Implantatsystems dienen können. Es wurden neben theoretischen Analysen Biege-, Druck- und Ermüdungstests, sowie mechanische Prüfungen an definierten Implantatkomponenten auf PEEK-Basis, wie Abutmentschrauben und Implantaten durchgeführt und in Bezug zu den jeweiligen mechanischen Anforderungen wie Kaukräfte und Drehmomente gesetzt. Grundsätzlich zeigte sich, dass auch die ungefüllten und somit unverstärkten PEEK-Sorten den mechanischen Belastungen durch Kaukräfte standhalten können. Zur Herstellung eines Implantates, aber auch für die übrigen Komponenten wie zum Beispiel der Abutmentschraube scheint sich eine PEEK-Sorte besonders gut zu eignen. Diese ist mit ca. 55 Vol.-% Endloskohlefasern verstärkt und hat einen E-Modul von ca. 40 GPa. Diese PEEK-Sorte wird mit Hilfe des Fließpressverfahrens für Verbundwerkstoffe (Composite Flow Moulding, CFM) verarbeitet, bei dem die Kohlefasern zusammen mit der PEEK-Matrix als kontinuierliche Fasern in das entsprechende Bauteil hineingepresst werden. Innerhalb des Bauteils sind die Kohlefasern dann zufällig multidirektional ausgerichtet. Dies könnte sich jedoch gerade bei einem so klein dimensionierten Bauteil wie einem Dentalimplantat in mechanischer Hinsicht nachteilig auswirken, wenn sich die Fasern zufällig so ausgerichtet haben, dass sie in entgegengesetzter Richtung zur eingeleiteten Kraft wirken. Somit würde eine Schwachstelle entstehen. Ein weiterer Nachteil der Kohlefasern ist, dass sie das PEEK-Composite schwarz färben. Dies kann insbesondere im Frontzahngebiet das Ergebnis in ästhetischer Hinsicht beeinträchtigen. Insofern sollte einerseits die Ausrichtung und Anordnung der verstärkenden Fasern gesteuert werden, andererseits Fasern verwendet werden, die eine helle Eigenfarbe haben. Ein Ansatz dafür bestünde in der Verwendung von Endloskeramikfasern, die zusammen mit der PEEK-Matrix in einem 5-Achs-3D-Druckverfahren verarbeitet werden. Die Bewegungsfreiheit innerhalb der fünf Achsen ermöglicht es, die Fasern dann über die Druckstrategie entsprechend ausgerichtet in das Bauteil, das vollkommen individuell gestaltet sein kann, einzubringen. Somit könnten nicht nur konfektionierte, sondern auch individuelle Implantate auf PEEK-Basis angefertigt werden, die in diversen Morphologien, mitunter sogar wie natürliche Zähne, ausgestaltet sein können.