Ulm, Univ., Diss., 2008.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der volumenbildgebenden Untersuchung von mechanischen Ermüdungsprozessen in Titan-Zahnimplantaten. Im Vordergrund steht die Entwicklung einer neuen Messmethode der In-situ-Mikrotomografie am Synchrotron. Zahnimplantate werden beim Gebrauch mechanisch wiederholt belastet (Wechsellast). Nach vielen zyklischen Belastungen können aufgrund von mikroplastische Verformungen Ermüdungsschäden auftreten. Diese können im Extremfall zum Versagen und Verlust eines Implantats führen. Die Computertomographie ist eine sehr geeignete zerstörungsfrei Prüfmethode, um Zahnimplantate zu untersuchen. Diese Arbeit erweitert die bisherige CT-Methode insofern, dass In-situ-Beobachtungen bei mechanischer Belastung möglich sind. Die in dieser Arbeit untersuchten Zahnimplantate weisen an der Implantat-Abutment-Grenzfläche bei eintretender Ermüdung einen Mikrospalt auf. Dieser wird als Indikator für einsetzende Fatigue- Prozesse benutzt. Der in der Synchrotron CT verfügbare Inlinephasenkontrast ermöglicht eine verbesserte Bestimmung der Mikrospaltgröße. Da die schnellen Bewegungen der Ermüdungsprüfung mittels Standard-CT-Verfahren schwer zu erfassen sind, war die stroboskopische Aufnahmemethode das zielführende Messverfahren, um in-situ-Prüfung zu ermöglichen. Die 4 kommerziellen Zahnimplantattypen werden neben der In-situ-Fatigue Prüfung auch mittels klassischer Ermüdungsprüfung untersucht und mit der Neuen Messmethode verglichen. Die hier entwickelte In-situ-Fatigue-Prüfstation kann Proben bis zu 345 N tomographisch untersuchen. Neben den experimentellen Untersuchungen wird eine statische FEM-Betrachtung durchgeführt und mit experimentellen Messdaten verglichen. Zuletzt wird mit der entwickelten Messtation Knochenrisse in der Implantat Umgebung untersucht. / The present work deals with the volume imaging investigation of mechanical fatigue processes in titanium dental implants. The focus is on the development of a new measurement method of in-situ microtomography at the synchrotron. Dental implants are exposed to repeated mechanical loads. After many cyclic loads, fatigue damage can occur due to microplastic deformation. These can lead to failure and loss of an implant. Computed tomography is a very suitable non-destructive testing method to examine dental implants. This work extended the existing method to the point where in situ CT observations under mechanical loading are achievable. The dental implants investigated in this work exhibit a microgap at the implant-abutment interface when fatigue occurs. This is used as an indicator for the occurrence of fatigue processes. The inline phase contrast available in synchrotron CT can be used to determine the size of the microgap. Since the fast motions of fatigue testing are difficult to capture using standard CT techniques, the stroboscopic imaging method was the used measurement technique, to enable in-situ testing. In addition to in-situ fatigue testing, the 4 commercial dental implant types are also examined and compared with each other by means of classical fatigue testing. The developed in-situ fatigue test station can tomographically investigate specimens up to 345 N. In addition to the experimental investigations, a static FEM analysis is performed and compared with experimental measurement data. Finally, the developed measuring station is used to investigate bone cracks in the implant environment.

Zugl.: Giessen, Universiẗat, Diss., 2007.

Techn. University, Diss., 2007--Darmstadt.

Die Entwicklung und Erprobung von metallischen Implantatwerkstoffen mit biologischen Beschichtungen für den Einsatz im menschlichen Knochen verlangt, neben der Untersuchung grundlegender zellbiologischer Wechselwirkungen, eine ganzheitliche Betrachtung ihrer Wirkungsweise im lebenden Organismus. Die vorwiegend angewandte Methode zur Quantifizierung des Potentials von Biofunktionalisierungen metallischer Implantate ist dabei die histologische Auswertung. Diese stützt sich aber auf Informationen aus nur wenigen und eher zufälligen Schnittlagen im Probenvolumen, was mit einer hohen Anzahl an Tierexperimenten ausgeglichen wird. Mit der Mikrocomputertomographie steht neben der klassischen Histologie eine zerstörungsfreie Methode zur Verfügung, welche eine detaillierte dreidimensionale Darstellung des neugebildeten Knochengewebes ermöglicht. Die Abbildungsqualität des mineralischen Knochengewebes um Titanimplantate, als Grundlage für eine Vergleichbarkeit von Tomographie und Histologie, wurde anhand von drei Mikrofokus-Computertomographen und einem Synchrotron-Computertomographen am HASYLAB untersucht. Die tomographische Untersuchung von Hartgewebe einschließlich metallischer Implantate zeigte mit Hilfe von Synchrotronstrahlung die beste qualitative Übereinstimmung zur histologischen Bildgebung. Für die Quantifizierung der Knochenneubildung wurden interaktive Analysemodelle erarbeitet, welche eine vereinheitlichte Auswertung von histologischen und tomographischen Informationen erlaubt. Auf Grundlage der entwickelten Analyseprozeduren war es erstmals möglich, die statistische Belastbarkeit der Ergebnisse aus der histologischen und tomographischen Analyse zu untersuchen. Dabei konnte gezeigt werden, dass hinsichtlich der Herausstellung von Unterschieden bei der Osseointegration modifizierter Titanimplantate mit beiden Methoden ähnliche Ergebnistrends gefunden werden. Eine Signifikanz (p < 0,01) der Unterschiede bei der Knochenneubildung konnte jedoch ausschließlich mit der mikrotomographischen Analyse herausgestellt werden. Die Ergebnisse bei der Darstellung und Analyse des mineralischen Gewebes durch die Nutzung der Synchrotrontomographie gehen weit über die Grenzen der histologischen Untersuchungen hinaus. Durch den dreidimensionalen Charakter der Informationen ergeben sich dabei neue Bewertungsmodelle zur Beurteilung der Osseointegration von biofunktionalisierten Implantaten. Die mikrotomographische Analyse führt gegenüber der histologischen Auswertung durch die geringe Irrtumswahrscheinlichkeit der Ergebnisse bei deutlich verminderter Probenanzahl zu einer erheblichen Verringerung von Tierversuchen.

Die Entwicklung und Erprobung von metallischen Implantatwerkstoffen mit biologischen Beschichtungen für den Einsatz im menschlichen Knochen verlangt, neben der Untersuchung grundlegender zellbiologischer Wechselwirkungen, eine ganzheitliche Betrachtung ihrer Wirkungsweise im lebenden Organismus. Die vorwiegend angewandte Methode zur Quantifizierung des Potentials von Biofunktionalisierungen metallischer Implantate ist dabei die histologische Auswertung. Diese stützt sich aber auf Informationen aus nur wenigen und eher zufälligen Schnittlagen im Probenvolumen, was mit einer hohen Anzahl an Tierexperimenten ausgeglichen wird. Mit der Mikrocomputertomographie steht neben der klassischen Histologie eine zerstörungsfreie Methode zur Verfügung, welche eine detaillierte dreidimensionale Darstellung des neugebildeten Knochengewebes ermöglicht. Die Abbildungsqualität des mineralischen Knochengewebes um Titanimplantate, als Grundlage für eine Vergleichbarkeit von Tomographie und Histologie, wurde anhand von drei Mikrofokus-Computertomographen und einem Synchrotron-Computertomographen am HASYLAB untersucht. Die tomographische Untersuchung von Hartgewebe einschließlich metallischer Implantate zeigte mit Hilfe von Synchrotronstrahlung die beste qualitative Übereinstimmung zur histologischen Bildgebung. Für die Quantifizierung der Knochenneubildung wurden interaktive Analysemodelle erarbeitet, welche eine vereinheitlichte Auswertung von histologischen und tomographischen Informationen erlaubt. Auf Grundlage der entwickelten Analyseprozeduren war es erstmals möglich, die statistische Belastbarkeit der Ergebnisse aus der histologischen und tomographischen Analyse zu untersuchen. Dabei konnte gezeigt werden, dass hinsichtlich der Herausstellung von Unterschieden bei der Osseointegration modifizierter Titanimplantate mit beiden Methoden ähnliche Ergebnistrends gefunden werden. Eine Signifikanz (p < 0,01) der Unterschiede bei der Knochenneubildung konnte jedoch ausschließlich mit der mikrotomographischen Analyse herausgestellt werden. Die Ergebnisse bei der Darstellung und Analyse des mineralischen Gewebes durch die Nutzung der Synchrotrontomographie gehen weit über die Grenzen der histologischen Untersuchungen hinaus. Durch den dreidimensionalen Charakter der Informationen ergeben sich dabei neue Bewertungsmodelle zur Beurteilung der Osseointegration von biofunktionalisierten Implantaten. Die mikrotomographische Analyse führt gegenüber der histologischen Auswertung durch die geringe Irrtumswahrscheinlichkeit der Ergebnisse bei deutlich verminderter Probenanzahl zu einer erheblichen Verringerung von Tierversuchen.