Eine präklinische Studie zum Vergleich einzelner

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 862 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Kürzlich wurden Doppelwurzelimplantate mithilfe der 3D-Drucktechnologie untersucht. Hier untersuchten wir die Dämpfungskapazität, mikrocomputertomographische (Mikro-CT) und histologische Analysen von doppelwurzeligen 3D-gedruckten Implantaten im Vergleich zu einwurzeligen 3D-gedruckten Implantaten. Bei vier Beagle-Hunden wurden ein- und doppelwurzelige 3D-gedruckte Implantate hergestellt und auf beiden Seiten des dritten und vierten Prämolaren des Unterkiefers platziert. Die Dämpfungskapazität wurde gemessen und 12 Wochen lang alle 2 Wochen periapikale Röntgenaufnahmen gemacht. Das Knochenvolumen/Gewebevolumen (BV/TV) und die Knochenmineraldichte (BMD) um die Implantate herum wurden mit Mikro-CT gemessen. In histologischen Proben wurden der Knochen-Implantat-Kontakt (BIC) und die Knochenflächenfraktionsbelegung (Bone Area Fraction Occupancy, BAFO) gemessen. Die Implantatstabilitätswerte unterschieden sich zwischen den Gruppen nicht signifikant, außer nach 4 und 12 Wochen. Die marginalen Knochenveränderungen waren im mesialen und distalen Bereich zwischen den Gruppen ähnlich. Die BV/TV- und BMD-Werte der 3D-gedruckten Doppelwurzelimplantate zeigten in der Mikro-CT-Analyse keinen statistischen Unterschied, die 3D-gedruckten Doppelwurzelimplantate zeigten jedoch in der histomorphometrischen Analyse niedrigere BIC- und BAFO-Werte im Vergleich zu den Einzelwurzelimplantaten 3D-gedruckte Implantate. Im Vergleich zu Einzelwurzelimplantaten zeigten 3D-gedruckte Doppelwurzelimplantate eine vergleichbare Stabilität und Knochenumgestaltung um die Implantate herum, der statistisch signifikante Knochenverlust im Furkationsbereich bleibt jedoch problematisch.

Mit der jüngsten Zunahme der älteren Bevölkerung steigt auch die Zahl derer, die eine zahnärztliche Rehabilitation in zahnlosen Bereichen benötigen1. Die Forschung zu Implantatdesigns, -materialien und -techniken hat in den letzten Jahrzehnten floriert, und diese Fortschritte haben nach 10-jährigen klinischen Beobachtungen zu einer Implantatüberlebensrate von etwa 95 % geführt2,3,4,5. Aufgrund dieser Erkenntnisse gelten Zahnimplantate als ideale Option zur funktionellen und ästhetischen Wiederherstellung fehlender Zahnbereiche. Herkömmliche Zahnimplantate entsprechen jedoch nicht den patientenspezifischen Behandlungsstrategien und erfordern zusätzliche chirurgische Eingriffe wie Bohren oder Knochentransplantationen.

Es wurden verschiedene Anstrengungen unternommen, Wurzelanalogimplantate einzusetzen, um eine patientenspezifische Zahnbehandlung zu ermöglichen. Der erste Versuch, ein patientenspezifisches Wurzelanalogimplantat einzusetzen, wurde von Hodosh et al. unternommen. im Jahr 19696. Sie berichteten, dass Kollagenfasern des parodontalen Bandes in das Implantat eingeführt wurden; Bei der Interpretation auf der Grundlage aktueller histologischer Erkenntnisse schlug die Osseointegration jedoch fehl und wurde als fibrointegriert angesehen7. Als das Material von Polymethacrylat auf Titan umgestellt wurde, wurde die Herstellung von Wurzelanalogimplantaten möglich, und zahlreiche Studien berichteten über erfolgreiche präklinische und klinische Ergebnisse von Wurzelanalogimplantaten7.

Mit der Weiterentwicklung digitaler Technologien und Materialien ist die aufwändige Herstellung personalisierter Implantate im 3D-Drucker möglich geworden8,9,10. Dank der Entwicklung von Kegelstrahl-Computertomographie (CT), oralem Scannen und computergestützter Designsoftware können personalisierte 3D-gedruckte Implantatstrukturen manipuliert und anschließend mit additiver Fertigung hergestellt werden. Zahlreiche Studien haben über 3D-gedruckte Implantate berichtet, die eine erfolgreiche Osseointegration und eine gute Biokompatibilität in vivo zeigten11,12,13. Was das Material betrifft, so hatte die sandgestrahlte 3D-gedruckte Ti-6Al-4V-Probe ähnliche biologische Eigenschaften in Bezug auf adhärente Zellzahlen, Vinculin-Intensität, osteogene Genexpression und Biomineralisierung wie das maschinell geschnittene Gegenstück, was auf das Potenzial hinweist Nutzen der 3D-Drucktechnologie bei Zahnimplantaten14. In-vitro-Studien mit 3D-gedruckten Ti-6Al-4V-Implantaten ergaben außerdem keine schädlichen oder nachteiligen Auswirkungen auf die Zellproliferation oder -ausbreitung, was darauf hindeutet, dass sie biokompatibel sind. Wie erwartet übertrafen die mikro-/nanostrukturierten Oberflächenimplantate die polierten Implantate hinsichtlich der osteogenen Differenzierung sowohl auf Protein- als auch auf Genebene13. Darüber hinaus haben Shaoki et al. zeigten, dass 3D-gedruckte Implantate ähnliche BV/TV-Werte und BIC-Verhältnisse wie maschinell bearbeitete Implantate aufwiesen, obwohl Zelladhäsion, Osteoblastendifferenzierung und Entfernungsdrehmoment bei ersteren höher waren15.

Als Alternative zur Linderung der mechanischen Komplikationen herkömmlicher Implantate und regenerativer Verfahren wurden 3D-gedruckte Implantate mit mehreren Wurzeln im Seitenzahnbereich vorgeschlagen. Kürzlich haben wir 3D-gedruckte Doppelwurzelimplantate untersucht, die im Rahmen eines digitalen Workflows mit digitalen Daten und Software entworfen und mit einer Direktmetall-Lasersintermaschine unter Verwendung von Ti-6Al-4V-Pulver in vivo hergestellt wurden16. Aus dieser Studie haben wir herausgefunden, dass das Makrodesign eines 3D-gedruckten Implantats mit einer Rille einen deutlich positiven Einfluss auf die Sekundärstabilität des Implantats hat.

Als Besonderheit wurde jedoch festgestellt, dass bei gitterförmigen 3D-gedruckten Implantaten die marginalen Knochenveränderungen im Furkationsbereich größer waren als die im mesialen oder distalen Bereich. Da es schwierig ist, die tägliche Selbstreinigung der von Furkationen betroffenen Zähne durchzuführen, schreitet die Ansammlung von Bakterien kontinuierlich voran und die langfristige Prognose der Zähne kann nicht garantiert werden17. Daher ist es vor der Implementierung von Doppelwurzelimplantaten in klinischen Situationen notwendig, die Ergebnisse von Doppelwurzelimplantaten mit Furkationsbeteiligung zu untersuchen und zu prüfen, ob parodontale gesunde Bedingungen im Vergleich zu Einzelwurzelimplantaten sichergestellt werden können.

Daher besteht der Zweck dieser Studie darin, die marginalen Knochenveränderungen doppelwurzeliger 3D-gedruckter Implantate mit Ti-6Al-4V-Pulver im Vergleich zu einwurzeligen 3D-gedruckten Implantaten zusätzlich zur Implantatstabilität sowie Mikro-CT und histologischen Untersuchungen zu untersuchen Analysen.

Alle Methoden in diesem Tierversuch wurden in Übereinstimmung mit den Grundsätzen des 3R (Replacement, Reduction, and Refinement) und zweier wichtiger Gesetze in Korea durchgeführt, nämlich dem Tierschutzgesetz des Ministeriums für Landwirtschaft, Ernährung und ländliche Angelegenheiten und dem Labortiergesetz Vom Ministerium für Lebensmittel- und Arzneimittelsicherheit erlassenes Gesetz. Der Tierversuch wurde vom Institutional Animal Care and Use Committee der Seoul National University (IACUC; Genehmigungsnummer SNU-210115-–1) bewertet und genehmigt und gemäß den Richtlinien „Animal Research: Reporting of In Vivo Experiments“ (ARRIVE) durchgeführt . Die Studie umfasste vier einjährige männliche Beagle-Hunde mit einem Gewicht von etwa 10–12 kg. Das Manuskript wurde in Übereinstimmung mit den ARRIVE-Richtlinien verfasst. Der Zeitplan dieser Studie ist in Abb. 1 dargestellt.

Klinisches und radiologisches Foto eines ein- und doppelwurzeligen 3D-gedruckten Implantats. Alle Schutzkappen wurden 2 Wochen nach der Implantatinsertion zur Plaquekontrolle und zur Messung der Implantatstabilität entfernt. Es gab keine klinischen Anzeichen einer periimplantären Entzündung, einschließlich Rötung, spontaner Blutung, Schwellung oder Ulzeration. Die klinischen und radiologischen Fotos wurden zum Zeitpunkt der Implantatinsertion und 2, 4, 6, 8, 10 und 12 Wochen nach der Implantatinsertion aufgenommen.

Der Herstellungsprozess der 3D-gedruckten Implantate erfolgte gemäß einer früheren Studie16. Kurz gesagt, CT-Datensätze des Unterkiefers wurden mit einem CT-Scanner (GE, Boston, USA) erfasst und über das Format „Digital Imaging and Communications in Medicine“ in eine 3D-Rekonstruktionssoftware (Materialise, Leuven, Belgien) importiert. Beide Seiten des dritten und vierten Prämolaren des Unterkiefers wurden mit der Software virtuell extrahiert und als Stereolithographiedatei (STL) isoliert. Die STL-Datei wurde in eine Software (Materialise) übertragen, um 3D-Einzelwurzelimplantate an der distalen Wurzel des dritten Prämolarenbereichs und Doppelwurzelimplantate im vierten Prämolarenbereich (Abb. 1) mit einer direkten Metalllasersintermaschine unter Verwendung von Ti herzustellen –6Al–4V-Pulver durch Dentium Build Processor 1.4.7 (Dentium, Seoul, Korea), angetrieben von der KETI Slicing Engine. Das einwurzelige Implantat und die mesiale Wurzel der zweiwurzeligen Implantate wurden 2 mm länger als die entsprechenden Zähne mit einer Rille hergestellt, um Primärstabilität zu gewährleisten. Die Implantate waren im oberen Bereich mit Zahlen und Buchstaben gekennzeichnet, um Tiere und Standorte zu kennzeichnen. Die Wurzelabmessungen der 3D-gedruckten Implantate waren für jeden Zahn unterschiedlich, das Abutment wurde jedoch mit einer konstanten Größe hergestellt. Nach einer Oberflächenbehandlung mit großkörnigem Sandstrahlen und Säureätzen (SLA) gemäß einer früheren Studie wurden die 3D-gedruckten Implantate mithilfe von Gammastrahlenbestrahlung sterilisiert, die kurzwelliges Licht eines radioaktiven Kobalt-60 (60Co)-Isotops emittiert. Eine chirurgische Schablone und Bohrer zur Durchführung von Osteotomien an den mesialen Wurzeln der geplanten Stellen wurden mit einem 3D-Drucker mit digitaler Lichtverarbeitung (DLP) (Dental 3DPrinter-P, Dentium, Seoul, Korea) unter Verwendung des Materials Surgical Guide (DG-1) hergestellt. Die Schutzkappe wurde aus Polymer mit einer Dicke von 1 mm hergestellt, um die Belastung des Implantats zu minimieren (DG-1, Hephzibah, Inchon, Korea).

Die Tiere wurden von einem Tierarzt durch intravenöse Injektionen von Tiletamin/Zolazepam (5 mg/kg, Virbac, Carros, Frankreich), Xylazin (2,3 mg/kg, Bayer Korea, Ansan, Korea) und 0,05 mg/kg Atropinsulfat betäubt die Operation. Im Bereich des dritten und vierten Prämolaren des Unterkiefers wurde eine komplementäre Lokalanästhesie mit 2 % Lidocain-HCl mit Adrenalin (1:1.000.000, Huons, Seongnam, Korea) injiziert. Der dritte und vierte Prämolar wurden mit einem Diamant-Fissurenbohrer in bukkolingualer Richtung der Zähne halbsektioniert und atraumatisch mit Elevatorium und Pinzette ohne Lappenspiegelung extrahiert. Der apikale Teil der Extraktionsalveole wurde mit einem 2,3-mm-Bohrer mit einem motorbetriebenen Handstück (EXPERTsurg LUX, KaVo, Warthausen, Deutschland) so präpariert, dass er 2 mm länger als die entsprechende Wurzel für einwurzelige 3D-gedruckte Implantate und mesial war Wurzel für doppelwurzeliges 3D-gedrucktes Implantat. Die 3D-gedruckten Implantatköpfe wurden direkt mit einem chirurgischen Hammer angeklopft. Die Schutzkappe wurde mit harzmodifiziertem Glasionomerzement (GC FujiCEM2, Tokio, Japan) an den Nachbarzähnen befestigt.

Ein Antibiotikum (Cefazolin, 20 mg/kg, Chongkundang Pharm., Seoul, Korea) und ein Analgetikum (Tramadolhydrochlorid, 5 mg/kg, Samsung Pharm., Hwaseong, Korea) wurden nach der Operation intravenös injiziert, um postoperative Schmerzen und Entzündungen zu lindern. Drei Tage lang nach der Operation wurden den Tieren Antibiotika und Analgetika durch Mischen mit der Nahrung verabreicht. Um mechanischem Druck vorzubeugen, der die Wundheilung behindern könnte, wurde einen Monat lang eine weiche Kost verabreicht. Die Operationsstellen wurden alle zwei Wochen inspiziert und mit 0,12 % Chlorhexidingluconatlösung (Hexamedine, Bukwang Pharm., Seoul, Korea) gespült.

Basierend auf einer früheren Studie11,16,18 wurde bei der Implantatinsertion und alle zwei Wochen danach bis zur 12. Woche eine Dämpfungskapazitätsanalyse (Anycheck, Neobiotech, Seoul, Korea) durchgeführt, um die Implantatstabilität zu messen. Die Messungen wurden fünfmal von der bukkalen Seite jedes Implantats durchgeführt und der Durchschnittswert wurde als repräsentativ angesehen.

Das marginale Knochenniveau wurde mit periapikalen Röntgenaufnahmen gemessen, die bei der Implantatinsertion, 6 Wochen und 12 Wochen nach der Implantatinsertion, angefertigt wurden. Die Messung wurde an der mesialen und distalen Stelle jedes Implantats und bei doppelwurzeligen Implantaten in der Mitte durchgeführt. Der mesiale und distale marginale Knochenverlust nach 6 Wochen und 12 Wochen wurde jeweils zwischen den beiden 3D-gedruckten Implantatgruppen verglichen. Der marginale Knochenverlust der doppelwurzeligen 3D-gedruckten Implantate nach 6 und 12 Wochen wurde an mesialen, mittleren und distalen Stellen verglichen.

Die Tiere wurden 12 Wochen nach der Implantatinsertion mit Kaliumchlorid (75 mg/kg, Jeil Pharm., Daegu, Korea) getötet. Die Blockbiopsie von jedem Versuchsort wurde für die Mikro-CT und die histologische Vorbereitung entnommen. Der Scan wurde bei einer Energie von 60 kV, einer Intensität von 167 μA und einer Auflösung von 13,3 μm unter Verwendung eines 0,5-mm-Aluminiumfilters und eines dreidimensionalen Mikro-CT-Geräts (SkyScan 1172, SkyScan, Aartselaar, Belgien) durchgeführt. Die Daten wurden mit der Software des Herstellers (DataViewer 1.5.2.4 64-Bit-Version, Bruker micro-CT, Skyscan, Kontich, Belgien) rekonstruiert und mit CTAn (Bruker-CT, Kontich, Belgien) quantitativ analysiert. Basierend auf einer früheren Studie16 wurde das interessierende Volumen (VOI) auf ein kreisförmiges Band von 190 μm festgelegt, das sich 60–2250 μm von der Implantatoberfläche jeder Wurzel erstreckt und 1 mm bis 4 mm über dem Apex der Vorrichtung begrenzt.

Nach einer Woche in einer Fixierlösung mit 10 % neutralem Formalinpuffer wurden die Gewebeschnitte in einer Reihe von Ethanollösungen dehydriert. Anschließend wurden die Proben in Methacrylat (Technovit 7200, Heraeus Kulzer, Hanau, Deutschland) eingebettet. Die zentralen mesiodistalen Abschnitte wurden präpariert und auf etwa 45 ± 5 μm poliert und mit Goldner-Trichrom gefärbt.

Histologische Objektträger wurden nach dem Scannen mit Panoramic 250 Flash III (3DHISTECH, Budapest, Ungarn) als digitale Bilder gespeichert. Der interessierende Bereich (ROI) wurde 1 bis 4 mm über dem Apex der Vorrichtung mithilfe eines computergestützten Objektträgerbildanalyseprogramms (CaseViewer 2.2; 3DHISTECH Ltd., Budapest, Ungarn) ausgewählt. Wie in einer früheren Studie16 beschrieben, wurden der Knochen-Implantat-Kontakt (BIC) und die Knochenflächenfraktionsbelegung (Bone Area Fraction Occupancy, BAFO) von jedem 3D-gedruckten Implantat gemessen.

Aufgrund des Pilotcharakters der Studie wurde keine Berechnung der Stichprobengröße durchgeführt. Alle Daten der beiden Arten von 3D-gedruckten Implantaten werden als Mittelwerte ± SDs dargestellt. Es wurde eine Zwei-Wege-ANOVA (Implantattyp und Zeitraum) durchgeführt und der Mehrfachvergleichstest von Sidak zur Implantatstabilität und marginalen Knochenveränderungen durchgeführt. In der Mikro-CT-Analyse wurde ein ungepaarter t-Test durchgeführt. Da die Normalitätstests nicht bestanden wurden, wurde für BIC und BAFO der Mann-Whitney-Test durchgeführt.

Alle ein- und doppelwurzeligen Implantate überlebten (Abb. 1). Es gab keine klinischen Anzeichen einer periimplantären Entzündung, einschließlich Rötung, spontaner Blutung, Schwellung oder Ulzeration. Alle Schutzkappen wurden 2 Wochen nach der Implantatinsertion entfernt, wie in einer früheren Studie16 beschrieben.

Die Implantatstabilitätswerte sind in Abb. 2 dargestellt. Der Implantatstabilitätswert von einwurzeligen 3D-gedruckten Implantaten betrug zum Zeitpunkt der Implantation 72,53 ± 3,38 und 70,83 ± 3,63, 70,60 ± 0,89, 71,73 ± 4,16, 73,73 ± 2,79, 72,93 ± 2,04 und 72,60 ± 1,46 alle 2 Wochen bis 12 Wochen nach der Implantatinsertion. Der Implantatstabilitätswert doppelwurzeliger 3D-gedruckter Implantate betrug 75,71 ± 2,03 bei der Implantatinsertion und 73,97 ± 3,24, 72,92 ± 1,65, 74,51 ± 1,81, 73,65 ± 1,80, 74,20 ± 2,15, 75,54 ± 0,96 nach 2 Wochen bis 12 Wochen nach der Implantatinsertion. Es gab zu jedem Zeitpunkt keine signifikanten Unterschiede innerhalb der Gruppe, statistisch signifikante Unterschiede wurden jedoch zwischen Einzel- und Doppelwurzelimplantaten nach 4 und 12 Wochen beobachtet (p = 0,0143 und 0,0320).

Werte des Implantatstabilitätstests (IST) von ein- und doppelwurzeligen 3D-gedruckten Implantaten. Die IST-Werte waren bei den doppelwurzeligen 3D-gedruckten Implantaten nach 4 und 12 Wochen deutlich höher als bei den einwurzeligen 3D-gedruckten Implantaten, wie der Mehrfachvergleichstest von Sidak zeigte (p = 0,0143, p = 0,0320). Zu jedem Zeitpunkt gab es innerhalb der Gruppe keine signifikanten Unterschiede.

Der marginale Knochenverlust an den mesialen Stellen der ein- und doppelwurzeligen 3D-gedruckten Implantate betrug nach 6 Wochen 0,85 ± 0,45 mm bzw. 1,06 ± 0,95 mm. Diese Werte betrugen nach 12 Wochen 1,17 ± 1,00 mm bzw. 1,24 ± 1,30 mm. Hinsichtlich des Implantattyps oder des Zeitpunkts wurden keine signifikanten Unterschiede beobachtet (Abb. 3a). Der marginale Knochenverlust an den distalen Stellen der ein- und doppelwurzeligen 3D-gedruckten Implantate betrug nach 6 Wochen 1,33 ± 0,94 mm bzw. 1,30 ± 0,99 mm. Die Werte betrugen nach 12 Wochen 1,70 ± 1,68 mm und 1,42 ± 0,99 mm. Hinsichtlich des Implantattyps oder des Zeitpunkts wurden keine signifikanten Unterschiede beobachtet (Abb. 3b).

Röntgenologische Veränderungen (a) mesialer Knochenverlust bei ein- und doppelwurzeligen 3D-gedruckten Implantaten nach 6 und 12 Wochen (b) distaler Knochenverlust bei ein- und doppelwurzeligen 3D-gedruckten Implantaten nach 6 und 12 Wochen (c) Mesial , mittlerer und distaler Knochenverlust bei doppelwurzeligen 3D-gedruckten Implantaten nach 6 und 12 Wochen. Sternchen (*) zeigen einen statistisch signifikanten Unterschied im marginalen Knochenverlust im mittleren Bereich im Vergleich zu den mesialen und distalen Bereichen nach 6 Wochen und 12 Wochen an. 3D: 3-dimensional.

Der marginale Knochenverlust an den mesialen, mittleren und distalen Stellen der doppelwurzeligen 3D-gedruckten Implantate betrug nach 6 Wochen 1,06 ± 0,95 mm, 2,55 ± 0,50 mm bzw. 1,30 ± 0,99 mm. Der marginale Knochenverlust an den mesialen, mittleren und distalen Stellen der doppelwurzeligen 3D-gedruckten Implantate betrug nach 12 Wochen 1,24 ± 1,30 mm, 3,00 ± 0,85 mm bzw. 1,42 ± 0,99 mm. Der marginale Knochenverlust an der mittleren Stelle des doppelwurzeligen 3D-gedruckten Implantats zeigte zu jedem Zeitpunkt höhere Werte als der an den mesialen und distalen Stellen des doppelwurzeligen 3D-gedruckten Implantats (Abb. 3c).

Die Ergebnisse der Mikro-CT-Analyse sind in Abb. 4 beschrieben. Die BV/TV-Werte der einwurzeligen und doppelwurzeligen 3D-gedruckten Implantate betrugen 67,11 ± 13,05 % bzw. 60,76 ± 5,43 % und zeigten keine statistische Signifikanz Unterschied. Die Knochenmineraldichten der einwurzeligen und doppelwurzeligen 3D-gedruckten Implantate betrugen 1,11 ± 0,23 g mm−3 bzw. 1,02 ± 0,08 g mm−3 und zeigten keinen statistisch signifikanten Unterschied.

Repräsentative Mikrocomputertomographie (a) und Analyse (b, c). (a) Graue und grüne Bereiche zeigen die VOI- bzw. 3D-gedruckten Implantate an. BMD und BV/TV wurden im Graubereich gemessen. (b) Der BV/TV von einwurzeligen und mehrwurzeligen 3D-gedruckten Implantaten betrug 67,11 ± 13,05 % bzw. 60,76 ± 5,43 %, was keinen statistisch signifikanten Unterschied zeigt. (c) Die Knochenmineraldichte des einwurzeligen und mehrwurzeligen 3D-gedruckten Implantats betrug 1,11 ± 0,23 g mm−3 bzw. 1,02 ± 0,08 g mm−3, was keinen statistisch signifikanten Unterschied zeigt. CT: Computertomographie, VOI: interessierendes Volumen, 3D: 3-dimensional, BMD: Knochenmineraldichte, BV/TV: Knochenvolumen/Gewebevolumen.

Alle acht einwurzeligen und acht doppelwurzeligen 3D-gedruckten Implantate überlebten. Es gab keine spezifischen Entzündungszeichen. In beiden Gruppen wurde ein marginaler Knochenverlust an der mesialen und distalen Stelle ohne signifikante Unterschiede beobachtet. Bei den doppelwurzeligen 3D-gedruckten Implantaten wurde ein marginales Knochenverlustmuster im Furkationsbereich beobachtet.

Die Ergebnisse der Mikro-CT-Analyse sind in Abb. 5 beschrieben. Die BIC-Werte für die einwurzeligen und doppelwurzeligen 3D-gedruckten Implantate unterschieden sich deutlich (75,87 % ± 6,32 % bzw. 64,18 ± 5,23 %, p =). 0,0070). Die BAFO-Werte unterschieden sich signifikant (p = 0,0104) für die einwurzeligen und doppelwurzeligen 3D-gedruckten Implantate (64,88 ± 14,37 % bzw. 45,81 ± 9,01 %).

Repräsentativ für die histologische Ansicht (a, b) und die Analyse (b, d). (a) Histomorphometrische Ansicht eines doppelwurzeligen 3D-gedruckten Implantats. Beachten Sie die Knochenresorption im Furkationsbereich. (b) Histomorphometrische Ansicht eines einwurzeligen 3D-gedruckten Implantats (c) Der BIC bei einwurzeligen und mehrwurzeligen 3D-gedruckten Implantaten wies einen statistisch signifikanten Unterschied auf (75,87 % ± 6,32 % bzw. 64,18 ± 5,23 %, p = 0,0070) (d) Der BAFO war statistisch signifikant unterschiedlich (p = 0,0104) bei einwurzeligen und mehrwurzeligen 3D-gedruckten Implantaten (64,88 ± 14,37 % bzw. 45,81 ± 9,01 %). 3D: 3-dimensional, BIC: Knochen-Implantat-Kontakt, BAFO: Knochenflächenanteilbelegung.

In dieser Studie wurden die Implantatstabilität, der marginale Knochenverlust, die BV/TV-, BMD-, BIC- und BAFO-Werte von ein- und doppelwurzeligen 3D-gedruckten Implantaten unter Verwendung von Ti-6Al-4V-Pulver mittels Mikro-CT sowie histologischen und histomorphometrischen Analysen verglichen. Die doppelwurzeligen 3D-gedruckten Implantate zeigten (i) eine höhere Implantatstabilität, die nach 4 und 12 Wochen statistisch signifikant war; (ii) vergleichbarer marginaler Knochenverlust im proximalen Bereich, aber statistisch größerer marginaler Knochenverlust im mittleren Bereich; (iii) keine signifikant unterschiedlichen BV/TV- und BMD-Werte durch Mikro-CT-Analysen; und (iv) deutlich niedrigere BIC- und BAFO-Werte durch histomorphometrische Analysen im Vergleich zu einwurzeligen 3D-gedruckten Implantaten.

Die 3D-Drucktechnologie mit Ti–6Al–4V hat in den letzten Jahren in der Implantologie zunehmend an Interesse gewonnen. Trotz der großen Nachfrage ist die Herstellung von Ti6Al4V-Implantaten aufgrund seiner geringen Wärmeleitfähigkeit16, seiner Neigung zur Kaltverfestigung17,18 und seiner aggressiven chemischen Reaktivität gegenüber Sauerstoff19 schwierig. Die herkömmliche Ti-6Al-4V-Herstellungstechnik basiert auf dem Schmieden, Gießen und Walzen von Massenrohstoffen, gefolgt von der anschließenden Bearbeitung zu endgültigen Formen und Abmessungen; Allerdings führen diese Prozesse immer zu erheblichem Materialabfall, hohen Herstellungskosten und langen Vorlaufzeiten20,21. In solchen Fällen bietet die additive Fertigung (AM), eine moderne 3D-Drucktechnik, die durch schichtweises Hinzufügen von Materialien direkt aus CAD-Modellen endformnahe Strukturen erzeugt, ihre vorteilhafte Möglichkeit zur Herstellung von Ti-6Al-4V-Produkten mit Geometrie Komplexität. Aufgrund seines freien Designs, der individuellen Anpassung an einzelne Teile und der hohen Prozesseffizienz, die den dringenden Anforderungen im biomedizinischen Bereich gerecht wird, haben die klinischen Anwendungen des 3D-Drucks in den letzten Jahren stark zugenommen13.

Mit der additiven Fertigungsmethode können individuelle Designs erstellt werden, und mit Anpassungen des Makrodesigns und Oberflächenbehandlungen wurde die Machbarkeit der Verwendung von 3D-gedruckten Implantaten untersucht12,19,20. Allerdings gibt es nur begrenzte Belege für Vor- und Nachteile von doppelwurzeligen 3D-gedruckten Implantaten im Vergleich zu einwurzeligen 3D-gedruckten Implantaten. Diese Studie ergab, dass doppelwurzelige 3D-gedruckte Implantate eine vergleichbare Implantatstabilität, aber einen größeren marginalen Knochenverlust aufgrund des Furkationsbereichs im Vergleich zu einwurzeligen 3D-gedruckten Implantaten aufweisen.

Die Implantatstabilitätswerte nach 4 und 12 Wochen der doppelwurzeligen Implantate zeigten höhere Werte im Vergleich zu denen der einwurzeligen Implantate. Die meisten Implantatstabilitätswerte lagen über 70, was darauf hinweist, dass das Implantat bei funktioneller Belastung klinisch stabil war. Die positiven Ergebnisse der beiden Gruppen zu allen Zeitpunkten könnten auf ihre Rillenstruktur zurückzuführen sein, die in einer früheren Studie als Makroretentionsstruktur für gitterartige 3D-gedruckte Implantate zu einer hohen Implantatüberlebensrate und -stabilität führte16. Die Werte tendierten bei jeder Gruppe nach 2 und 4 Wochen zu einem Rückgang, obwohl dies innerhalb der Gruppen statistisch nicht signifikant war. Diese Tendenz spiegelt den Stabilitätsabfall wider, der zu dem niedrigsten Implantatstabilitätswert während der frühen Heilungsphase führt, wie in mehreren Studien berichtet21,22,23. Wie in früheren Studien scheint der Unterschied im Implantatstabilitätswert je nach Implantatdesign zum Zeitpunkt dieses Stabilitätsabfalls am deutlichsten zu sein16,21,22,23. Die höheren Stabilitätswerte nach 4 Wochen sind wahrscheinlich auf den zusätzlichen Effekt der Doppelwurzelstruktur auf die Implantatstabilität zurückzuführen.

In radiologischen Untersuchungen zeigten die ein- und doppelwurzeligen 3D-gedruckten Implantate unabhängig vom Implantattyp und Zeitpunkt ähnliche marginale Knochenverlustwerte an mesialen und distalen Stellen. Bei den doppelwurzeligen 3D-gedruckten Implantaten wurde zu jedem Zeitpunkt ein signifikant höherer marginaler Knochenverlust im Furkationsbereich (Mitte) beobachtet. Dieses Ergebnis kann durch frühere Studien erklärt werden, die zeigten, dass ein geringer Abstand zwischen den Implantaten (weniger als 3 mm) zu einem marginalen Knochenverlust führte24. Eine frühere Studie hat gezeigt, dass eine Vergrößerung des verfügbaren Raums für das Infiltrat entzündlicher Zellen den marginalen Knochenverlust reduzieren kann25. In unserer Studie war der Wurzelabstand im oberen Bereich gering, da die 3D-gedruckten Implantate mit ihrer konischen Morphologie die Form der Zähne so gut wie möglich widerspiegelten. Zusammengenommen zeigen diese Ergebnisse, dass ein enger Zwischenwurzelraum im oberen Bereich offenbar zu einem marginalen Knochenverlust im Furkationsbereich führte.

Gemäß den anerkannten Standards zur Beurteilung des Implantatüberlebens und -erfolgs sollte die marginale Veränderung des Knochenniveaus im ersten Jahr weniger als 1,5 mm betragen, und dieses Konzept wird weithin akzeptiert26. Die systematische Überprüfung und Metaanalyse von Ragucci et al.27 bewertete den marginalen Knochenverlust bei den Implantaten, die unmittelbar in der Extraktionsalveole in den Molarenbereichen platziert wurden, einschließlich Daten von 372 Implantaten in 11 Studien. Der marginale Knochenverlust wurde auf 1,29 ± 0,24 mm in der Nachbeobachtungszeit von mehr als einem Jahr mit einem 95 %-KI (0,81–1,76) geschätzt. Obwohl Unterschiede im Studiendesign, im Studienobjekt und im Implantatmaterial bestehen, ist der marginale Knochenverlust, der bei den einwurzeligen 3D-gedruckten Implantaten der aktuellen Studie festgestellt wurde (1,17 ± 1,00 mm im mesialen und 1,24 ± 1,30 mm im distalen Bereich), vergleichbar zu dem der vorangegangenen Studien. Der marginale Knochenverlust bei den doppelwurzeligen 3D-gedruckten Implantaten zeigte nach 12 Wochen ebenfalls vergleichbare marginale Knochenverlustwerte an der mesialen und distalen Stelle (1,24 ± 1,30 mm bzw. 1,42 ± 0,99 mm), der Wert war jedoch statistisch signifikant in der Mitte größer (3,00 ± 0,85 mm).

In Mikro-CT-Analysen unterschieden sich die BV/TV- und BMD-Werte der einwurzeligen und doppelwurzeligen 3D-gedruckten Implantate nicht signifikant. Daher scheint es, dass die Menge und Dichte des Knochens um die 3D-gedruckten Implantate herum nicht durch die Anzahl der Wurzeln der 3D-gedruckten Implantate beeinflusst wird. Die Morphologie der Implantathalterung scheint die periimplantäre Knochenheilung nicht zu beeinflussen, wenn ein Implantat mit der richtigen Oberfläche für die Osseointegration stabil gehalten wird. Diese Ergebnisse bestätigen, dass Ti-6Al-4 V-Pulver ein biokompatibles Material ist, das für 3D-gedruckte Zahnimplantate geeignet ist. Dieses Ergebnis steht im Einklang mit unserer vorherigen Studie, in der Implantate, die aus denselben Materialien hergestellt wurden, vergleichbare BV/TV- und BMD-Werte aufwiesen16.

In histomorphometrischen Analysen waren die BIC- und BAFO-Werte für die doppelwurzeligen 3D-gedruckten Implantate statistisch gesehen niedriger als für die einwurzeligen 3D-Implantate. Dies kann wahrscheinlich durch das Muster erklärt werden, bei dem der Furkationsbereich der Doppelwurzelimplantate eine signifikante interradikuläre Knochenresorption aufwies. Da sich BIC und BAFO auf die Menge bzw. den Prozentsatz der Implantatoberfläche beziehen, die mit dem Knochen in Kontakt steht, sind die Werte zwangsläufig niedriger als bei einwurzeligen Implantaten, die nicht den Nachteil der Furkation aufweisen. Obwohl ein Implantatdesign mit mehreren Wurzeln im hinteren Bereich vorgeschlagen wurde, um die mechanischen Komplikationen herkömmlicher Implantate zu reduzieren, bleibt das Ergebnis in Bereichen, die von der Furkation betroffen sind, rätselhaft.

In dieser Studie wurden die prothetischen Belastungsbedingungen bei 3D-gedruckten Implantaten nur bis zur Implantatinsertionsphase analysiert, nicht unter prothetischen Belastungsbedingungen. Allerdings ist die Okklusion einer der wichtigsten Faktoren, die den periimplantären Hartgewebe- und Implantaterfolg beeinflussen. Als Reaktion auf mechanische Belastung kann die Okklusion die Umgestaltung des periimplantären Hartgewebes beeinträchtigen. Aus dieser Perspektive sollten zukünftige Studien umfassende Bedingungen zur Bewertung der Funktionsstabilität berücksichtigen.

Eine weitere Einschränkung dieser Studie ist die Methode der Implantatinsertion aufgrund der Form der Doppelwurzelimplantate. Das 3D-gedruckte Doppelwurzelimplantat wurde eingeführt, um die mechanischen Komplikationen herkömmlicher Implantate und regenerativer Verfahren zu lindern. Die Methode des Klopfens des divergenten Doppelwurzelimplantats mit einem chirurgischen Hammer kann jedoch die Belastung im Knochen erhöhen. Obwohl divergierende Wurzeln die Okklusionskraft verteilen, ist die Beschaffenheit der divergenten Wurzelform ein Hindernis beim Einsetzen der Vorrichtung in den Knochen. Darüber hinaus behindert dieser Prozess der Platzierung des Implantats die genaue Positionierung der Vorrichtung apikokoronal und bukkolingual, da der Klopfvektor und die Kraft nicht präzise gesteuert werden können. Weitere Studien sollten die Auswirkungen des Einschlagens von 3D-Implantatbefestigungen in den Alveolarknochen und mögliche daraus resultierende Fehler untersuchen.

Innerhalb der Grenzen dieser präklinischen Studie zeigten 3D-gedruckte Doppelwurzelimplantate vergleichbare Stabilität, proximalen marginalen Knochenverlust, BV/TV- und BMD-Werte im Vergleich zu Einzelwurzelimplantaten. Allerdings zeigten die doppelwurzeligen Implantate einen erheblichen marginalen Knochenverlust im Furkationsbereich und niedrigere BIC- und BAFO-Werte als einwurzelige Implantate.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage bei den entsprechenden Autoren erhältlich.

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Diese Arbeit wurde durch das Industrial Strategic Technology Development Program – Materials and Components Technology Development Program (20001221, Entwicklung einer hochfesten und ermüdungsbeständigen Legierung und Herstellungstechnologie für wurzelanaloge Zahnimplantate) unterstützt, das vom Ministerium für Handel, Industrie und Energie (MOTIE) finanziert wird , Korea).

Abteilung für Parodontologie und zahnmedizinisches Forschungsinstitut, School of Dentistry, Seoul National University, 101 Daehak-ro, Jongno-gu, Seoul, 03080, Korea

Inna Chung, Jungwon Lee, Ling Li, Yang-Jo Seol, Yong-Moo Lee und Ki-Tae Koo

Abteilung für Parodontologie, Seoul National University Dental Hospital, Seoul, Korea

Chungs Mutter, Yang-Jo Seol, Yong-Moo Lee und Ki-Tae Koo

One-Stop Specialty Center, Seoul National University Dental Hospital, Seoul, Korea

Jungwon Lee

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Konzeptualisierung: JL, K.-TK; formale Analyse: Y.-ML, Y.-JS; Untersuchung: Inna Chung, JL, LL, Methodik: IC, JL, LL; Projektleitung: K.-TK; Schreiben – Originalentwurf: IC, JL; Schreiben – Rezension und Bearbeitung: LL, Y.-ML, Y.-JS, K.-TK Alle Autoren haben das Manuskript rezensiert.

Korrespondenz mit Jungwon Lee oder Ki-Tae Koo.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Chung, I., Lee, J., Li, L. et al. Eine präklinische Studie zum Vergleich von ein- und doppelwurzeligen 3D-gedruckten Ti-6Al-4V-Implantaten. Sci Rep 13, 862 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-27712-2

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Eingegangen: 05. September 2022

Angenommen: 06. Januar 2023

Veröffentlicht: 17. Januar 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-27712-2

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