Untersuchung zur Temperaturentwicklung bei Implantatbettaufbereitung und -insertion

Abstract

Einleitung Die ersten wissenschaftlich dokumentierten klinischen Erfolge der dentalen Implantologie sind in Zusammenhang mit der Einführung von Titan als Implantatmaterial zu sehen. Seit den 1970er Jahren hat sich Titan dank seiner bioinerten Eigenschaft etabliert. Das entzündungsfreie Einheilen von Titanimplantaten, bekannt als Osseointegration, ist eng mit der Schwedischen Schule und dem Namen Per-Ingvar Brånemark verbunden. Bereits früh wurde erkannt, dass sowohl thermische als auch mechanische Traumata einen wesentlichen Einfluss auf die Vitalität des Knochengewebes haben. Insbesondere das Temperaturniveau während der Implantatbett-aufbereitung und -insertion spielt eine wichtige Rolle, um die Regenerations- und Lebensfähigkeit der Osteozyten nicht zu gefährden. Andernfalls kann es zu bindegewebigem Einheilen des Implantats kommen, das mit beschleunigtem Knochenabbau und potenziellem Implantatverlust einhergehen kann. Ziel der vorliegenden Untersuchung war es daher, mögliche Faktoren der Temperaturentwicklung im Rahmen der Implantatbettaufbereitung und Implantat-insertion zu analysieren. Material und Methode Im ersten Teil der Studie wurden in vitro Temperaturmessungen bei Implantatbettaufberei-tungen an Polyurethanschaum, einem knochenähnlichen Material durchgeführt. Bei zehn Versuchsgruppen erfolgten jeweils fünf Bohrungen. In Gruppe 1 benutzte man 2,8mm Durchmesser Bohrer in 20pcf (pound per cubic foot) dichtem Material. In Gruppe 2 wiederholte man diese Bohrungen in 30pcf, in Gruppe 3 in 40pcf dichtem Material. In Gruppe 4 verwendete man einen mehr als 25 mal benutzten 2,8mm Bohrer in 40pcf Material. Gruppe 5 beschrieb Bohrungen mit einem 2,0mm Bohrer in 40pcf, Gruppe 6 unterschied sich dazu nur im Durchmesser des Bohrers mit 3,65mm. In Gruppe 7 kamen DLC-beschichtete Bohrer (Diamond like Carbon) mit 2,8mm Durchmesser zur Anwendung, ebenfalls in 40pcf Material. In Gruppe 8 wurden eben diese Bohrungen mit zusätzlicher Kühlung wiederholt. Gruppe 9 unterschied sich zu Gruppe 7 durch eine 2,0mm Vorbohrung ohne Kühlung. In der 10. Gruppe erfolgten erneut DLC-Bohrungen mit NaCl-Kühlung, aber in 20pcf dichtem Material mit einer 3mm dicken 40pcf Deckplatte, die die Kortikalis imitierte. Bei allen Bohrungen wurden Temperaturmessungen im 0,5mm Abstand vom Bohrstollen in 3 und 10mm Tiefe durchgeführt. In den Versuchsgruppen 7,8 und 10 zeichnete man weiterhin die Bohrer-temperatur mit einer Infrarotkamera auf. Im zweiten Teil der Studie wurden in vivo Temperaturmessungen mittels einer Infrarotkamera an zwei unterschiedlichen Bohrern (2,8mm mit und ohne DLC-Beschichtung) am Minischwein durchgeführt. Dies diente dazu, anhand eines Regressionsmodells, welches auf den Messungen aus den Versuchsgruppen 7,8 und 10 basierte, Rückschluss auf die tatsächlichen intraossären Temperaturen zu ziehen. Im dritten Teil erfolgten in vitro Untersuchungen zur Temperaturentwicklung bei der Insertion zweier unterschiedlicher Implantatformen, einem neuartigen MT-Implantat mit bauchigem Körper und scharfem Gewinde im apikalen Teil und dem konventionellen MAX-Implantat mit konischer Grundform. Weiterhin dokumentierte man das bei Insertion aufgebrachte maximale Drehmoment und überprüfte die Stabilität der Implantatverankerung. Zur statistischen Analyse dienten der Shapiro-Wilk-Test zur Bewertung der Normalverteilung, der Levene-Test für Varianzenhomogenität und die Bonferroni-Holm-Korrektur sowie der Wilcoxon-Test zur Ermittlung signifikanter Unterschiede. Für alle statistischen Unter-suchungen wurde das Signifikanzniveau auf α = 0,05 festgelegt. Ergebnisse In Gruppe 1 mit dem 20pcf Material führten die 2,8mm Bohrer zu einem Anstieg der Temperatur von 1,4 °C (3mm Tiefe) und 0,9 °C (10mm). In Gruppe 2 (30pcf) lagen die Werte bei 3,4 °C und 2,6 °C. Bei Gruppe 3 (40pcf) kam es zu Anstiegen von 6,3 °C und 7,4 °C. Bereits kleine Steigerungen der Dichte führten zu signifikant höheren Temperaturen (20pcf zu 30pcf 3mm: p = 0,000; 30pcf zu 40pcf 3mm: p = 0,004; 10mm: p = 0,029). In 10mm Tiefe lag von 20pcf zu 30pcf ein p = 0,135 vor. Mit Gruppe 3 verglichen führte Gruppe 4 (25 mal benutzter 2,8mm Bohrer) zu erhöhten Temperaturanstiegen von 10,6 °C in 3mm Tiefe (p = 1,0) und 6,3 °C in 10mm Tiefe (p = 1,0). Gruppe 5 (2,0mm Bohrer) führte in 3mm Tiefe zu Anstiegen von 6,0 °C und in 10mm Tiefe zu 3,6 °C. In Gruppe 6 (3,65mm Bohrer) kam es zu Temperaturentwicklungen von 6,8 °C (3mm Tiefe) und 6,4 °C (10mm). Die drei unterschied-lichen Bohrerdurchmesser (Gruppen 3, 5 und 6) hatten keinen signifikanten Einfluss auf die Temperaturzunahme (p > 0,05). Bei DLC-Bohrern ohne Kühlung (NaCl; Gruppe 7) ergab sich in 3mm Tiefe ein Temperaturanstieg von 21,3 °C und in 10mm Tiefe 11,4 °C. Der beschichtete Bohrer unterschied sich dabei in 3mm Tiefe signifikant vom unbeschichteten Bohrer (Gruppe 3; p = 0,009); in 10mm Tiefe allerdings nur tendenziell (p = 0,066). In Gruppe 8 (DLC + NaCl) lagen die Temperaturentwicklungen bei 1,8 °C (3mm) und 3,5 °C (10mm), die Werte unterschieden sich signifikant von Gruppe 7 (p = 0,000 in 3mm, p = 0,004 in 10mm). Bei Gruppe 9 mit Vorbohrung stiegen die Temperaturen um 2,1 °C (3mm) und 0,7 °C (10mm) und unterschied sich damit ebenfalls signifikant von Gruppe 7 (p = 0,000). Gruppe 10 (DLC + NaCl + Kortikalis) führte zu einer Temperaturentwicklung von 1,5 °C (3mm) und 1,3 °C (10mm), damit ergaben sich signifikante Unterschied zu Gruppe 7 (DLC ohne Kühlung, p = 0,000). Im zweiten Teil, der die in vivo Messungen einschloss, ließ sich nach linearer Regressionsanalyse der intraossäre Temperaturanstieg berechnen. Die konventionellen Bohrer ergaben einen Temperaturanstieg von 3,1°C in 3mm Tiefe und 3,2 °C in 10mm Tiefe. Die DLC-beschichteten Bohrer führten hier zu einem minimal geringeren Anstieg von 3,0 und 3,1 °C (p < 0,05). Im dritten Teil, beim Vergleich der zwei Implantat-Typen, ergab sich für das konische MAX-Implantat ein ISQ-Wert von 71,5; das neuartige MT-Implantat zeigte 68,4 (p = 0,116). Das MAX-Implantat erfuhr bei der Insertion in 3mm Tiefe eine Temperaturzunahme von 3,8 °C und in 10mm Tiefe von 4,5 °C. Das MT-Implantat führte zu einem Anstieg von 7,6 °C und 7,5 °C (3mm: p < 0,01; 10mm: p = 0,02). Beim MAX-Implantat erforderte die Insertion ein Drehmoment von 49,4Ncm, beim MT-Implantat 33,9Ncm (p <0,01). Beim MAX-Implantat lag die Dauer der Insertion bei 7,16s, beim MT-Implantat 17,36s (p <0,01). Diskussion Die Temperaturentwicklung bei der Implantatbettaufbereitung stellt einen kritischen Faktor in der Implantologie dar und wird mit einem erhöhten Risiko für Frühverluste in Verbindung gebracht. Es konnte in der Studie gezeigt werden, dass die Dichte des künstlichen Knochenmaterials einen entscheidenden Einfluss auf die Temperaturentwicklung hat. Mit zunehmender Dichte sorgt die vermehrte Reibung für deutlich stärkere Temperaturzunahmen, was im klinischen Alltag zu beachten ist. Die Mehrfachverwendung eines Bohrers scheint hingegen einen weniger bedeutsamen Einfluss zu haben. Obgleich die Werte erhöht waren, lag kein statistisch signifikanter Unterschied vor. Auch der Bohrerdurchmesser beeinflusst die Temperaturentwicklung nicht bedeutend. Die DLC-Beschichtung, welche reibungsverringernd wirken soll, führte im Kunstknochen zu deutlich größerer Temperatursteigerung. Bei den in vivo Versuchen schnitten die DLC beschichteten Bohrer besser ab als die konventionellen Bohrer (p<0,01 bzw. p<0,02). Da dieses Ergebnis widersprüchlich erscheint, sollten weitere Untersuchungen die zweckmäßige Verwendbarkeit der DLC Beschichtung überprüfen. In den Versuchen konnte außerdem die bekannte Wirkung der externen Kühlung mit NaCl unterstrichen werden, da sich die Temperaturen signifikant reduzierten. Auch nach Vorbohrungen zeigte sich eine Reduktion des Temperaturanstiegs, was diesen zusätzlichen Schritt sinnvoll erscheinen lässt. Der Temperaturanstieg bei Insertion der Implantate ist ein von der Literatur oft vernachlässigtes Thema, da die Drehzahl sehr gering ist. Die Ergebnisse zeigen jedoch, dass ein gewisser Temperaturanstieg vorliegen kann, welcher im unkritischen Bereich liegt und mit der Gewindegeometrie zusammenhängen dürfte. Schlussfolgerung Bei all den Faktoren, welche die Temperaturentwicklung bei der Implantatbettaufbereitung beeinflussen, kommt der Knochendichte die meiste Bedeutung zu. Daneben sollte stets auf ausreichende Kühlung geachtet werden. Auch bei der Implantatinsertion ist eine geringe Drehzahl von Vorteil, um die Temperaturentwicklung gering zu halten und eine Schädigung des Knochengewebes zu vermeiden.

Introduction The first scientifically documented clinical success in dental implantology is associated with the introduction of titanium as an implant material. Since the 1970s, titanium has established itself thanks to its bioinert properties. The inflammation-free healing of titanium implants, known as osseointegration, is closely associated with the Swedish school of dentistry and the name Per-Ingvar Brånemark. It was recognized early on that both thermal and mechanical trauma have a significant impact on the vitality of bone tissue. In particular, the temperature level during implant site preparation and insertion plays a key role in ensuring that the regenerative capacity and viability of osteocytes are not compromised. Otherwise, connective tissue healing of the implant can occur, which can be associated with accelerated bone loss and potential implant loss. Therefore, the aim of this study was to analyze possible factors influencing temperature development during implant site preparation and implant insertion. Materials and Methods In the first part of the study, in vitro temperature measurements were conducted during implant bed preparations in polyurethane foam, a bone-like material. Ten experimental groups each underwent five drillings. In Group 1, 2.8 mm diameter drills were used in 20 pcf (pound per cubic foot) dense material. In Group 2, these drillings were repeated in 30 pcf, and in Group 3 in 40 pcf dense material. In Group 4, a 2.8 mm drill that had been used more than 25 times was used in 40 pcf material. Group 5 described drilling with a 2.0 mm drill in 40 pcf, while Group 6 differed only in the diameter of the drill: 3.65 mm. In Group 7, DLC-coated (diamond-like carbon) drills with a diameter of 2.8 mm were used, also in 40 pcf material. In Group 8, these drillings were repeated with additional cooling. Group 9 differed from Group 7 in that a 2.0 mm pilot hole was drilled without cooling. In Group 10, DLC drilling was again performed with NaCl cooling, but in 20 pcf dense material with a 3 mm thick 40 pcf cover plate simulating the cortex. Temperature measurements were taken in all holes at a distance of 0.5 mm from the drill bit at depths of 3 and 10 mm. In test groups 7, 8, and 10, the drill temperature was also recorded using an infrared camera. In the second part of the study, in vivo temperature measurements were performed using an infrared camera on two different drill bits (2.8 mm with and without DLC coating) in minipigs. This served to draw conclusions about the actual intraosseous temperatures using a regression model based on the measurements from test groups 7, 8, and 10. In the third part, in vitro investigations were conducted on the temperature development during the insertion of two different implant shapes: a novel MT implant with a bulbous body and sharp thread in the apical part, and the conventional MAX implant with a conical design. Furthermore, the maximum torque applied during insertion was documented and the stability of the implant anchorage was checked. The Shapiro-Wilk test was used for statistical analysis to assess normal distribution, the Levene test for homogeneity of variances and the Bonferroni-Holm correction, as well as the Wilcoxon test to determine significant differences. For all statistical analyses, the significance level was set at α = 0.05. Results In Group 1 with the 20pcf material, the 2.8mm drill bits resulted in a temperature increase of 1.4°C (3mm depth) and 0.9°C (10mm). In Group 2 (30pcf), the values were 3.4°C and 2.6°C. In Group 3 (40pcf), there were increases of 6.3°C and 7.4°C. Even small increases in density led to significantly higher temperatures (20pcf to 30pcf 3mm: p=0.000; 30pcf to 40pcf 3mm: p=0.004; 10mm: p=0.029). At 10mm depth, the difference between 20pcf and 30pcf was p=0.135. Compared to group 3, group 4 (2.8mm drill used 25 times) resulted in temperature increases of 10.6°C at a depth of 3 mm (p=1.0) and 6.3°C at a depth of 10 mm (p=1.0). Group 5 (2.0mm drill) resulted in increases of 6.0°C at a depth of 3 mm and 3.6°C at a depth of 10 mm. In group 6 (3.65mm drill), temperature developments of 6.8°C (3 mm depth) and 6.4°C (10 mm) occurred. The three different drill diameters (groups 3, 5, and 6) had no significant influence on the temperature increase (p>0.05). For DLC drills without cooling (NaCl; Group 7), a temperature increase of 21.3°C was observed at a depth of 3 mm and 11.4°C at a depth of 10 mm. The coated drill differed significantly from the uncoated drill at a depth of 3mm (Group 3; p=0.009); however, at a depth of 10mm, only a slight difference was observed (p=0.066). In Group 8 (DLC + NaCl), the temperature developments were 1.8°C (3 mm) and 3.5°C (10 mm), which differed significantly from Group 7 (p=0.000 in 3 mm, p=0.004 in 10 mm). In Group 9 with pre-drilling, the temperatures increased by 2.1°C (3 mm) and 0.7 °C (10mm), also differing significantly from Group 7 (p=0.000). Group 10 (DLC + NaCl + cortical bone) resulted in a temperature development of 1.5°C (3mm) and 1.3°C (10 mm), thus resulting in significant differences to group 7 (DLC without cooling, p=0.000). In the second part, comprising the in vivo measurements, the intraosseous temperature increase was calculated using linear regression analysis. The stainless steel drills resulted in a temperature increase of 3.1°C at a depth of 3 mm and 3.2°C at a depth of 10 mm. The DLC-coated drills resulted in a smaller increase of 3.0 and 3.1°C (p<0.05). In the third part, comparing the two implant types, the conical MAX implant resulted in an ISQ value of 71.5; the novel MT implant had a value of 68.4 (p =0.116). The MAX implant experienced a temperature increase of 3.8°C upon insertion at a depth of 3 mm and 4.5°C at a depth of 10 mm. The MT implant resulted in an increase of 7.6°C and 7.5°C (3 mm: p<0.01; 10 mm: p=0.02). Insertion of the MAX implant required a torque of 49.4 Ncm, compared to 33.9 Ncm for the MT implant (p<0.01). The insertion time for the MAX implant was 7.16 s, compared to 17.36 s for the MT implant (p<0.01). Discussion Temperature development during implant site preparation is a critical factor in implantology and is associated with an increased risk of early bone loss. The study showed that the density of the artificial bone material has a decisive influence on temperature development. With increasing density, increased friction leads to significantly greater temperature increases, which is important to consider in everyday clinical practice. The multiple use of a drill, on the other hand, appears to have only a minor influence as no statistically significant difference was observed, although the values were increased. The drill diameter also did not significantly influence temperature development. The DLC coating, which is intended to reduce friction, led to a significantly increased temperature increase in the artificial bone. In the in vivo tests, the DLC-coated drills performed better than the conventional drills (p<0.01 and p<0.02, respectively). Since this result appears contradictory, further studies should be conducted to verify the appropriateness of the DLC coating. The tests also underscored the known effect of external cooling with saline, as temperatures were significantly reduced. A reduction in the temperature rise was also observed after pre-drilling, which makes this additional step seem sensible. The temperature rise during implant insertion is a topic often neglected in the literature due to the very low rotational speed. However, the results show that a certain temperature rise can occur, which is in the non-critical range and is likely related to the thread geometry. Conclusion Of all the factors that influence temperature development during implant bed preparation, bone density is the most important one. Adequate cooling should also be ensured at all times. A low rotational speed is beneficial during implant insertion to keep temperature development to a minimum and avoid damage to the bone tissue.