Simulation der Spannungsverteilung im Schneidezahngebiss und in den angrenzenden Kieferregionen des Pferdes

Parodontale Erkrankungen und periapikale Entzündungen sind die am häufigsten auftretenden Erkrankungen der equinen Backenzähne. Nur bei etwa der Hälfte der diagnostizierten Fälle ist jedoch eine Ätiopathogenese klar erkennbar. Eine progressive Erkrankung der Schneidezähne die mit initialen Veränderungen des Parodontiums einher geht, deren Ätiologie bisher ebenfalls unbekannt ist, wird zurzeit vermehrt bei alten Pferden (> 15 Jahren) festgestellt. Sie wurde nach ihrem klinischen und röntgenologischen Erscheinungsbild als EOTRH (Equine Odontoklastische Zahnresorption und Hyperzementose) benannt. Eine vermutete Ätiologie der parodontalen Erkrankungen basiert auf der Annahme, dass mastikationsbedingte, biomechanische Überbelastungen zu inflammatorischen Prozessen im parodontalen Ligament (PDL) führen. So entstehen lokal Prädilektionsstellen für die Absiedelung hämatogen gestreuter Bakterien. Des Weiteren wird vermutet, dass durch erhöhte Belastungen im Alveolarrandbereich das Eindringen von Bakterien begünstigt wird und damit die Grundlage parodontaler Erkrankungen geschaffen wird. Diese Hypothesen wurden mit Hilfe der Finiten Elemente (FE) Analyse für den equinen Schneidezahnapparat überprüft. Dabei wurden Zahnbewegungen und daraus resultierende mechanische Spannungen innerhalb von 3D Computermodellen errechnet. Dazu wurden zuerst die für die Finite Elemente Analyse nötigen dreidimensionalen Modelle auf Basis hochauflösender µCT Aufnahmen erstellt. Diese Modelle bestanden jeweils aus den Schneidezähnen, dem PDL und den umgebenden Kieferknochen. Besondere Sorgfalt wurde darauf verwendet, das PDL detailgetreu den anatomischen Verhältnissen angepasst zu modellieren, so dass die unterschiedliche Dicke des PDLs genau herausgearbeitet wurde. Jedem Bestandteil der Modelle wurden anschließend Materialparameter (Elastizitätsmodul und Querkontraktionszahl) zugewiesen. Die Werte von Zahn und Knochen, sowie die Querkontraktionszahl des PDLs wurden der Literatur entnommen. Der Elastizitätsmodul für das parodontale Ligament wurde in eigenen Intrusionsversuchen bestimmt. Durch den Vergleich zwischen den bei den Intrusionsversuchen ermittelten Zahnbewegungen und den in der FE Analyse berechneten Werten wurde die Güte und die sehr hohe Qualität der Modelle bestätigt. Die Simulation der physiologischen Kieferbewegung zeigte Belastungen, die sowohl durch auftretende mechanische Spannungen als auch durch Verzerrungsenergiedichten (strain energy densities, SEDs) dargestellt wurden. Stark belastete Areale des PDLs waren entlang des Alveolarrandes sowohl labial, wie auch lingual/palatinal zu sehen und leicht okklusal der Wurzelspitze auf der lingualen/palatinalen Zahnseite. Dabei waren Druckspannungen auf der labialen Seite des Alveolarrandes sowie lingual/palatinal leicht okklusal der Wurzelspitze vorherrschend. Die Areale auf der lingualen/palatinalen Seite des Alveolarrandes waren jedoch vor allem durch Zugspannungen belastet. Im angrenzenden Kieferknochen traten hohe Belastungen entlang des Alveolarrandes labial in Form von erhöhten Drücken auf, und vorherrschend Zugspannungen waren auf der lingualen/palatinalen Seite zu sehen. Im alten Pferd waren die Areale, in denen die Belastungen auftraten, im PDL deutlich größer sowie die absoluten Werte deutlich höher als im jungen Pferd. Die Ergebnisse dieser Studie untermauern die Hypothese, dass mechanische Überbelastungen im PDL als auslösende Faktoren der EOTRH in Frage kommen. Insbesondere zeigen die Simulationen, dass die Belastungen des Parodontiums bei alten Pferden größer sind als bei jungen Tieren. Diese Ergebnisse decken sich mit der steigenden Prävalenz parodontaler Erkrankungen bei älteren Pferden und damit, dass EOTRH in der Regel erst bei Pferden älter als 15 Jahre diagnostiziert wird. Außerdem stimmen die Bereiche, in denen erhöhte Spannungen auftreten, mit den Bereichen des Zahnes, in denen die initialen Krankheitsstadien der EOTRH liegen, weitestgehend überein. Das Belastungsmuster entlang des knöchernen Alveolarrandes (Druckspannungen labial, Zugspannungen lingual/palatinal) unterstützt die Annahme, dass die alterstypische Änderung der Schneidezahnstellung biomechanische Ursachen hat. Die knöcherne Zahnumgebung reagiert auf die stetige, mechanische Beanspruchung mit Knochenapposition auf der lingualen/palatinalen Seite und mit Knochenabbau auf der labialen Seite. Daraus resultiert eine langsam fortschreitende Kipp- und Rotationsbewegung der Schneidzähne, die zu einer immer flacheren Winkelstellung des Schneidzahngebisses führt. Durch die hier präsentierte Studie wird deutlich, dass die Kombination von Laborversuchen und Finite Elemente Berechnungen sehr gut dazu geeignet ist, die Materialparameter eigener Modelle zu bestimmen. Es wurde gezeigt, dass die Konstruktion von detailreichen, komplexen und zum Teil sehr großen dreidimensionalen Modellen auf Basis hochauflösender µCT Aufnahmen möglich ist und dass die Verwendung der FE Analyse auch in der pferdemedizinischen Zahnheilkunde ein sehr wertvolles Mittel ist, biomechanische Vorgänge in Gebieten zu simulieren, in denen in vivo Messungen nicht möglich sind. Diese Simulationen bieten die Möglichkeit, Aufschluss über prädisponierende Faktoren und Ätiopathogenesen verschiedener dentaler Erkrankungen zu erlangen und liefern wertvolle Hinweise auf die Entstehung alterstypischer Veränderungen der Gebisse. Auf Grundlage dieser Studie können nun Modelle gesamter Schädel angefertigt werden, die eine zeitabhängige Simulation des Kauzyklus ermöglichen und damit die biomechanischen Vorgänge im Gesamtkomplex von Schneidezahn, Backenzahn und Schädelknochen der weiteren Erforschungen zugänglich machen.