Simulation of stress distribution and deformation in equine cheek teeth using the finite element method (FEM)
Final Report Abstract
In dieser Studie wurde der Einfluss von Kaukräften, die während des physiologischen Kauzyklus auftreten, auf das equine Parodontium untersucht. Über eine Berechnung von Belastungen und Spannungen im PDL mittels der Finite Elemente (FE) Analyse konnten Rückschlüsse auf die Ätiologie sowohl gingivoparodontaler als auch periapikaler Erkrankungen gezogen werden. Um FE-Simulationen durchführen zu können, musste zunächst die Konstruktion dreidimensionaler Modelle drei verschiedener Altersgruppen erfolgen. Alle Modelle bestanden aus einem homogen konstruierten Zahn, PDL, Lamina dura, Substantia spongiosa und Substantia compacta. Bei der Erzeugung des PDL wurde auf eine besonders realistische Darstellung Wert gelegt. So wurden Anteile des PDL unter den Wurzelspitzen sowie unter den Wurzelbioder -trifurkationen aufgrund von histologischen und biophysikalischen Besonderheiten als separate Materialien modelliert. Für die FE-Berechnungen mussten den einzelnen Strukturen definierte Werte des Elastizitätsmoduls und der Querkontraktionszahl zugeordnet werden. Werte für den Zahn und die einzelnen Knochenstrukturen wurden der Literatur entnommen. Der Elastizitätsmodul für das PDL wurde für die einzelnen Zahnaltersgruppen in Intrusionsversuchen und Soll-Ist-Wert Analysen ermittelt. In den anschließenden FE-Berechnungen wurden einzelne Kauphasen (Closing stroke und Power stroke) simuliert. Die auftretenden Belastungen wurden durch mechanische Spannungen sowie Verzerrungsenergiedichten (strain energy density = SED) dargestellt. Während des Closing stroke zeigte sich eine recht homogene Verteilung von niedrigen Spannungen sowie geringer SED im PDL. Große Spannungen und SED waren beim Power stroke vor allem im Bereich des Alveolarrandes als auch im Bereich der Wurzelspitzen lokalisiert. Die Größe der Belastungen stieg mit steigendem Zahnalter an. . Während des Power strokes auftretende Spannungen im Bereich des Alveolarrandes können an der Entstehung von Gingivitiden und Parodontaltaschen mitwirken, welche Ausgangspunkte für schwerwiegende Parodontitiden darstellen können. Große Spannungen in periapikalen Regionen können Kollagenfaserzerreißungen und nachfolgend Gewebsnekrosen sowie Entzündungsreaktionen in diesen Bereichen auslösen. Daraus resultieren optimale Bedingungen für eine Absiedlung von Mikroorganismen aus dem Blut. Die Ergebnisse dieser Studie unterstützen die Annahme, dass biomechanische Belastungen im PDL einen Einfluss auf die Entstehung parodontaler Erkrankungen haben.
Publications
- Periodontal biomechanics: Finite element simulations of closing stroke and power stroke in equine cheek teeth, BMC Vet. Res. 2012 May 20;8(1):60
V. Cordes, M. Lüpke, M. Gardemin, H. Seifert, C. Staszyk
(See online at https://dx.doi.org/10.1186/1746-6148-8-60) - Finite element analysis in 3-D models of equine cheek teeth, Vet J. 2012
V. Cordes, M. Gardemin, M. Lüpke, H. Seifert, L. Borchers, C. Staszyk
(See online at https://doi.org/10.1016/j.tvjl.2012.02.013) - Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (2012): Simulationen von Spannungszuständen und Belastungen im Parodontium equiner Backenzähne mit Hilfe der Finite Elemente Analyse (ausgezeichnet mit dem Erich Aehnelt Gedächtnispreis)
Vanessa Cordes
