Wie viel Spannung verträgt die Implantatschraube?

Vincent Stirnweiß, Arne Röhner und Fabian Röhner machen demnächst am Innerstädtischen Gymnasium Rostock ihr Abi - neben der Büffelei haben sie sich eineinhalb Jahre mit Minischrauben im Mundkiefer beschäftigt. Da drängt sich eine Frage auf: Warum?

Vincent Stirnweiß, Arne Röhner und Fabian Röhner:Nun, gerade mit den Minischrauben gibt es bei der Implantatversorgung immer wieder Probleme. Entweder die Schrauben brechen ab oder sie bringen die Knochen zum Absterben - beides aufgrund einer zu hohen Spannung im Kiefer. Wie genau diese Spannung errechnet wird, das haben wir aufwendig dargestellt und sind Landessieger "Jugend forscht" im Fachgebiet Physik geworden.

Was war denn der Ausgangspunkt Ihrer Überlegungen?

Die Implantation von Minischrauben in den Kiefer ist ein traumatischer Eingriff, durch den mechanische Spannungen in den Kiefer eingebracht werden. Dies kann bis zum Absterben des Knochens (Drucknekrosen) oder zum Verlust der Primärstabilität der Schrauben führen. Daher sollte mit diesem Projekt eine Methode entwickelt werden, mit der die Spannungen, die eine Schraube beim Einschrauben erzeugt, untersucht werden können. Die ermittelten Ergebnisse sollen dazu dienen, Aussagen über eine Designoptimierung von kieferorthopädischen Minischrauben zu treffen.

Wie viel Spannung verträgt denn nun eine Schraube? Und wovon hängt das ab?

Wie viel Spannung die Schraube verträgt, können wir nicht konkret beurteilen, das müssen wir selbst noch erforschen. Wir haben uns in dem Projekt erst mal mit der Frage beschäftigt, wie viel Spannung eine Minischraube erzeugt und wovon das abhängt. Dafür haben wir vier verschiedene Schrauben von unterschiedlichen Herstellern untersucht. Unsere Messungen haben ergeben, dass der Kieferknochen eine weitaus höhere Härte aufweist als das Acrylglas. Deswegen sind in der Realität noch höhere erzeugte Spannungen zu erwarten als wir berechnet haben.

Hängen denn Spannung und Schraubenmaße zusammen?

Ja. Die statistische Auswertung ließ die Schlussfolgerung zu, dass die Designparameter der Schraube in direktem Zusammenhang zu den von ihr erzeugten Materialspannungen stehen. Letztendlich hat die statistische Auswertung ergeben, dass je länger das Gewinde, je größer der Außendurchmesser, je geringer der Flankenwinkel und je größer die Gewindesteigung ist, desto größer sind die mechanischen Spannungen. Das entspricht auch dem, was wir erwartet haben.

Wie kamen Sie und Ihr Team auf das Thema? Was war die Initialzündung?

An unserer Schul gibt es das Projektfach "Angewandte Naturwissenschaften". Da wir naturwissenschaftlich interessiert und begabt sind, wurde uns dieses Projekt angeboten. Hintergrund ist, dass der Lehrstuhl Werkstoffe für die Medizintechnik der Universität Rostock selbst eine Minischraube entwickeln möchte und deswegen dieses Projekt zusammen mit Schülern durchführen wollte. Uns wurde auch versichert, dass die von uns entwickelte Methode und die Ergebnisse Grundlage für das optimierte Design bilden und weiter verwendet werden.

Vincent Stirnweiß, Arne Röhner und Fabian Röhner vertreten Mecklenburg-Vorpommern beim Finale des Bundeswettbewerbs vom 26. bis 29. Mai in Paderborn.