Finite-Elemente-Analyse der Beanspruchung in einer herausnehmbaren zahnlosen Unterkieferprothese bei vertikalen und schrägen Okklusionskräften

Warum Prothesenbrüche wichtig sind

Menschen, die auf vollständige Unterkieferprothesen angewiesen sind, haben oft ein lästiges und kostspieliges Problem: Ihre Prothesen brechen, besonders im vorderen Bereich, obwohl dort eigentlich nur geringe Beißkräfte wirken sollten. Diese Arbeit untersucht dieses alltägliche Rätsel mithilfe von Computersimulationen. Indem sie virtuell mit einer digitalen Prothese „kauen“, prüfen die Autoren, ob normale Kaubelastungen allein ausreichen, um eine gut gefertigte Unterkieferprothese zum Brechen zu bringen, oder ob andere, verborgene Faktoren mitspielen müssen.

Ein rätselhafter Ort für Risse

Die traditionelle Lehre in der Zahnmedizin besagt, dass die stärksten Kaubelastungen an den hinteren Zähnen auftreten, während die vorderen Zähne einer vollständigen Unterkieferprothese viel geringere Lasten erfahren. Dennoch zeigen Umfragen, dass 20–30 % der Vollprothesen schließlich brechen, und viele dieser Risse beginnen im vorderen Bereich. Frühere Erklärungsversuche drückten die Modelle oft in unrealistische Extreme: Es wurden Beißkräfte verwendet, die weit über dem liegen, was reale Patienten erzeugen können, übergroße Defekte angenommen oder die Prothese gezwungen, auf sehr scharfen Knochenleisten zu liegen. Die vorliegende Studie stellt eine einfachere, klinisch fundierte Frage: Wenn eine Unterkieferprothese richtig auf dem Weichgewebe gestützt ist und ohne erkennbare Mängel hergestellt wurde, können normale Kaubelastungen dennoch Spannungen im vorderen Bereich erzeugen, die groß genug sind, um sie zu brechen?

Aufbau einer virtuellen Unterkieferprothese

Die Autoren erstellten ein detailliertes dreidimensionales Modell einer vollständigen Unterkieferprothese mit zahnmedizinischer Planungssoftware und importierten es dann in eine Ingenieurssoftware zur Finite-Elemente-Analyse — eine Methode, die Prothese und stützendes Gewebe in viele kleine Elemente aufteilt und berechnet, wie sich jedes unter Last verformt. Basis und künstliche Zähne wurden als typisches Acrylkunststoffmodell dargestellt, während das darunter liegende Zahnfleisch als eine weiche, leicht elastische Schicht auf deutlich steiferem Knochen modelliert wurde. Es wurde angenommen, dass die Prothese gut sitzt und fest am Zahnfleisch haftet, was einer ideal angepassten Versorgung entspricht. Getestet wurden zwei Kauszenarien: rein vertikale Kräfte von 100 Newton auf den hinteren Molaren und stärkere schräge Kräfte von 140 Newton in einem Winkel von 45 Grad, um die seitliche Komponente realen Kauens nachzubilden. Das Team variierte außerdem die Feinheit des rechnerischen „Netzes“, um sicherzustellen, dass die berechneten Spannungen zuverlässig sind und keine rein numerischen Artefakte darstellen.

Wohin die Spannung tatsächlich geht

Die Simulationen bestätigten, dass schräges Kauen deutlich belastender ist als rein vertikales. Unter vertikalen Kräften blieben die Spannungen in der gesamten Prothese sehr gering. Bei schräger Belastung bog und verdrillte sich die Prothese über dem Weichgewebsuntergrund: Die innere (zungezugewandte) Oberfläche des vorderen Bereichs geriet in Zug, während die äußere (lippenzugewandte) Oberfläche in Druck geriet. Dennoch traten selbst in diesem stärkeren Szenario die höchsten zuverlässig berechneten Spannungen im hinteren Molarenbereich auf, nicht vorne. In der kritischen vorderen Zone zwischen Eck- und Schneidezähnen blieben die Zugspannungen im intakten Material in der Größenordnung von etwa oder unter 10 Megapascal — deutlich unter den typischen Zug- und Biegefestigkeiten moderner Prothesenkunststoffe, die mehrere Male höher liegen. Nur in winzigen, scharfen Rillen zwischen den Zähnen stiegen die Spannungen lokal an, und selbst diese Werte lagen noch unter den normalerweise für sofortiges Versagen erforderlichen Niveaus.

Ermüdung, winzige Rillen und reales Kauen

Die Autoren verglichen ihre Spannungswerte mit bekannten Labordaten zum Verhalten von Prothesenkunststoffen unter Einzelbelastung und wiederholter Ermüdung. Alltägliches Kauen setzt eine Prothese täglich tausenden Lastzyklen aus, sodass auch kleine Spannungen über viele Monate hinweg zu Risswachstum führen können. In den Simulationen überlappten die Spannungsniveaus im Eckzahngebiet mit dem unteren Bereich der berichteten Ermüdungsfestigkeitswerte, was darauf hindeutet, dass langfristiger Verschleiß und nicht ein einzelner starker Biss die realistischere Sorge ist. Wichtig ist, dass die Analyse hervorhob, wie kleine anatomische Details — schmale Rillen und scharfe Übergänge in der Nähe der Zahnhälse — lokal Zug verstärken können. Das Glätten dieser Merkmale auf der Zungenseite der Prothese, wo die Optik weniger kritisch ist, könnte die Spannung deutlich reduzieren und die Haltbarkeit verbessern, ohne große Designkompromisse einzugehen.

Was das für Prothesenträger bedeutet

Insgesamt kommt die Studie zu dem Schluss, dass bei einer gut sitzenden Unterkieferprothese aus modernem Acryl, die auf gesundem Weichgewebe ruht, typische Kaubelastungen allein kaum genug Spannung im vorderen Bereich erzeugen, um sie zu brechen. Dieses Ergebnis legt nahe, dass viele reale Brüche wahrscheinlich eine Kombination anderer Faktoren beinhalten: geringe Fehlanpassungen, ungleichmäßige Okklusionskontakte, Langzeitermüdung oder unbemerkte Materialfehler. Für Patienten lautet die Botschaft, dass regelmäßige Kontrollen, sorgfältige Prothesenanfertigung und Aufmerksamkeit für scheinbar kleine Formdetails mindestens genauso wichtig sein können wie die Rohmaterialfestigkeit. Für Kliniker und Techniker weist die Arbeit auf praktische Strategien hin — etwa das Glätten enger Rillen und die Optimierung der Stützung auf dem Zahnfleisch — um Alltagsprothesen weniger anfällig für plötzliche, lästige Brüche zu machen.

Zitation: Madoune, Y., Żmudzki, J. & Lee, H. Finite element analysis of stress in removable lower complete denture under vertical and oblique occlusal forces. Sci Rep 16, 11997 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37756-9

Schlüsselwörter: vollständige Prothese, Prothesenbruch, Finite-Elemente-Analyse, kaulast, Prothesendesign