CC BY
34
DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2016.4.04 УДК 531/534:[57+61]
БИОМЕХАНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПОСТРЕЗЕКЦИОННОГО ПРОТЕЗА-ОБТУРАТОРА, ИЗГОТОВЛЕННОГО ИЗ ПОЛИАМИДА, АРМИРОВАННОГО НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫМ ДИОКСИДОМ ТИТАНА
О.А. Шулятникова1, Г.И. Рогожников1, В.А. Лохов2, А.Ф. Шулятьев2
1 Кафедра ортопедической стоматологии Пермского государственного медицинского университета имени академика Е.А. Вагнера Минздрава России, 614000, Пермь, ул. Петропавловская, 26, e-mail:anasko06@mail.ru
2 Кафедра теоретической механики и биомеханики Пермского национального исследовательского политехнического университета, Россия, 614990, Пермь, Комсомольский проспект, 29, e-mail: shulyatev.af@gmail.com
Аннотация. Представлен пострезекционный протез-обтуратор для верхней челюсти человека, изготовленный из полиамида. Авторами предложено армирование полиамида VertexThermoSens наноструктурированным диоксидом титана в количестве до 1 мас. %. Новый материал снижает уровень развития патогенной биофлоры на протезе и улучшает качество ортопедического лечения пациентов с приобретенными дефектами верхней челюсти за счет снижения возможных осложнений воспалительного характера. Проведены исследования механических свойств полученного материала с помощью электромеханической системы Instron 5965. По ГОСТ 31572-2012, скорость нагружения составила 5 мм/мин. Нагружение осуществлялось до достижения перемещением значения 4 мм, после чего испытание останавливалось, образец разгружался и вынимался из приспособления. Определены модуль Юнга и максимальные напряжения армированного полиамида. Выполнено сравнение свойств нового материала с акриловой пластмассой. Поставлена задача линейной теории упругости для протеза-обтуратора в рамках малых деформаций. Задача решена методом конечных элементов. Для построения 3D-модели протеза использован сканер Artec Eva. В результате показано, что данный протез обладает необходимыми механическими свойствами и способен выдержать функциональные нагрузки. На основании исследований предложенный материал может быть рекомендован для использования в клинической практике при изготовлении сложно-челюстных протезов и аппаратов.
Ключевые слова: протез-обтуратор, наноструктурированный диоксид титана, полиамид, метод конечных элементов.
Введение
Проблема ортопедического лечения больных с дефектами челюстно-лицевой области не теряет своей актуальности, несмотря на значительные успехи в области реконструктивной хирургии. Так, приобретенные дефекты челюстно-лицевой области,
© Шулятникова О.А., Рогожников Г.И., Лохов В.А., Шулятьев А.Ф., 2016
Шулятникова Оксана Александровна, к.м.н., доцент кафедры ортопедической стоматологии, Пермь Рогожников Геннадий Иванович, д.м.н., профессор, заведующий кафедрой ортопедической стоматологии, Пермь
Лохов Валерий Александрович, к.ф.-м.н., доцент кафедры теоретической механики и биомеханики, Пермь
Рис. 1. Изображение дефекта верхней челюсти (а), протез-обтуратора (б)
приводящие к эстетико-функциональным нарушениям и требующие дальнейшей стоматологической ортопедической реабилитации пациентов, составляют 55 % случаев от общего колличества [4].
У данной категории пациентов наибольшую трудность на ортопедическом этапе лечения представляют дефекты верхней челюсти с наличием ороназального (между носовой и ротовой полостью) сообщения, которые чаще всего возникают как следствие операций по поводу новообразований (рис. 1, а) [5]. При этом значительный по размеру дефект костной ткани верхней челюсти предполагает создание объемных протезов-обтураторов (протез, закрывающий верхнее небо) с расширенными границами (рис. 1, б), что ведет к увеличению веса изготовленной конструкции, ухудшая фиксацию и стабилизацию протеза, приводя к перегрузке оставшихся зубов.
Растущий интерес к стоматологическому материаловедению базисных полимеров привел к разработке таких материалов, как поликарбонат, термопласт, карбодент, полистирол, полиуретан, имеющих несомненную ценность в ортопедической стоматологии [1]. Тем не менее до сих пор 98 % съемных ортопедических конструкций выполнены из акриловой пластмассы [3], имеющей ряд недостатков в виде наличия остаточного мономера, усадки в процессе изготовления протеза, невысоких прочностных характеристик, дезинтеграции структуры при использовании, наличия малоэстетичных металлических элементов фиксации протеза [7].
В связи с этим в настоящее время продолжаются поиск и разработка вариантов улучшения физико-механических характеристик конструкционных полимерных материалов неакриловой природы.
Внимание авторов по совокупности своих физико-механических характеристик привлек термопластичный полиамид УеНех ТИетто8ет, применяемый для изготовления базисов съемных конструкций. Отсутствие остаточного мономера, возможность проведения лабораторной коррекции (перебазировки) протезов, минимальная усадка до 1 % в процессе термопрессования конструкций (для акриловых пластмасс усадка составляет до 8 %), высокая плотность термопластов в сочетании с малым удельным весом (1,04 г / см3), в то время как у сплавов металла удельный вес
3 3
составляет от 7 г/см и более, а у акриловых пластмасс - 1,20 г/см , отсутствие металлических конструкционных элементов можно рассматривать как преимущесттва в случае изготовления сложночелюстных протезов для пациентов с дефектами челюстных костей. При этом представляется возможным снизить нагрузку на зубы здоровой половины челюсти за счет применения дентоальвеолярных кламмеров, облегчить вес сложночелюстного протеза с возможностью изготовления точных, эстетичных, комфортных в использовании конструкций с наименьшей пористостью,
сводящей к минимуму возможность фиксации микробной пленки на конструкционном материале.
Анализ литературных источников свидетельствует об увеличении на 30 % предела прочности при растяжении полимерного материала в случае введения в его состав нанотрубок диоксида титана [6]. В связи с этим для улучшения прочностных характеристик предложенного конструкционного материала при изготовлении сложно-челюстных протезов-обтураторов, испытывающих повышенные нагрузки в условиях функционирования, на этапе термопрессования выполнено армирование базисного материала путем введения в него наноструктурированного порошка диоксида титана в количестве до 1 мас. % (заявка № 2016139173 от 05.10.2016 г.).
Таким образом, целью данной статьи является биомеханический анализ напряженно-деформированного состояния в протезе-обтураторе на верхнюю челюсть, выполненном из полиамидного конструкционного материала, армированного наноструктурированным диоксидом титана.
Постановка задачи
В данной работе решена задача о прочности элементов протеза. В качестве исследуемой области берется фрагмент протеза-обтуратора (рис. 2). На границах области задаются условия на перемещения и нагрузки.
Биомеханическая модель построена при следующих допущениях:
1) материалы протеза однородны и изотропны;
2) среда сплошная, начальные напряжения отсутствуют;
3) небная часть жестко закреплена со стороны верхней челюсти;
4) к зубной части приложена распределенная нагрузка.
Использована классическая постановка задачи механики упругого изотропного тела, состоящая из уравнений равновесия, геометрических соотношений Коши и закона Гука:
(1) (2) (3)
V-о = 0, reV,
£ = А (Vu + AuT ), r eV, о = C -s, r eV,
S
Рис. 2. Схема протеза-обтуратора
где V - область пространства, занятая телом, V = V ^ Б (£ - граница тела); с - симметричный тензор напряжений; г - радиус-вектор точки; £ - тензор малой деформации; и - вектор перемещений; С - тензор четвертого ранга упругих модулей.
Граничные условия схематично показаны на рис. 2. Граница подвержена равномерному жевательному давлению, действующему вдоль вертикальной оси, граница жестко закреплена.
п • с = р, г е £ст, (4)
и = 0, г е 8и. (5)
Жевательное усилие р взято из таблицы и равномерно распределено по поверхности . Материал считается изотропным.
Максимальная сила сжатия парами зубов антагонистов [2]
Группа испытуемых Сила сжатия, Н
первый премоляр второй премоляр первый моляр второй моляр
Мужчины 400 400 720 680
Женщины 260 260 460 450
Материалы и методы
Для изучения биомеханики протеза-обтуратора применялся метод конечных элементов. Построение расчетной конечно-элементной модели включало выполнение следующих этапов:
1) определение механических свойств материалов;
2) построение геометрической модели;
3) создание конечно-элементной сетки;
4) задание граничных условий: условий закрепления, силовых воздействий.
Модель включает в себя конструкцию протеза, разделенную на две части:
зубную и небную.
Для исследования механических свойств материала проведены испытания на трехточечный изгиб. Было отобрано две группы образцов полосок. Первая группа -полимерный материал Vertex ThermoSens, вторая - Vertex ThermoSens с добавлением нанотрубок на основе диоксида титана TiO2.
Испытания проводились на электромеханической системе Instron 5965 с максимальным развиваемым усилием 5 кН.
Основой для методики испытания послужил стандарт ГОСТ 31572-2012 «Материалы полимерные для базисных зубных протезов. Технические требования. Методы испытаний». Скорость нагружения составляла 5 мм/мин. Нагружение осуществлялось до достижения перемещением значения 4 мм, после чего испытание останавливалось, образец разгружался и вынимался из приспособления.
Максимальное напряжение, МПа
Модуль Юнга, МПа
120 100 80 60 40 20 0
95
103
67
2500 2000 1500 1000 500 0
2010
1035
1110
Рис. 3. Сравнение механических свойств используемых материалов, данные для образцов с оксидом титана и без него получены экспериментально, а для акриловой пластмасы взяты из работы [2]: 1 - образец без TiO2, 2 - образец с TiO2,
3 - акриловая пласмасса
а б
Рис. 4. Расчетные трехмерные модели: а - со сканера; б - конечно-элементная
0,000____0,025__0.050 (т)
0,013 0.038
б
Рис. 5. Результаты: а - поле перемещений; б - поле эквивалентных напряжений
В результате испытаний были получены зависимости сила-прогиб. В дальнейшем был осуществлен переход к зависимостям напряжения-деформация. Определены модуль Юнга и максимальные напряжения. Анализируя полученные данные, необходимо отметить большие величины максимальных напряжений и модуля Юнга второго материала. Максимальные напряжения выше на 8,4 %, а модуль Юнга на 7,2 % по сравнению с первым материалом.
1
2
3
1
2
3
а
Механические свойства акриловой пластмассы были взяты из справочной литературы [2].
Для создания трехмерной (3D) модели твердого тела изготовлен протез. С помощью 3D-сканера Artec Eva была получена серия снимков протеза (рис. 4, а). Затем снимки со сканера были обработаны и использованы для расчета. Построение конечно-элементной трехмерной модели на основе CAD-модели и ее анализ производились с помощью специализированного программного пакета ANSYS Workbench. Число элементов и узлов составило 342 873 и 202 893 соответственно (рис. 4, б).
Результаты
Расчеты были произведены методом конечных элементов с описанными выше структурой протеза, нагрузками и свойствами. Напряжения сжатия и растяжения, сдвиговые напряжения объединялись и анализировались с использованием напряжений по Мизесу.
Анализ максимального перемещения протеза показал достаточную стабильность, перемещения составили 0,37 мм (рис. 5, а). При анализе эффективных напряжений можно отметить следующие закономерности. Наиболее опасная область возникает на дуге, замещающей костную ткань верхней челюсти (рис. 5, б). Максимальные напряжения составили 80 МПа. Уровень максимальных напряжений, полученных в данной работе, находится в пределах условий прочности. В целом, деформация и напряжения соответствуют физически предполагаемому представлению о напряженно-деформированном состоянии протеза.
Заключение
Биомеханические расчеты модели протеза-обтуратора на верхнюю челюсть, изготовленного из термопластичного материала Vertex ThermoSens, с введенным наноструктурированным диоксидом титана, показали прочностные характеристики, соответствующие требованиям ГОСТ 31572-2012 «Материалы полимерные для базисных зубных протезов. Технические требования. Методы испытаний» и международному стандарту ISO 1567:1999 Dentistry - Denturebasepolymers (Стоматология. Полимеры для базисов зубных протезов).
Наноструктурированный диоксид титана, введенный в базис конструкционного материала, обладая свойством ингибирования образования микробной пленки, улучшает качество ортопедического лечения пациентов с приобретенными дефектами верхней челюсти за счет снижения количества возможных осложнений воспалительного характера.
Гипоаллергенность, малый удельный вес, достаточная прочность, отсутствие остаточного мономера и металлических конструкционных элементов протеза позволяют рекомендовать данный материал для изготовления сложночелюстных протезов и аппаратов.
Список литературы
1. Арутюнов А.С., Кицул И.С., Лебеденко И.Ю. Комплексный подход к реабилитации пациентов с челюстно-лицевыми дефектами // Стоматолог. - 2008. - № 8. - С. 2-4.
2. Бетельман А.И. Ортопедическая стоматология. - М.: Медицина, 1965. - 411 с.
3. Зотов А.И., Демченко Д.Н. Базисные полимеры, применяемые в стоматологии для изготовления съемных пластиночных протезов и аппаратов // Молодой ученый. - 2015. - № 13. - С. 270-274.
4. Кислых Ф.И., Рогожников Г.И., Кацнельсон М.Д., Асташина Н.Б., Комлев В.В. Лечение больных с дефектами челюстных костей. - М.: Медицинская книга, 2006. - 196 с.
5. Летягина Р.А., Шулятникова О.А. Ортопедическая реабилитация пациентов после удаления части верхней челюсти по поводу новообразования // Материалы XIX Международной научной конференции «Онкология - XXI век», Светлогорск, Россия, 28 апреля - 3 мая 2015. - Пермь. -С. 194-199.
6. Лукьянов С.И., Бандура А.В., Эварестов Р.А. Температурная зависимость модуля Юнга нанотрубок на основе диоксида титана ТЮ2: молекулярно-механическое моделирование // Физика твердого тела. - 2015. - Т. 57, №12. - С. 2391-2399.
7. Нидзельский М.Я., Крынычко Л.Р., Кузнецов В.В. Дезинтеграция структуры в стоматологических протезах, изготовленных из акриловых пластмасс, в процессе пользования ими по данным электронной микроскопии // Современная стоматология. - 2013. - № 2.- С. 88-90.
8. Тропин В.А., Лохов В.А., Старкова А.В., Асташина Н.Б. Биомеханический анализ мостовидного протеза для замещения дефектов зубного ряда, осложненных вторичными деформациями // Российский журнал биомеханики. - 2015. - Т. 19, № 2. - С 177-185.
BIOMECHANICAL ANALYSIS OF POST-RESECTION PROSTHESIS-OBTURATOR MADE FROM POLYAMIDE REINFORCED BY NANOSTRUCTURED TITANIUM DIOXIDE
O.A. Shulatnikova, G.I. Rogozhnikov, V.A. Lokhov, A.F. Shulatyev (Perm, Russia)
The paper suggests a post-resection prosthesis-obturator for the upper human jaw made from polyamide. The authors propose a Vertex ThermoSens polyamide reinforcement by nanostructured titanium dioxide in an amount up to 1 wt. %. The new material reduces the level of pathogenic bioflory development on the prosthesis and improves the quality of orthopedic treatment of patients with acquired maxillary defects by reducing the inflammatory complications. Also, the mechanical properties of the obtained material are investigated in the electromechanical system Instron 5965. Tests are carried out according to GOST 31572-2012 with loading rate of 5 mm per min. Loading is carried out to achieve the traverse displacement up the value of 4 mm, then the test is stopped and unloaded sample is removed from equipment. Young's modulus and maximum stress for reinforced polyamide are resulted. The properties of the new material are compared with acrylic plastic. The boundary value problem of linear theory of elasticity for prosthesis-obturator within small deformations is stated. The problem is solved by finite element method. To construct a 3D-model of the prosthesis, the scanner Artec Eva is used. The result shows that the proposed prosthesis has the required mechanical properties and can carry the functional stress. Based on studies, the suggested material can be recommended for clinical use in the manufacture of complicated mandibular prostheses and devices.
Key words: prosthesis-obturator, nanostructured titanium dioxide, polyamide, finite element method.
Получено 12 сентября 2016
