CC BY
28
ИЗУЧЕНИЕ СУПРАСТРУКТУРЫ СТОМАТОЛОГИЧЕСКИХ ИМПЛАНТАТОВ НА ОСНОВЕ МЕТОДА КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОГО АНАЛИЗА
Головко Александр Иванович, кандидат медицинских наук, доцент кафедры ортопедической стоматологии Белорусского государственного медицинского университета, Минск
Alexander Golovko, PhD, Associate Professor of Orthopedic Dentistry of the Belarusian State Medical University, Minsk Study of the suprastructure of dental implants based on the finite element method
Цель. Изучена супраструктура стоматологических имплантатов на основе метода конечно-элементного анализа. Материалы и методы. Проведен статический и динамический сравнительный анализ нагружения двухэтапных дентальных имплантатов, отличающихся способом соединения имплантата: с супраструктурой стандартного соединения и супраструктуры с компенсаторами нагрузки, которые используются при планировании мостовидного протеза (разработка сотрудников кафедры ортопедической стоматологии Белорусского государственного медицинского университета). Осуществлен сравнительный анализ локализации напряженных областей и распределения нагрузки в модифицированной и стандартной модели имплантата при приложении различных осевых нагрузок.
Заключение. По результатам исследования можно заключить, что предложенный вариант супраструктуры способен выдерживать гораздо большие нагрузки по сравнению со стандартным вариантом, что позволяет расширить показания к использованию мостовидных протезов, фиксированных на имплантатах, в том числе применять опорные элементы при наклоненных имплантатах. Ключевые слова: супраструктура, стоматологический имплантат, осевые нагрузки, текучесть материалов.
Современная стоматология. — 2019. — №4. — С. 32—36.
Objective. The suprastructure of dental implants based on the finite element method was studied.
Materials and methods. A static and dynamic comparative analysis of the loading of two-stage dental implants, differing in the way the implant is connected: with the standard connection superstructure and load balancers that are used in planning the bridge prosthesis (developed by the staff of the Department of Orthopedic Dentistry of the Belarusian State Medical University) was carried out. A comparative analysis of the localization of stressed areas and load distribution in a modified and standard implant model with the application of various axial loads was carried out.
Conclusion. According to the results of the study, it can be concluded that the proposed version of the suprastructure is able to withstand much greater loads compared to the standard version, which allows us to expand the indications for the use of bridges fixed on implants, including the use of supporting elements with inclined implants. Keywords: suprastructure, dental implant, axial loads, fluidity of materials. Sovremennaya stomatologiya. — 2019. — N4. — P. 32—36.
Распространенность частичной вторичной адентии, по данным Всемирной организации здравоохранения, достигает 75% населения Земли [2]. Основными ее причинами являются кариес и его осложнения, маргинальный периодонтит, а также травмы [5]. В структуре оказания стоматологической помощи частичная вторичная адентия составляет от 40% до 75% случаев, причем встречается во всех возрастных группах пациентов [1]. В последние десятилетия для замещения отсутствующих зубов стоматологи все чаще прибегают к методам имплантации. Дентальная имплантация прочно вошла в число рутинных хирургических и ортопедических процедур, используемых при лечении частичной адентии. Однако анализ литературных данных свидетельствует, что в сроки до
8 лет частота потери имплантатов составляет от 4% до 15% [6].
Среди факторов, обусловливающих нарушения интеграции имплантата в ближайшие сроки после протезирования, одними из основных являются биомеханические [4]. По некоторым данным, критическими местами конструкции им-плантата, где в первую очередь может наступить разрушение, являются зоны в вершинах шестигранника супраструктуры и во впадинах резьбы фиксирующего винта. Однако, несмотря на очевидную потребность в детальном изучении биомеханических аспектов имплантации и функционирования внутрикостных им-плантатов, сегодня они изучены явно недостаточно. Отчасти это объясняется невозможностью измерить in vivo напряжения в костной ткани при нагрузке
как зубов, так и имплантатов, поскольку гнатодинамометрические, тензометриче-ские, частотно-резонансные измерения (RFA) дают относительное и локальное представление о напряженно-деформированном состоянии (НДС) в костной ткани при нагрузке имплантатов [3].
В этой связи представляют интерес исследования, проводимые с помощью конечно-элементной модели. Они основываются на определении напряжений, которые возникают в системе «имплантат - кость» и при последующем сопоставлении найденных напряжений с допустимыми значениями в системе «зуб - челюсть».
Цель исследования - изучить супра-структуру стоматологических импланта-тов на основе метода конечно-элементного анализа.
Рис. 1. Общий вид модели имплантата: а) имплантат, б) абатмент, в) фиксирующий винт
Рис. 3. Напряженные области и распределение нагрузки в разных областях модифицированной модели имплантата при F=250 Н
Рис. 4. Распределение нагрузки и напряженные области в стандартном имплантате при F=250 Н
Рис. 5. Распределение нагрузки и напряжен плантата при F=300 Н Материалы и методы Проведен статический и динамический сравнительный анализ нагружения двухэтапных дентальных имплантатов, отличающихся способом соединения
з области в модифицированной модели им-
имплантата с супраструктурой стандартного соединения и супраструкты с компенсаторами нагрузки, которые используются при планировании мосто-видного протеза.
Рис. 2. Приложение осевой силы на имплантат
Узел сопряжения имплантата и су-праструктуры определяет механическую прочность сборной конструкции имплантата и распределение жевательной нагрузки на кость, окружающую остеоинтегрированный имплантат. Для исследования размеров сборной конструкции имплантата были созданы две конечно-элементные модели имплантата диаметром 4 мм. При создании первой модели использовался существующий имплантат и супраструктура для него.
Вторая модель была создана на кафедре ортопедической стоматологии Белорусского государственного медицинского университета в тесном сотрудничестве с рядом белорусских производителей. Она представляет собой имплантационную систему, которая отвечает нагрузочным требованиям стандарта 180-14801.
При создании этой модели были внесены следующие изменения в стандартную модель.
- Профиль контакта винта с абатмен-том заменен с конического на сферический, что улучшает работу при боковых нагрузках.
- Увеличена площадь конической части для повышения стабильности абатмента в имплантате, значит, растет зона распределения нагрузки.
- Доработана десневая часть (до шейки абатмента снизу), чтобы убрать зоны концентрации напряжений и повысить прочность.
- Упрощена установка мостовидного протеза при разнонаправленной установке имплантатов и частично ликвидирована эксплуатационная усадка.
Рис. 8. Распределение нагрузки и напряженные области модифицированной модели имплантата при F=350 Н
Рис. 9. Распределение нагрузки и напряженные
Оценить напряженно-деформированное состояние конструкции имплантата и костной ткани в зоне его остеоинтеграции при разных вариантах узла сопряжения имплантата и абатмента. Моделирование НДС было выполнено методом конечно-элементного анализа. В программе ANSYS были созданы объемные модели: имплан-тат, абатмент, фиксирующий винт (рис. 1).
Для описания физико-механических свойств материалов использовали модуль Юнга и коэффициент Пуассона. Задача решалась в статической
области модифицированной модели имплантата при F=400 Н
постановке на конечно-элементной сетке размерностью 130 000 узлов и 75 000 элементов (тетраэдры) с типичной схемой приложения нагрузок и закрепления. Геометрия для ее построения была получена из реального протеза-демонстратора с помощью 3D-сканера и параметризована с помощью CAD-системы SolidWorks.
Представлена конструкция дентального двухэтапного имплантата диаметром 4 мм в сборе с абатментом и фиксирующим винтом М 1,6. Имплантат имеет следую-
щие особенности: конусный вид посадки, укорочение фиксирующего винта и антиротационная резьба. Все детали состоят из сплава ^4А16\/
Модели конструкции имплантата созданы с некоторыми упрощениями относительно реальной конструкции: не моделируется контактное взаимодействие в резьбовом соединении фиксирующего винта и внутрикост-ной части, созданы модели одной из симметричных половин сборной конструкции имплантата. Данные до-
Static 1 (-По умолчанию-) Детали
► V D4.0x-2 (-Ti-6AI-4V Обработанный раствором и остаренный (SSJ-)
► Stf abat-1 (-[SW]Ti-6A1-4VSolution treated and aged (SSJ-)
► SjgT vint-3 [SW]Ti-6AI-4VSolution treated and aged (SS)-)
* Соединения
T Q Contact Sets
<§> Contact Set-1 (-НетпроникновенижаЬаЫ, D4.0x-2>-) Contact Set-2 (-Нет проникновения«: vint-3, D4.0x-2>-J <?> Contact Set-3 (-Нет проникновениж abat-1, vint-3>-} * Component Contacts
Global Contact (-Связанные-) w Крепления Fixed-1
w iB Внешние нагрузки
Force-1 (:Ha объект 250 N:) ^ Сетка
|j~") Параметры результатов
* ft] /h Результаты
Stress 1 (-vonMises-)
Displacement! (-Расположение результата-) C^j Strain 1 (-Эквивалент-)
Design Insightl (-Design Insight-)
Рис. 10. Условия исследования
пущения не оказывают существенного влияния на исследуемые критические зоны общей конструкции имплантата. В модели имплантата при помощи специальных контактных конечных элементов было учтено контактное взаимодействие между внутрикостной частью и супраструктурой, а также между фиксирующим винтом и супра-структурой.
Основным методом исследования был метод конечно-элементного анализа, который позволяет рассчитывать НДС, возникающее внутри механической системы под воздействием внешних сил, а также отображает участки конструкции, где происходит деформация материала и последующее разрушение. НДС, рассчитанное методом конечно-элементного анализа, может не превышать предельных значений напряжений. Схема нагружения
двухэтапного имплантата в сборе представлена на рисунке 2.
В исследовании к моделям были приложены осевые нагрузки F=250 Н, 300 Н, 350 Н, 400 Н со стороны торца абатмента для оценки возникновения эквивалентных нагрузок в имплантате, а также возможной точки разрушения при превышении предельно допустимой точки текучести материала. Поскольку по результатам оценки предела текучести i6Al4Vс помощью программного комплекса он составил 827 МПа, что практически не отличалось от теоретического предела текучести материала (~850 МПа), что было обусловлено неоднородностью сплава, установлено, что приведенные расчеты имеют погрешность 2%. Было допущено использование значений, полученных с помощью программного комплекса.
В разделе «Детали», представленном на рисунке 10, указаны материалы каждого компонента исследуемой конструкции. В разделе «Соединения» приведены контактные взаимодействия всех компонентов имплантата. Как видно из рисунка, в качестве исходных условий эксперимента были заданы контакты без проникновения, поскольку в исследовании использованы жесткие материалы, которые не могут пересекать друг друга. В случае пересечения это расценивалось как нарушение целостности компонента. В разделе «Крепления» заданы условия фиксации имплантата в челюсти - был задан вариант крепления «Фиксированный», исходя из предпосылки о том, что имплантат находится в кости в неподвижном состоянии.
Результаты и обсуждение
При приложении осевой нагрузки в 250 Н значения напряжений по Von Mises в МПа (561 МПа), а также эквивалентной деформации ESTRN (0,0045 мм) в модифицированном варианте имплантата не превысили предела текучести материала. Полученные результаты наглядно отражены на (рис. 3).
Как видно на представленном снимке, основные напряжения возникают в области перехода конца тела имплантата и абатмента по конусу, а именно в зоне контакта конуса абатмента и торца им-плантата. Для того, чтобы судить об устойчивости конструкции, необходимо сопоставить напряжение на торце имплан-тата и сравнить с пределом текучести материала (827 Н/мм2). Из рисунка видно, что напряжение на краю имплантата составляет 31,6 Н/мм2, что ниже предела текучести в 42,5 раза. Это говорит о том, что целостность имплантата сохраняется при таком нагружении и величина микроперемещений находится в районе статистической погрешности.
На рисунке 4 представлены для сравнения распределение нагрузки и напряженные области в стандартном имплантате при приложении аналогичной осевой нагрузки. На снимке хорошо видны различия в распределении нагрузки и локализации наиболее напряженных областей с модифицированной моделью.
При силе нагружения модифицированной модели F=300 Н значения напряжений по Von Mises (673 МПа), а также эквивалентной деформации ESTRN (0,0054 мм) также не превысили предела текучести материала (рис. 5).
Из данных, представленных на снимке, следует, что основные напряжения при данной силе нагружения возникали также в области перехода конца тела имплантата и абатмента по конусу. Напряжение на краю имплантата составило 42,7 Н/мм2, что ниже предела текучести (827 Н/мм2) в 20,3 раза. Это говорит о том, что целостность имплан-тата сохраняется при таком нагруже-нии и величина микроперемещений находится в районе статистической погрешности.
Для сравнения ниже приведены соответствующие снимки для исходного варианта конструкции, на которых вновь очевидна разница с модифицированной моделью как в распределении нагрузки, так и в локализации напряженных областей (рис. 6).
При силе нагружения модифицированной модели F=350 Н значения напряжений по
ЛИТЕРАТУРА
1. Ахмедова Н.А. // Исследования и практика в медицине. - 2018. - Т.5, №2. -С.114—120.
2. Всемирная организация здравоохранения. Здоровье полости рта. Информационный бюллетень №318. [Электронный ресурс]. Доступ: http://www.who. int/med iacentre/factsheets/fs318/ru
3. Журули Г.Н. Биомеханические факторы эффективности внутрикостных стоматологических имплантатов: Автореф. дис. ... д-ра мед. наук. - М., 2010. - 44 с.
4. Утюж А.С. Концепция выбора ортопедической конструкции с опорой на дентальные имплантаты как метод профилактики периимплантита у пациентов с полной и частичной вторичной адентией: Автореф. дис. ... д-ра мед. наук. - М., 2017. - 45 с.
5. Хоранова Н.А., Фомина А.В. // Вестник новых медицинских технологий. -2017. - Вып.11 (2). - С.349-355.
REFERENCES
1. Akhmedova N.A. Mediko-sotsial'naya kharakteristika patsiyentov s chastichnoy vtorichnoy adentiyey, oslozhnennoy i neoslozhnennoy zubochelyustnymi anomaliyami [Medical and social characteristics of patients with partial secondary adentia, complicated and uncomplicated dentoalveolar anomalies]. Issledovaniya ipraktika vmeditsine, 2018, vol.5, no.2, pp.114-120. (in Russian)
2. Vsemirnaya organizatsiya zdravookhraneniya. Zdorov'ye polosti rta. Informatsionnyy byulleten'№318 [World Health Organization. Oral health. Newsletter No. 318. Electronic resource]. Access: http://www.who.int/mediacentre/factsheets/ fs318/en (in Russian)
Адрес для корреспонденции Кафедра ортопедической стоматологии Белорусский государственный медицинский университет г. Минск, ул. Сухая, 28 220004, Республика Беларусь тел.: + 375 17 200-54-72
Головко Александр Иванович, e-mail: [email protected]
ESTRN - 0,0072 мм, что превышает предел текучести материала, соответственно, означает разрушение детали. Из данных, представленных на рисунке 9, следует, что основные напряжения возникали в областе перехода конца тела имплантата и абатмента по конусу.
Напряжение на краю имплантата оказалось ниже предела текучести в 17 раз. Это говорит о том, что целостность имплан-тата при таком нагружении сохраняется. Однако нагрузка на абатменте превысила предел текучести материала, соответственно, произойдет разрыв абатмента. Выводы:
1. Предложенный вариант супраструк-туры способен выдерживать гораздо большие нагрузки по сравнению со стандартным вариантом.
2. Предложенный вариант супраструк-туры может быть использован в ряде имплантационных систем, можно применять опорные элементы при наклоненных имплантатах.
3. Предложенный вариант супраструк-туры позволяет расширить показания к использованию мостовидных протезов, фиксированных на имплантатах.
3. Zhuruli G.N. Biomekhanicheskiye faktory effektivnosti vnutrikostnykh stomatotogicheskikh implantatov (eksperimenta'no-klinicheskoye issledovaniye): Avtoref. dis. ... d-ra med. nauk [Biomechanical factors of the effectiveness of intraosseous dental implants (experimental and clinical research)]. M., 2010, 44 p. (in Russian)
4. Utyuzh A.S. Kontseptsiya vybora ortopedicheskoy konstruktsii s oporoy na dental'nyye implantaty kak metodprofilaktikiperiimplantita u patsiyentov s polnoy i chastichnoy vtorichnoy adentiyey: Avtoref. dis.... d-ra med. nauk [The concept of the choice of orthopedic design based on dental implants as a method for the prevention of peri-implantitis in patients with full and partial secondary adentia]. M., 2017, 45 p. (in Russian)
5. Khoranova N.A., Fomina A.V. Mediko-sotsial'nyye aspekty spetsial'noy ortodonticheskoy podgotovki patsiyentov s zubochelyustnymi anomaliyami pri chastichnoy vtorichnoy adentii pered postoyannym protezirovaniyem (kratkiy obzor literatury) [Medical and social aspects of special orthodontic training for patients with dentoalveolar anomalies with partial secondary adentia before permanent prosthetics (a brief review of the literature)]. Vestnik novykh meditsinskikh tekhnologiy, 2017, vol.11, no.2, pp.349-355. (in Russian)
Конфликт интересов
Согласно заявлению автора, конфликт интересов отсутствует. Этические аспекты
Документы рассмотрены и одобрены комитетом по этике.
Поступила 07.02.2019 Принята в печать 20.09.2019
Address for correspondence
Department of Orthopedic Dentistry
Belarusian State Medical University
28, Sukhaya street, Minsk
220004, Republic of Belarus
phone: + 375 17 200-54-72
Alexander Golovko, e-mail: [email protected]
Von Mises составило 758 Мпа, а эквивалентной деформации ESTRN - 0,0063 мм, что не превышало предела текучести материала. Из данных, представленных на рисунке 7, следует, что при указанной силе нагружения основные напряжения в модифицированной модели возникали в области перехода конца тела имплантата и абатмента по конусу, а также в торце абатмента, в области контакта абатмента с коронкой.
Видно, что напряжение на краю имплантата составило 44,32 Н/мм2, что было ниже предела текучести в 19,3 раза. Это вновь свидетельствует о том, что целостность имплантата сохраняется при таком нагружении и величина микроперемещений находится в районе статистической погрешности. Для сравнения, на рисунке 8 приведены соответствующие данные для исходного варианта конструкции.
Совершенно очевидны различия по обоим изучаемым параметрам с модифицированным вариантом конструкции.
При силе нагружения модифицированной модели F=400 Н значения напряжений по Von Mises составили 897 МПа, эквивалентной деформации
