CC BY
13
РАСЧЕТ ДЕФОРМАЦИЙ И ОЦЕНКА СТАТИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ИМПЛАНТАЦИОННЫХ СИСТЕМ РАЗЛИЧНЫХ ФОРМ И КОНСТРУКЦИЙ НА ПРИМЕРЕ ДЕНТАЛЬНЫХ ИМПЛАНТАТОВ LIKO 4X10
УДК 616.314-002-089.23 3.1.7 — стоматология Поступила 09.12.2022
Ю.А. Сергеев1, А.А. Долгалев1-3, В.М. Аванисян1, Д.Ю. Семериков2, П.М. Атапин3, С.А. Гуренко3
пФГБОУ ВО «Ставропольский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения РФ, Ставрополь; 2ООО «Стоматологическая клиника Валентина», Нягань; 3ООО «МИП Имплант Аддитивные Технологии», Ставрополь
С целью изучения влияния формы и конструкции на биомеханику дентального имплантата была проведена сравнительная оценка напряженно-деформированного состояния с использованием систем для компьютерного инженерного анализа. На примере дентальных имплантатов отечественной имплантационной системы IRIS — цилиндрического имплантата ЛИКО-M 4x10 и имплантата конусной формы ЛИКО-М ДГ 4x10 — были смоделированы компьютерные модели с учетом физических параметров с последующим упругим и упругопластическим расчетами.
Ключевые слова: дентальный имплантат; конструкция; геометрическая модель; компьютерная модель; компьютерное моделирование; напряженно-деформированное состояние; статическая прочность.
CALCULATION OF DEFORMATIONS AND EVALUATION OF STATIC STRENGTH OF IMPLANTATION SYSTEMS OF VARIOUS SHAPES AND DESIGNS ON THE EXAMPLE OF DENTAL IMPLANTS LIKO 4X10
Yu.A. Sergeev1, A.A. Dolgalev1, V.M. Avanisyan1, D.Yu. Semerikov2, P.M. Atapin3, S.A. Gurenko3
1Stavropol State Medical University, Stavropol;
2Limited Liability Company "Dental Clinic Valentina", Nyagan;
3Limited Liability Company "Implant Additive Technologies", Stavropol
In order to study the influence of shape and design to the biomechanics of a dental implant, a comparative assessment of the stress-strain state was carried out using systems for computer engineering analysis. On the example of dental implants of the domestic implantation system IRIS — a cylindrical implant LIKO-M 4x10 and a conical implant LIKO-M DG 4x10 — computer models were modeled taking into account physical parameters, followed by elastic and elastic-plastic calculations.
Key words: dental implant; construction; geometric model; computer model; computer modeling; stress-strain state; static strength.
ВВЕДЕНИЕ
Для такой бурно развивающейся отрасли стоматологии, как дентальная имплантология, первоочередной задачей в настоящее время является получение клинически эффективных результатов лечения [1, 2], что во многом гарантируется созданием новых медицинских изделий, а также технологически совершенных дентальных имплантатов [3]. Решение данного вопроса сводится к оптимизации технологии производства, достижению экономической выгоды, а также к сокращению сроков и стоимости будущих изделий [4]. Стоит отметить, что именно безопасность и биосовместимость позволяют таким изделиям функционировать достаточно длительный промежуток времени [2, 5, 6]. Однако первостепенным фактором является биофизическая составляющая, которая должна полноценно имитировать естественные зубы, а также обладать высокими прочностными и долговечными характеристиками.
Результативным методом оценки прочности, надежности и предельных физических значений является автоматизированный инженерный анализ [7, 8] — его применение позволяет определить эффективность, функционирование и конкурентоспособность изделия, а также помогает в совершенствовании конструкций дентальных имплантатов. Наиболее известными CAE-системами (Computer-Aided Engineering — системы автоматизации инженерных расчетов), применяемыми для воссоздания поведения и функционала такого рода изделий, являются программы ABAQUS, ANSYS [8,9].
Цель исследования — сравнительная оценка упругой и упругопластической деформации дентальных имплантатов 4x10 цилиндрической и конусной форм, а также различной конструкции на границе «тело имплантата — кость», «абатмент — тело им-плантата» с применением компьютерного моделирования напряженно-деформированного состояния.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Объектами исследования были выбраны цилиндрический дентальный имплантат ЛИКО-M 4x10 и дентальный имплантат конусной формы ЛИКО-М ДГ 4x10 (рис. 1 и 2). Имплантаты имеют различные конструкции и материалы, из которых они изготовлены.
Имплантаты были расположены в блоках костной ткани, которые закрепили по боковым и нижней поверхностям. При этом между блоками костной ткани, телами имплантатов и абатментами имелся ряд контактов:
— граничный контакт наблюдался в области между телом имплантата и блоком костной ткани и обуславливал полное кинематическое связывание точек, находящихся в области сочлененных контактов;
4
Рис. 1. Конструкция дентального имплантата марки ЛИКО-М 4x10: 1 — блок костной ткани; 2 — тело имплантата; 3 — винт; 4 — абатмент
Рис. 2. Конструкция дентального имплантата марки ЛИКО-М ДГ 4x10: 1 — блок костной ткани; 2 — абатмент; 3 — винт; 4 — тело имплантата
Рис. 5. Конечно-элементная сетка имплантата марки ЛИКО-М ДГ 4x10
Рис. 7. Распределение приведенных по Мизесу напряжений в блоке костной ткани с дентальным импланта-том марки ЛИКО-M 4x10 (time = 2 c)
Рис. 10. Распределение приведенных по Мизесу напряжений в блоке костной ткани с дентальным импланта-том марки ЛИКО-М ДГ 4x10 (time = 2 c)
Рис. 11. Распределение приведенных по Мизесу напряжений в теле имплантата марки ЛИКО-М ДГ 4x10 (time = 2 c)
Результаты упругопластического расчета (Ь'т e = 2 с) Таблица 1
Характеристика ЛИКО-M 4x10 ЛИКО-М ДГ 4x10
Максимальное значение модуля перемещений, мм 0,028 0,084
Максимальное значение приведенных по Мизесу напряжений в блоке костной ткани, МПа 281,6 241,8
Максимальное значение приведенных по Мизесу напряжений в теле имплантата, МПа 1529,9 1678,1
Относительное приведенное напряжение тел имплантатов
Таблица 2
Приложение нагрузки Марка имплантата
ЛИКО-M 4x10 ЛИКО-М ДГ 4x10
Упругий расчет 4,9 1,33
Упругопластический расчет 3,48 1,27
Таблица 3
Коэффициенты запаса прочности тел имплантатов
Приложение нагрузки Марка имплантата
ЛИКО-M 4x10 ЛИКО-М ДГ 4x10
Упругий расчет 0,204 0,751
Упругопластический расчет 0,287 0,782
— фрикционный контакт отмечался на границе «абатмент — тело имплантата».
Для осуществления упругого и упругопластическо-го расчетов были сгенерированы модели, основу составляли тело имплантата, блок костной ткани, а также абатмент, характеристики которых соответствовали материалам:
— блок костной ткани соответствовал кортикальной кости;
— тело имплантата ЛИКО-М ДГ 4x10 — титановый сплав ВТ6;
— тело имплантата ЛИКО-M 4x10 — титановый сплав Grade 4;
— абатмент — титановый сплав Grade 5.
Для описания поведения титана и титановых сплавов была использована изотропная модель упругопластичности с кусочно-линейной диаграммой упрочнения.
Существующий граничный контакт между блоком костной ткани и телом имплантата предполагает полное кинематическое связывание точек, лежащих на сопрягаемых поверхностях.
Для реализации расчета напряженно-деформированного состояния нагрузка осуществлялась по направлению к образующей цилиндрической поверхности абатмента на процент его высоты. При этом
нагрузка была устремлена вниз под углом 30° к вертикали в плоскости, перпендикулярной продольной вертикальной плоскости блока костной ткани.
Вектор силы, приложенной к цилиндрической поверхности абатмента, в системе координат, обозначенной на рисунке 3, имеет компоненты силы 10, 10,-100 Н.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Моделирование процесса статического нагружения осуществлялось с использованием компьютерных моделей (конечно-элементные сетки) для последующей реализации расчета напряженно-деформированного состояния имплантатов марок ЛИКО-M 4x10 и ЛИКО-М ДГ 4x10 (рис. 4, 5).
Были осуществлены упругий и упругопластиче-ский расчеты напряженно-деформированного состояния имплантатов ЛИКО-M 4x10; ЛИКО-М ДГ 4x10.
Результаты расчета представлены для момента времени, при котором завершается процесс нагружения (time = 2 c).
На рисунках 6-8 показаны распределения приведенных по Мизесу напряжений в деталях дентального имплантата марки ЛИКО-M 4x10 в момент времени, который соответствует завершению процесса нагружения (time = 2 c).
На рисунках 9-11 показаны распределения приведенных по Мизесу напряжений в деталях дентального имплантата марки ЛИКО-М ДГ 4x10 в момент времени, который соответствует завершению процесса нагружения (time = 2 c).
Увеличение приведенных по Мизесу напряжений в блоке костной ткани на данном этапе нагружения составляет 9,86%.
В процессе нагружения имплантата его нагружен-ность меняется нелинейно и происходит с перераспределением напряжений.
Распределение напряжений по объему деталей неоднородно, т.е. имеются зоны концентрации напряжений. Максимальные значения приведенных по Мизесу напряжений возникают в теле имплантата в месте контакта тела имплантата с абатментом (табл. 1).
Сравнительный анализ имплантатов цилиндрической (ЛИКО-M 4x10) и конусной (ЛИКО-М ДГ 4x10) форм позволил сделать следующие выводы:
— в процессе нагружения имплантатов их нагру-женность меняется нелинейно и сопровождается перераспределением напряжений;
— основным отличием напряженно-деформированного состояния блока костной ткани и деталей имплантата, которое было определено в результате упругопластического расчета, является меньший уровень максимальных напряжений, возникающих на этапе приложения нагрузки в имплантате конусной формы, что во многом может быть объяснено меньшим сопротивлением материала деформированию за счет оптимальной формы (табл. 2);
— распределение напряжений по объему деталей имплантата неоднородно, максимальные значения приведенных по Мизесу напряжений возникают в теле имплантата в месте контакта тела импланта-та с абатментом (см. табл. 1);
— полученное в результате расчета напряженно-деформированного состояния значение коэффициента запаса прочности тела имплантата марки ЛИКО-М ДГ 4x10 (табл. 3) превышает значение коэффициента запаса прочности тела имплантата марки ЛИКО-М 4x10, следовательно, имплантат марки ЛИКО-М ДГ 4x10 в силу конструкционных особенностей и формы обладает большей статической прочностью, чем имплантат марки ЛИКО-M 4x10, что во многом обусловлено перераспределением напряженно-деформированного состояния, что предполагает эффективное соотношение (1:4) зависимости показателей прочностных характеристик от формы дентальных имплантатов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Анализ напряженно-деформированного состояния имплантатов различных форм с использованием компьютерного моделирования позволяет заранее
определить особенности их биомеханического поведения. Дентальный имплантат конусной формы обладает меньшим сопротивлением к деформации, что обусловлено перераспределением нагрузки, в том числе и на границе «кость—тело имплантата». Изменение конструкционных особенностей и формы дентальных имплантатов также обуславливает их значительный запас прочности, что подтверждается соотношением 1:4, где статическая прочность конусного имплантата превалирует над цилиндрическим по результатам упругого и упругопластического расчетов.
Сравнительный анализ позволяет расширить представления о клинической значимости выбора оптимальной формы дентального имплантата при планировании оперативного вмешательства, а также отдаленных результатах лечения пациентов.
Финансирование исследования. Данное исследование проведено в рамках выполнения гранта по программе Старт-1, договор № 4374ГС1/70566 с ФГБУ «Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере» о предоставлении гранта на проведение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по теме: «Разработка, изготовление и исследования прототипа внутри-костных имплантатов из сплавов высокой прочности с биосовместимыми покрытиями для челюстно-лицевой хирургии и хирургической стоматологии».
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
ЛИТЕРАТУРА/REFERENCES:
1. Дурново Е.А., Корсакова А.И., Беспалова H.A., Фурман И.В., Романов A.C Ортопедически ориентированное планирование костной пластики атрофированного беззубого альвеолярного гребня челюстей. Российский вестник дентальной имплантологии 2020; 1/2: 36-43. Durnovo E.A., Korsakova A.I., Bespalova N.A., Furman I.V., Romanov A.S. Prosthetically driven bone augmentation of the atrophic alveolar crest of jaws planning. Rossiyskiy vestnik dental'noy implantologii 2020; 1/2: 36-43.
2. Дурново E.A., Клочков A.C, Казаков A.B. Особенности проведения непосредственной имплантации после удаления зубов с очагами хронической одонтогенной инфекции. Стоматология 2013; 92(3): 88-92. Durnovo E.A., Klochkov A.S., Kazakov A.V. Immediate implantation after extraction of teeth with chronic apical periodontitis. Stomatologiya 2013; 92(3): 88-92.
3. Мураев A.A. Инновационная Российская система дентальных имплантатов: разработка, лабораторные исследования и клиническое внедрение. Дис. ... докт. мед. наук. М; 2018; 313 с. Muraev A.A. Innovatsionnaya Rossiyskaya sistema dental'nykh implantatov: razrabotka, laboratornye issledovaniya i klinicheskoe vnedrenie. Dis. ... dokt. med. nauk [Innovative Russian dental implant system: development, laboratory research and clinical implementation. DSc Thesis]. Moscow; 2018; 313 p.
4. Bachiri A., Djebbar N., Boutabout B., Serier B. Effect of different impactor designs on biomechanical behavior in the interface bone-implant: a comparative biomechanics study. Comput methods Programs Biomed 2020; 197: 105723, https://doi.org/10.1016/j. cmpb.2020.105723.
5. Негматова Д.У., Камариддинзода М.К. Современные подходы к решению биомеханических проблем дентальной имплантологии. Вопросы науки и образования 2019; 7: 227-234. Negmatova D.U., Kamariddinzoda M.K. Modern approaches to solving biomechanical problems of dental implantology. Voprosy nauki i obrazovaniya 2019; 7: 227-234.
6. Marcian P., Wolff J., Horackova L., Kaiser J., Zikmund T., Borak L. Micro finite element analysis of dental implants under different loading conditions. Comput Biol Med 2018; 96: 157-165, https://doi.org/10.10Wj.compbiomed.2018.03.012.
7. Ahn S., Kim J., Jeong S.C., Kim M., Kim C., Park D. Stress distribution analysis of threaded implants for digital dentistry. Int J Environ Res Public Health 2022; 19(19): 12674, https://doi. org/10.3390/ijerph191912674.
8. Structural Analysis Guide. Canonsburg: ANSYS; 2019.
9. Demirbas A.E., Ekici R., Karakaya M., Alkan A. Bone stress and damage distributions during dental implant insertion: a novel dynamic FEM analysis. Comput Methods Biomech Biomed Engin 2022; 25(12): 1381-1392, https://doi.org/10.1080/10255842.2021.2 012765.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ:
Ю.А. Сергеев, заочный аспирант кафедры стоматологии общей практики и детской стоматологии ФГБОУ ВО «Ставропольский государственный медицинский университет» Минздрава России, Ставрополь;
A.А. Долгалев, д.м.н., профессор кафедры стоматологии общей практики и детской стоматологии, начальник центра инноваций и трансфера технологий научно-инновационного объединения ФГБОУ ВО «Ставропольский государственный медицинский университет» Минздрава России; профессор кафедры клинической стоматологии с курсом ХС и ЧЛХ Пятигорского медико-фармацевтического института — филиал Волгоградского государственного медицинского университета, Ставрополь;
B.М. Аванисян, клинический ординатор кафедры терапевтической стоматологии ФГБОУ ВО «Ставропольский государственный медицинский университет» Минздрава России, Ставрополь; Д.Ю. Семериков, врач стоматолог-ортопед, стоматолог-хирург, ООО «Стоматологическая клиника Валентина», Нягань;
П.М. Атапин, разработчик программного обеспечения ООО «МИП Имплант Аддитивные технологии», Ставрополь;
C.А. Гуренко, инженер-аналитик ООО «МИП Имплант Аддитивные Технологии», Ставрополь.
Для контактов: Сергеев Юрий Андреевич, e-mail: serg_yuriy@mail.ru
