CC BY
200
Розов Р.А., Хигучи К.У., Брунски Дж., Трезубов В.Н., Смердов А.А., Мишнев М.Л. Трехмерный конечно-элементный анализ влияния утраты дентального имплантата на распределение напряжения в имплантационном протезе нижней челюсти. Российский журнал биомеханики, 2023, Т. 27, № 3, С. 24-35. DOI: 10.15593/RZhBiomech/2023.3.02
РОССИИСКИИ ЖУРНАЛ БИОМЕХАНИКИ № 3,2023
RUSSIAN JOURNAL OF BIOMECHANICS
https ://ered.pstu. ru/index.php/rjb
Научная статья
DOI: 10.15593/RZhBiomech/2023.3.02 УДК 531/534: [57+61]
ТРЕХМЕРНЫЙ КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНЫЙ АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ УТРАТЫ ДЕНТАЛЬНОГО ИМПЛАНТАТА НА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ В ИМПЛАНТАЦИОННОМ ПРОТЕЗЕ НИЖНЕЙ ЧЕЛЮСТИ
Р.А. Розов1, К.У. Хигучи2, Дж. Брунски3, В.Н. Трезубов1, А.А. Смердов4, М.Л. Мишнев5
1 Первый Санкт-Петербургский государственный медицинский университет имени академика И.П. Павлова, Санкт-Петербург, Россия
2 Медицинский центр «Валлей», Спокан, Вашингтон, США
3 Стэнфордский университет, Пало-Альто, США
4 ООО «Фидесис», Москва, Россия
5 Новгородский государственный университет им. Ярослава Мудрого, Великий Новгород, Россия О СТАТЬЕ АННОТАЦИЯ
Имплантационный протез может иметь всего три опорных имплантата, и утрата одного из них может повлечь за собой потерю всей конструкции. Каркасом конструкции Trefoil является стандартная балка из высокопрочного титана. При циклическом нагружении металлов и металлических конструкций возникает эффект, уменьшающий проч ностные характеристики - усталость. Предел усталости - значение напряжений, ниже которых разрушить конструкцию циклической нагрузкой невозможно. Целью работы является выбор тактики ведения пациента с утратой дистального имплантата и ее обоснование на основании результатов трехмерного конечно-элементного анализа влияния утраты одного дентального имплантата на биомеханику имплантационного протеза нижней челюсти с тремя опорами.
Моделирование нагружения мостовидного протеза осуществлялось с помощью пакета для конечно-элементного анализа Ansys 19.3. Решалась задача определения напряженно-деформированного состояния протеза и его составных частей - имплантатов и непосредственно каркаса - балки. По полученным значениям напряжений делался вывод о состоянии металлических конструкций при циклическом силовом воздействии. Геометрическая модель представлена нижней челюстью, включающей компактный и губчатый слои, мостовидной конструкцией с двумя имплантатами, ввернутыми в резьбу губчатого слоя, и зубами, закрепленными на имплантационной конструкции. Для ее получения использованы результаты компьютерной конусно-лучевой томограммы реального пациента. Конечно-элементная модель состоит из 383 507 тетраэдральных элементов второго порядка и 619 339 узлов. Составные части соединены между собой контактными элементами типа Bonded, имитирующими жесткое соединение без проскальзывания.
Получена: 13 апреля 2023 Одобрена: 20 июля 2023 Принята к публикации: 27 июля 2023
Ключевые слова:
протезирование с опорой на дентальные имплантаты, ортопедическая стоматология, нижняя челюсть, Trefoil, конечно-элементный анализ
© Розов Роман Александрович - доцент кафедры, e-mail: [email protected] : 0000-0001-5804-9497 © Кенджи Хигучи - врач-стоматолог-хирург, e-mail: [email protected] © Джон Брунски - профессор, старший научный сотрудник, e-mail: [email protected] © Трезубов Владимир Николаевич -д.м.н., заведующий кафедрой, профессор, e-mail: [email protected] ¡D 0000-0003-0532-5632
© Смердов Алексей Андреевич - инженер, e-mail: [email protected] : 0000-0001-7978-0465 © Мишнев Максим Леонидович - ассистент, стоматолог, e-mail: [email protected] : 0000-0003-2664-0674
Эта статья доступна в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License (CC BY-NC 4.0)
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License (CC BY-NC 4.0)
В соответствии со значением предела усталости для нагруженной титановой имплантационной конструкции 220 МПа сделан вывод о том, что при нагрузке 100 Н конструкция протяженного протеза, в которой возникают максимальные напряжения 154 МПа в случае нагружения левой части челюсти, может выдержать неограниченное количество циклов нагружения.
Определена врачебная тактика при возможном выключении из функции или удалении одного из трех опорноудерживающих имплантатов конструкции Trefoil: необходимо отказаться от демонтажа протеза до момента реимплантации.
©ПНИПУ
Введение
Утрата опорного имплантата является тяжелым клиническим осложнением имплантационного протезирования, за которым следует повторное лечение с созданием новой ортопедической конструкции. Повторное имплантационное протезирование возможно после восстановления периимплантатной кости, что обычно занимает от 2 до 4 месяцев. При наличии здоровой кости в других отделах челюсти можно осуществить непосредственное имплантационное протезирование с включением в конструкцию сохранившихся имплантатов и вновь введенных в неповрежденные участки челюстной кости. Важной задачей при развитии клинического осложнения с неблагоприятным прогнозом относительно сохранения одного из опорных имплантатов протяженного протеза является сохранение самой замещающей конструкции на период заживления кости и повторной имплантации. Это является профилактикой декомпенсации достигнутого при предшествующем протезировании гнатического оптимума, а значит, и профилактикой болезней височно-нижнечелюстных суставов и дисфункции жевательных мышц. Кроме того, после снятия протяженного протеза, пациенты, особенно пожилого и старческого возраста, сталкиваются с реальным риском нарушения питания и утраты мотивации к продолжению лечения [8].
Сложнее обстоят дела у пациентов, протезированных нижнечелюстной имплантационной конструкцией системы «Trefoil» (Nobel Biocare, Швейцария) [26, 47, 49, 50]. Этот протез имеет всего три опорных имплантата, и утрата одного из них может повлечь за собой потерю всей конструкции [5, 7, 9]. Каркасом конструкции является стандартная балка из высокопрочного титана (рис. 1).
При циклическом нагружении металлов и металлических конструкций возникает эффект, уменьшающий прочностные характеристики -усталость. Уменьшение характеристик металла описывает получаемая экспериментальным путем кривая усталости, выражающая соотношение величины напряжений к числу циклов, при котором происходит разрушение образца [3, 4]. На таком графике, обычно, на оси абсцисс приводится десятичный логарифм от числа циклов. Усталостная прочность, помимо прочего, зависит и от геометрических характеристик образца: гладкий образец обладает большей усталостной прочностью, чем образцы с теми или иными вырезами и, по сути, концентраторами напряжений. Любая реальная конструкция, тем более сложная пространственная протяженная конструкция имплантационного протеза, является конструкцией, при нагружении которой напряжения локализуются в зонах концентрации
а б
Рис. 1. Каркас протеза системы Trefoil - балка из высокопрочного титана с элементами компенсаторного механизма:
а - в разобранном виде; б - после микроплазменной сварки
напряжений [10]. Поэтому для анализа усталостной прочности такой конструкции целесообразно использование данных о усталостной прочности образца с концентратором напряжений как данных для более опасного случая нагружения [2]. По современным представлениям для металлов на кривой усталости можно выделить две зоны - зону малоцикловой и зону многоцикловой усталости
[11, 13].
В зоне малоцикловой усталости значения напряжений достаточно сильно зависят от числа циклов. В зоне же многоцикловой усталости эта зависимость становится практически константной. Таким образом, выделяют предел усталости -значение напряжений, ниже которых разрушить конструкцию циклической нагрузкой невозможно.
Вопрос выбора тактики ведения пациента с утратой дистального имплантата и ее обоснования на основании результатов трехмерного конечно -элементного анализа влияния утраты одного дентального имплантата на биомеханику имплантационного протеза нижней челюсти с тремя опорами нам пришлось решить [14].
Материалы, объекты исследований и методы
Моделирование нагружения мостовидного протеза осуществлялось с помощью пакета для конечно-элементного анализа Ansys 19.3. Решалась задача определения напряженно -деформированного
состояния протеза и его составных частей -имплантатов и непосредственно каркаса - балки [24,25,32-38]. По полученным значениям напряжений делался вывод о состоянии металлических конструкций при циклическом силовом воздействии [12].
Геометрическая модель, использованная в расчетах, представлена на рис. 2. На ней можно выделить нижнюю челюсть, включающую компактный и губчатый слои, мостовидную конструкцию с двумя имплантатами, ввернутыми в резьбу губчатого слоя, и зубы, закрепленные на мостовидной конструкции. Для ее получения использованы результаты компьютерной конусно-лучевой томограммы реального пациента ортопедического отделения СПбГБУЗ «Городская стоматологическая поликлиника № 33» (Санкт-Петербург). Перевод формата DICOM в STL выполнен в программе Mimics Medical 21 (Materialise, Германия) [48]. Для индивидуализации геометрической модели нижней челюсти, реальные толщины компактного и губчатого слоев кости пациента были измерены с использованием программы визуализации
трехмерного рентгеновского изображения
Romexis 4.5.1 и применены. Для получения реальной конгруэнтной геометрической модели
имплантационного протеза нижней челюсти выполнено внутриротовой сканирование
искусственного зубного ряда аппаратом iTero Element 2 Version 1.7 (Align Technology) с получением объекта в формате STL.
Рис. 2. Расчетная модель для: первого (а) и второго (б) расчетного случаев
Рис. 3. Конечно-элементная модель
Следует отметить, что для эксперимента использовалась нижняя челюсть мужчины 70 лет, стандартная балка «Trefoil», 2 имплантата «Trefoil Implant CC» 5,0*13+4,5 мм (полированные шейки которых не погружены в кость), компенсаторный механизм с тремя сферическими головками, а также укрепляемый винтами полный несъемный протез указанного пациента с искусственными зубами и искусственной десной (укороченным базисом) из керомера [30,31]. Крайний имплантат, с одной стороны, отсутствует.
Нагружение производилось для двух расчетных случаев - случая надавливания на шарик, лежащий на крайнем левом и правом зубах. Приложена нагрузка 100 Н [44-46]. Закрепление осуществлялось на верхних поверхностях челюсти, отмеченных на (рис. 2) синим цветом.
Конечно-элементная модель предсталвена на рис. 3. Конечно-элементная сетка имеет сгущение в зоне концентраторов напряжений для более точного определения напряжения в этих зонах и разрежена в остальных частях модели [21,22]. Эта модель состоит из 383 507 элементов SOLID186 тетраэдральных десяти узловых элементов второго порядка и 619 339 узлов. Составные части соединены между собой контактными элементами CONTA175, имитирующими жесткое соединение без проскальзывания.
Характеристики использованных при расчетах материалов представлен в табл.
Анализ полученных результатов проводился с использованием статистической программы SPSS 24. Статистическая оценка значимости различий проведена с применением /-критерия Стьюдента, критерия равенства дисперсий Ливиня.
Характеристики материалов
Материал Модуль упругости, ГПа Коэффициент Пуассона
Губчатый слой кости 1,85 0,313
Компактный слой кости 12,51 0,313
Титановый сплав 110 0,3
Базис протеза (компомер) 3 0,4
Искусственные зубы (компомер) 20 0,3
Материал пищевого комка (мукоза) 0,68 0,3
б
Рис. 4. Полные перемещения в метрах, в случае нагрузки на правую часть челюсти в реальном масштабе (а); увеличенном масштабе (б)
б
Рис. 5 Эквивалентные напряжения в мостовидном протезе в случае нагрузки на правую часть челюсти: а - основа протеза; б - крепление протеза, Па
Результаты и обсуждения
Результаты расчетов - полные перемещения и эквивалентные напряжения - представлены на рис. 4-7. Из рис. 4-7 следует, что наиболее опасным является нагружение на ту часть челюсти, где отсутствует имплантат.
Максимальные напряжения в титановых конструкциях составляют:
- для случая нагружения правой части челюсти -49,3 МПа и 68,9 МПа для мостовидной конструкции и для имплантатов соответственно;
- для случая нагружения левой части челюсти -154 МПа и 257 МПа для мостовидной конструкции и для имплантатов соответственно.
Использованная в данной работе кривая усталости сплава Ti-6Al-4V с нанесенным на нее пределом выносливости с, представлена на (рис. 8). В исследовании Жернакова В.С. и соавт. (2016) получена и представлена зависимость осевых
напряжений, однако при изгибном нагружении осевые напряжения с очень высокой точностью равны эквивалентным напряжениям [3, 51, 52]. Поэтому в данной работе представленная кривая использовалась для эквивалентных напряжений [18]. Помимо этого, в работах приводятся значения предела выносливости титановых сплавов, которые используются в качестве конструкционного материала для зубных мостовидных конструкций [42, 43]. Значения приводились для образцов с выточкой. В зависимости от сплава значения варьируются от 180 до 210 МПа, что дополнительно говорит о верном порядке значения предела выносливости, полученном в работе Жернакова В.С. и соавт. (2016).
Из рис. 8 видно, что предел усталости для нагруженной титановой конструкции моста составляет 240 МПа, что означает, что при нагрузке 100 Н конструкция моста, в которой возникают максимальные напряжения 154 МПа в случае
а
б
Рис. 6. Полные перемещения в случае нагрузки на левую часть челюсти в реальном масштабе (а);
в увеличенном масштабе (б), м
нагружения левой части челюсти, может выдержать неограниченное количество циклов нагружения.
При этом стоит отметить, что увеличение нагрузки хотя бы на 60 % приведет к тому, что конструкция моста будет испытывать усталостное разрушение примерно через 10 6 циклов. Напряжения в титановых имплантатах в случае нагружения левой части челюсти равны 257 МПа, что выше предела выносливости [39,40]. Количество циклов нагружения для имплантатов составляет примерно 10 5.
В качестве подтверждения экспериментальных результатов приведем реальные клинические наблюдения пациентов с утратой дистального имплантата. В отделение ортопедической стоматологии СПбГБУЗ «Городская
стоматологическая поликлиника No 33» для консультации были направлены четверо пациентов, протезированных системой Trefoil с явлением периимплантита дистального имплантата. У троих из них, направленных из других стоматологических
учреждений, клиническое осложнение возникло спустя 4-6 недель после операции. Четвертый же протезированный нами обратился с жалобами на боль и припухлость в области опорного имплантата спустя 16 месяцев. Известны примеры введения вспомогательного имплантата взамен утраченного в здоровую кость рядом с областью дезинтеграции и создание непосредственного протеза на период заживления кости в зоне утраченного имплантата с повторным введением такового спустя 3 месяца. При неблагоприятных клинических условиях и невозможности реализации на практике такого варианта предлагается снятие протеза системы Trefoil и создание перекрывающего протеза на время созревания кости для новой имплантации [6].
Нами принято решение удалить несостоятельный по причине периимплантита дистальный имплантат, а протез сохранить в неизменном виде, фиксировав его к сохранным искусственным опорам с усилием 35 Н/см. Для снижения окклюзионной нагрузки на сто
Рис. 7 Эквивалентные напряжения в мостовидном протезе (напряжение по Мизесу) в случае нагрузки на левую часть челюсти: а - нагрузка на весь протез; б - нагрузка на крепление протеза; в - нагрузка на основу протеза, Па
а
б
в
о.МПа 450
400 350 300 С 250 200
415
\
\&0 275
1 >48 240
-•
3.5
4.5
Ш
6.5
Рис. 8. Кривая усталости для образца с выточкой
роне утраты имплантата проводили избирательное пришлифовывание искусственных зубов с созданием увеличивающегося от латерального резца к первому моляру разобщения в 100-200 мкм в положении центральной окклюзии на одноименной стороне.
Вместе с тем для обеспечения сохранения стабильного положения нижней челюсти и снижения рисков развития асимметричного тонуса жевательных мышц для ночного пользования создавали защитную каппу [1]. Ее получали в положении центральной окклюзии с отпечатками зубов-антагонистов, она отличалась неравномерной толщиной, чем компенсировала отсутствие окклюзионного контакта на проблемной стороне.
На рис. 9 представлены серийные ОПТГ пациента М-на, 67 лет, с сопутствующей гипертонией жевательных мышц. На первой из них запечатлен успешный результат имплантационного
протезирования с использованием системы Trefoil, через 16 месяцев после протезирования возник периимплантит и дезинтеграция правого дистального имплантата в области удаленного 4.4 зуба [16, 17]. Состояние периимплантатной кости в области сохранившихся имплантатов стабильное, отсутствуют явления атрофии и разрежения.
Пожилые пациенты часто имеют системные остеопению и остеопороз, что проявляется в замедлении процессов остеоинтеграции имплантатов. Утрата одного из трех опорных имплантатов требует 4 и более месяцев для восстановления кости и повторной имплантации [15, 19, 23].
На рис. 10 представлена картина пациента Л-на, 82 лет, у которого произошла ранняя неудача с имплантатом. Протез сохраняет свою функциональность 5 месяцев на двух опорах. Ниже представлена ОПТГ пациентки Г-ой, 84 лет, которая в течение 6 месяцев пользовалась полным несъемным протезом нижней челюсти системой Trefoil, все это время опирающейся всего на два сохранившихся имплантата. При этом в области удаления левого дистального имплантата (область
ранее удаленного 3.4 зуба) костная рана полностью зажила, заполнившись здоровой зрелой костью и готова к реимплантации, что касается периимплантатной кости в области сохранившихся искусственных опор, она выглядит
рентгеноанатомически нормально без признаков воспаления и функциональной перегрузки [41].
Заключение
Таким образом, используемые нами экспериментальные методы математического моделирования с помощью конечных элементов функциональных нагрузок и перегрузок, в частности при опоре протяженных протезов всего на 2 имплантата, собственные клинические наблюдения и их примеры, приведенные здесь, благоприятные исходы имплантационного протезирования с высокой сохраняемостью и долговечностью имплантатов и протяженных протезов, в том числе при неблагоприятных клинических условиях, позволяют сделать следующие выводы:
1. Имплантационный протез системы Trefoil с тремя дентальными имплантатами обладает достаточным запасом прочности, в том числе, для его временного применения при развитии клинического осложнения на период заживления челюстной кости после удаления одного имплантата [27-29].
2. Прием мягкой и невязкой жидкой (sipping) пищи на период пользования имплантационной конструкцией Trefoil, в том числе и лишенной одной дистальной опоры снижает риски ее перегрузки и развития в ней циклической усталости раньше срока заживления челюстной кости.
3. Применение компенсаторной защитной ночной каппы снижает риск развития дисфункции ВНЧС при создании профилактической дезокклюзии на стороне утраты имплантата, а также служит профилактике функциональной перегрузки периимплантатной кости.
в
Рис. 9. Ортопантомограмма пациента М-на, 67 лет, с полной потерей зубов на нижней челюсти: а - через
12 месяцев после наложения протеза; б - через 16 месяцев был удален правый дистальный имплантат;
в - через 1,5 месяца после удаления имплантата
Кроме того, по сути, определена врачебная тактика при возможном выключении из функции или удалении одного из трех опорноудерживающих
Список литературы
1. Самуйлов И.В., Давыдов М.В., Рубникович С.П., Барадина И.Н. Алгоритм оценки изменений функционального состояния мышц челюстно-лицевой области у атлетов с индивидуальными окклюзионными релаксирующими шинами или каппами // Российский журнал биомеханики. - 2021. - Т. 25, № 3. - С. 255-272. Б01: 10.15593ЖаБюшеЬ/2021.3.03
2. Джеббар Н., Бачири А., Бутабут Б. Трехмерный конечно-элементный анализ влияния ударной нагрузки от
б
Рис. 10. Клинико-рентгенологическая картина пациента Л-на, 82 лет: а - сразу после фиксации протеза; б - спустя 5 месяцев после удаления имплантата справа
Рис. 11. Ортопантомограмма пациентки Г-ой, 84 лет, спустя 6 месяцев после удаления дистального имплантата слева
имплантатов: необходимо отказаться от демонтажа протеза до момента реимплантации.
импактора переменной массы на распределение напряжений на поверхности «кость - имплантант» // Российский журнал биомеханики. - 2023. - Т. 27, № 1. -С. 10-21. Б01: 10.15593Ж7ЬБюшеЬ/2023.1.01 3. Жернаков В.С., Мардимасова Т.Н., Акбашев В.Р. Прогнозирование усталостной прочности стержня с выточкой из наноструктурного титанового сплава при симметричном циклическом изгибе // Вестник Уфимского государственного авиационного
технического университета. - 2016. - Т. 20, № 2(72). -С. 17-22.
4. Иванова В. С. Современные представления о природе усталостного разрушения и новые направления исследований // Усталость металлов и сплавов. - М.: Наука. - 1971. - С. 3-14.
5. Розов Р.А., Трезубов В.Н., Герасимов А.Б., Копылов М.В., Азарин Г.С. Клинический анализ ближайших и отдаленных результатов применения имплантационного протезирования «Трефойл» в России // Стоматология. -2020. - Т. 99, № 5. - С. 50-57.
6. Розов Р.А., Трезубов В.Н., Ураков А.Л., Азарин Г.С., Решетников А.П., Копылов М.В. Критериальная система оценки реальных компетенций врачей-стоматологов, занимающихся дентальной имплантологией. Результаты анализа 43 портфолио молодых врачей-стоматологов // Стоматология. - 2019. - № 3. - С. 4-11.
7. Розов Р.А., Трезубов В.Н., Ткачева О.Н., Кабанов М.Ю., Фролова Е.В., Арутюнов С.Д., Герасимов А.Б. Непосредственное имплантационное протезирование на нижней челюсти протяженной металлополимерной конструкцией со стандартным каркасом и тремя искусственными опорами у пациентов пожилого возраста: результаты 3 летнего перспективного одногруппового когортного исследования // Успехи геронтологии. - 2022. - Т. 35, № 5. - С. 755-765.
8. Розов Р.А., Кабанов М.Ю., Трезубов В.Н. Утрата звеньев жевательного аппарата - инвалидность или инвалидизация? // Успехи геронтологии. - 2021. - Т. 34, № 2. - С. 232-238.
9. Трезубов В.Н., Розов Р.А., Азарин Г.С. Концептуальный подход к классификации протяжённых имплантационных замещающих конструкций, использующихся у пациентов с полной потерей зубов // Стоматология. - 2017. - Т. 96, № 1 (1). - С. 51-55.
10. Федорова Н.В., Ларичкин А.Ю., Шевела А.А. Моделирование нагрузок, создаваемых мостовидным зубным протезом с опорой на имплантаты верхней челюсти // Российский журнал биомеханики. - 2022. -Т. 26, № 2. - С. 56-66. DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2022.2.05
11. Чечулин Б.Б. Титановые сплавы в машиностроении. Л.: Машиностроение, 1977. - Т. 248. - С. 28.
12. Джалалова М.В., Степанов А.Г., Апресян С.В., Оганян А.И. Численное исследование напряженно-деформированного состояния штифтовых культевых конструкций из диоксида циркония, изготовленных с использованием CAD/CAM-технологий // Российский журнал биомеханики. - 2023. - Т. 27, № 1. - С. 22-30. DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2023.1.02
13. Шабалин В. И. Экспериментальное исследование формы кривой усталости металлов // Прочность металлов при циклических нагрузках: материалы IV совещания по усталости металлов. - М.: Наука, 1967. — С. 162-169.
14. Розов Р.А., Трезубов В.Н., Гветадзе Р.Ш. Экспериментальное моделирование функциональной нагрузки нижней челюсти при протезировании с опорой на имплантаты в неблагоприятных клинических условиях // Стоматология. - 2022. - Т. 101, № 6. -С. 28-34.
15. Aouini W., Lambert F., Vrielinck L., Vandenberghe B. Patient eligibility for standardized treatment of the edentulous mandible: Aretrospective CBCT-based assessment of mandibular morphology // J. Clin. Med. -2019. Vol. 8, No. 5. - P. 1-9.
16. Borgonovo A.E., Galbiati S.L.M., Re D. Trefoil system for the treatment of mandibular edentulism: a case report with 30 months follow-up // Case Rep. Dent. - 2020. -Vol. 2020. - P. 1-6. DOI: 10.1155/2020/8845649.
17. Brandao T.B., Vechiato-Filho A.J., Vedovato E., Silva L.S., Dos Santos Silva A.R., Brito E Dias R., de Souza Batista V.E. Is the Fixed Mandibular 3-Implant Retained Prosthesis Safe and Predicable for Full-Arch Mandibular Prostheses? A Systematic Review // J. Prosthodont. - 2021. - Vol. 30, No. 2. - P. 119-127. DOI: 10.1111/jopr.13253.
18. Brunski J.B., Puleo D.A., Nanci A. Biomaterials and biomechanics of oral and maxillofacial implants: current status and future developments // Int. J. Oral. Maxillofac Implants. - 2000. - Vol. 15, No. 1. - P. 15-46.
19. Chen C.H., Wang L., Serdar Tulu U. An osteopenic/osteoporotic phenotype delays alveolar bone repair // Bone. - 2018. - Vol. 112. - P. 212-219. DOI: 10.1016/j.bone.2018.04.019
20. Deste G., Durkan R. Effects of all on four implant designs in mandible on implants and the surrounding bone: A 3-D finite element analysis // Niger J. Clin. Pract. - 2020. - Vol. 23. -P. 456-463.
21. Elsayyad A.A., Abbas N.A., AbdelNabi N.M., Osman R.B. Biomechanics of 3-implant-supported and 4-implant-supported mandibular screw-retained prostheses: A 3D finite element analysis study // J. Prosthet Dent. - 2020. -Vol. 124, No. 1. DOI: 10.1016/j.prosdent.2020.01.015.
22. Falcinelli C., Valente F., Vasta M., Traini T. Finite element analysis in implant dentistry: State of the art and future directions // Dent. Mater. - 2023. - Vol. 39, No. 6. -P. 539-556. DOI: 10.1016/j.dental.2023.04.002
23. Freitas J.P., Agostinho Hernandez B., Gonfalves P.J.P., Baptista E.C., Capello Sousa E.A. Novel and simplified optimisation pathway using response surface and design of experiments methodologies for dental implants based on the stress of the cortical bone // Proc. Inst. Mech Eng. H. -
2021. - Vol. 235, No. 11. - P. 1297-1309. DOI: 10.1177/09544119211025375
24. Gurbuz A., Guflu Z.B., Deste Gokay G., Durkan R. Biomechanical comparison of different prosthetic materials and posterior implant angles in all-on-4 treatment concept by three-dimensional finite element analysis // Biomed Tech -
2022. - Vol. 67, No. 4. - P. 307-315. DOI: 10.1515/bmt-2022-0109.
25. Guflu Z.B., Gurbuz A., Deste Gokay G., Durkan R., Oyar P. Mechanical response of different frameworks for maxillary all-on-four implant-supported fixed dental prosthesis: 3D finite element analysis // Biomed Tech. - 2022. - Vol. 67, No. 5. - P. 419-428. DOI: 10.1515/bmt-2022-0176
26. Higuchi K., Rosenberg R., Davo R., Albanese M., Liddelow G. A Prospective Single-Cohort Multicenter Study of an Innovative Prefabricated Three-Implant-Supported Full-Arch Prosthesis for Treatment of Edentulous Mandible: 1-year Report // Int. J. Oral. Maxillofac Implants. - 2020. -Vol. 35, No. 1. - P. 150-159. DOI: 10.11607/jomi.7650
27. Hirani M., Devine M., Obisesan O., Bryant C. The use of three implants to support a fixed prosthesis in the management of the edentulous mandible: a systematic review // Int J Implant Dent. - 2022. - Vol. 17, No. 8. - P. 1-11.
DOI: 10.1186/s40729-022-00423-5
28. Hosseini-Faradonbeh S.A., Katoozian H.R. Biomechanical evaluations of the long-term stability of dental implant using finite element modeling method: a systematic review // J
Adv Prosthodont. - 2022. - Vol. 14, No. 3. - P. 182-202. DOI: 10.4047/jap.2022.14.3.182
29. Karl M., Carretta R., Higuchi K.W. Passivity of fit of a novel prefabricated implant-supported mandibular full-arch reconstruction: A comparative in vitro study // Int J Prosthodont. - 2018. - Vol. 31. - P. 440-442.
30. Lee H., Jo M., Noh G. Biomechanical effects of dental implant diameter, connection type, and bone density on microgap formation and fatigue failure: A finite element analysis // Comput Methods Programs Biomed. - 2021. -Vol. 200. DOI: 10.1016/j.cmpb.2020.105863
31. Niroomand M.R., Arabbeiki M. Effect of the dimensions of implant body and thread on bone resorption and stability in trapezoidal threaded dental implants: a sensitivity analysis and optimization // Comput Methods Biomech Biomed Engin. - 2020. - Vol. 23, No. 13. - P. 1005-1013. DOI: 10.1080/10255842.2020.1782390
32. Menini M., Pesce P., Bevilacqua M., Pera F., Tealdo T., Barberis F., Effect of framework in an implant-supported full-arch fixed prosthesis: 3D finite element analysis // Int. J. Prosthodont. - 2015. - Vol. 28. -P. 627-630.
33. Merdji A., Taharou B., Hillstrom R., Finite-Element Study of Biomechanical Explanations for Bone Loss around Dental Implants // J. Long Term Eff. Med. Implants. -2020. - Vol. 30, No. 1. - P. 21-30. DOI: 10.1615/JLongTermEffMedImplants.2020035028
34. Mohamed M., Westover L. Evaluating the dynamic behaviour of bone anchored hearing aids using a finite element model and its applications to implant stability assessment // Med. Biol. Eng. Comput. - 2022, Vol. 60, No. 10. - P. 2779-2795. DOI: 10.1007/s11517-022-02607-y
35. Monje A., Ravida A., Wang H.L., Helms J.A., Brunski J.B. Relationship Between Primary/Mechanical and Secondary/Biological Implant Stability // Int. J. Oral. Maxillofac Implants. - 2019. - Vol. 34. - P. 7-23. DOI: 10.11607/jomi.19suppl.g1
36. Murugaian J., Ganesan L., Shankar M.S.S., Annapoorni H. A. comparative evaluation of stress distribution between an All-on-Four implant-supported prosthesis and the Trefoil implant-supported prosthesis: A three-dimensional finite element analysis study // J. Indian Prosthodont Soc. - 2022. - Vol. 22, No. 1. - P. 56-64. DOI: 10.4103/j ips.jips_203_21
37. Oyar P., Durkan R., Deste G. The effect of the design of a mandibular implant-supported zirconia prosthesis on stress distribution // J. Prosthet. Dent. - 2021, - Vol. 125, No. 3. DOI: 10.1016/j.prosdent.2020.05.027
38. Ozan O, Kurtulmus-Yilmaz S. Biomechanical comparison of different implant inclinations and cantilever lengths in all-on-4 treatment concept by three-dimensional finite element analysis // Int. J. Oral Maxillofac Implants. - 2018. -Vol. 33. - P. 64-71.
39. Park S., Park J., Kang I., Lee H., Noh G. Effects of assessing the bone remodeling process in biomechanical finite element stability evaluations of dental implants // Comput. Methods Programs Biomed. - 2022. - Vol. 221. DOI: 10.1016/j.cmpb.2022.106852
40. Pesqueira A.A, Goiato M.C., Filho H.G. Use of stress analysis methods to evaluate the biomechanics of oral rehabilitation with implants // J. Oral. Implantol. -2014. -Vol. 40, No. 2. - P. 217-228. DOI: 10.1563/AAID-JOI-D-11-00066
41. Sánchez-Labrador L., Molinero-Mourelle P., Cortés-Bretón Brinkmann J., Prados-Frutos J.C., Gómez-Polo M., Martínez-González J.M. Clinical Behavior and Complications of Mandibular Full-Arch Fixed Dental Prostheses Supported by Three Dental Implants // A Systematic Review and Meta-Analysis. Biology. - 2021. -Vol. 8. No. 4. DOI: 10.3390/biology10040308
42. Satpathy M., Duan Y., Betts L., Priddy M., Griggs J.A. Effect of Bone Remodeling on Dental Implant Fatigue Limit Predicted Using 3D Finite Element Analysis // J. Dent. Oral Epidemiol. - 2022. - Vol. 2, No. 1. DOI: 10.54289/jdoe2200102
43. Steinemann S.G., Mausli P.A. Titanium alloys for surgical implants - biocompatibility from physicochemical principles. Proc 6th World Conf Titanium. In: Lacombe F: Tricot R, BCranger G, ed. Les Ulis: Les Bditions de physique, - 1988. - P. 535- 540.
44. Steinemann, S. G., Mausli, P. A., Szmukler-Moncler, S., Semlitsch, M., Pohler, O., Hintermann, H. E., & Perren, S. M. Beta-titanium alloy for surgical implants // Beta Titanium. - 1990. - P. 2689-2696.
45. Tian Y., Sadowsky S.J., Brunski J.B., Yuan X., Helms J.A. Effects of masticatory loading on bone remodeling around teeth versus implants: Insights from a preclinical model // Clin. Oral Implants Res. - 2022. - Vol. 33, No. 3. -P. 342-352. DOI: 10.1111/clr.13894
46. Pandey A., Durrani F., Rai S.K., Singh N.K., Singh P., Verma R., Kumar J. Comparison between all-on-four and all-on-six treatment concepts on stress distribution for full-mouth rehabilitation using three-dimensional finite element analysis: A biomechanical study // J. Indian Soc. Periodontal. - 2023. - Vol. 27, No. 2. - P. 180-188. DOI: 10.4103/jisp.jisp_278_22
47. Pirmoradian M., Naeeni H.A., Firouzbakht M., Toghraie D., Khabaz M.K., Darabi R. Finite element analysis and experimental evaluation on stress distribution and sensitivity of dental implants to assess optimum length and thread pitch // Comput. Methods Programs. Biomed. - 2020. - Vol. 187 DOI: 10.1016/j.cmpb.2019.105258
48. Rozov R.A. Immediate implant supported prosthodontic treatment of the edentulous jaw with additional implant stabilization // Stomatologija. - 2021. - Vol. 23, No. 3. -P. 69-74.
49. Rozov R.A. Digital workflow for reconstructing the biomechanics of the masticatory apparatus in implant-supported prosthetics in edentulous patients / R.A. Rozov, V.N. Trezubov, A.L. Urakov // Russian Journal of Biomechanics. - 2022. - Vol. 26, No. 3. - P. 91-99.
50. Sun X., Cheng K., Liu Y., Ke S., Zhang W., Wang L., Yang F. Biomechanical comparison of all-on-4 and all-on-5 implant-supported prostheses with alteration of anterior-posterior spread: a three-dimensional finite element analysis // Front. Bioeng. Biotechnol. - 2023. - Vol. 11. DOI: 10.3389/fbioe.2023.1187504
51. Trefoil Procedure Manual. Nobel Biocare Services AG; 2017.
52. Wagner, L. Fatigue and fracture properties of titanium alloys: fatigue life behavior // ASM International, Member/Customer Service Center. - 1996. - P. 837-845.
53. Wanhill, Russell, and Simon Barter. Fatigue of beta processed and beta heat-treated titanium alloys. Springer Science & Business Media, 2011.
Финансирование. Работа выполнена за счет средств авторов.
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
3D FINITE ELEMENT ANALYSIS OF THE DENTAL IMPLANT LOSS EFFECT ON THE STRESS DISTRIBUTION IN THE MANDIBULAR IMPLANT-SUPPORTED PROSTHESIS
R.A. Rozov1, K.W. Higuchi2, J. Brunski3, V.N. Trezubov1, A.A. Smerdov4, M.L. Mishnev5
1 Pavlov First Saint Petersburg State Medical University, St. Petersburg, Russia
2 Valley Hospital and Medical Center, Spokane, Washington, USA
3 Stanford University, Palo Alto, USA
4 Fidesys LLC, Moscow, Russia
5 Yaroslav-the-Wise Novgorod State University, Veliky Novgorod, Russia
ABSTRACT
An implant-supported prosthesis may have as few as three supporting implants, and the loss of one of them may lead to the loss of the entire structure. The framework of the Trefoil design is a standard bar made of high-strength titanium. Cyclic loading of metals and metal structures brings about the effect reducing the strength characteristics and known as fatigue. Fatigue limit is the value of stress below which the cyclic loading cannot destroy the structure. The aim of the work is to determine the treatment tactics for a patient having lost a distal implant and justify it according to the results of a three-dimensional finite element analysis of the effect of one dental implant loss on the biomechanics of a mandibular implant-supported prosthesis with three supports.
Bridge loading modeling was carried out with the Ansys 19.3 finite element analysis package and thus the stress-strain condition of the prosthesis and its components, implants and the frame itself, namely the bar, were determined. The stress values obtained allowed to draw the conclusion about the condition of metal structures under cyclic loading. The geometric model represents the mandible, including the compact and spongy bone layers, a bridge structure with two implants screwed into the spongy layer, and artificial teeth attached to the implant structure. The model was created with the use of a real patient's computerized cone-beam tomogram (CBCT) findings. The finite element model consists of 383 507 second-order tetrahedral elements and 619 339 nodes. The components are interconnected by contact elements of the "bonded" type, imitating a rigid connection without slipping.
With 220 MPa being the fatigue limit for the loaded titanium implant construction, it was concluded that extended prosthesis construction can withstand an unlimited number of loading cycles at 100 N loading with the maximum stress of 154 MPa occurring in the left part of the jaw. The clinician's tactics was determined for the potential loss of function or removal of one of the three Trefoil supporting implants: the prosthesis must not be removed until reimplantation.
©PNRPU
ARTICLE INFO
Received: 13 April 2023 Approved: 20 July 2023 Accepted for publication: 27 July 2023
Key words:
dental implant-supported prosthetics, prosthetic dentistry, mandible, Trefoil, finite-element analysis.
