Análise por Elementos Finitos de Implantes Subperiosteais Submetidos à Carga Funcional Utilizando um Modelo Realista de Atrofia Severa dos Maxilares

Gerardo Pellegrino, Maryia Karaban, Veronica Scalchi, Marco Urbani, Amerigo Giudice, Carlo Barausse, Pietro Felice.

Full text link: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39846694/

Análise por Elementos Finitos de Implantes Subperiosteais Submetidos à Carga Funcional Utilizando um Modelo Realista de Atrofia Severa dos Maxilares

1. Referência científica

• Título do estudo: Finite Element Analysis of Functionally Loaded Subperiosteal Implants Evaluated on a Realistic Model Reproducing Severe Atrophic Jaws
• Autores: Gerardo Pellegrino, Maryia Karaban, Veronica Scalchi, Marco Urbani, Amerigo Giudice, Carlo Barausse e Pietro Felice.
• Revista científica: Methods and Protocols
• Ano de publicação:
• DOI:3390/mps8010008.

2. Contexto científico

A reabilitação implantossuportada de pacientes com atrofia severa dos maxilares representa um dos maiores desafios da implantodontia contemporânea. Quando o volume ósseo residual é insuficiente para a instalação previsível de implantes endósseos convencionais, o tratamento geralmente exige procedimentos reconstrutivos complexos, como enxertos ósseos, elevação do seio maxilar ou técnicas de regeneração óssea guiada. Embora essas abordagens apresentem bons resultados clínicos, estão associadas a maior morbidade cirúrgica, aumento do tempo de tratamento e maior complexidade terapêutica.

Os implantes subperiosteais personalizados ressurgiram como uma alternativa para pacientes com perda óssea avançada graças ao desenvolvimento da imagiologia tridimensional, do planejamento digital, da tecnologia CAD/CAM e da manufatura aditiva em titânio. Esses implantes são confeccionados individualmente para se adaptarem à superfície óssea do paciente e são estabilizados por meio de parafusos de fixação cortical. Apesar da evolução tecnológica, ainda existem poucas evidências biomecânicas que orientem o desenho ideal dessas estruturas, especialmente em relação ao posicionamento dos parafusos, à extensão da estrutura metálica e à distribuição das cargas mastigatórias.

Nesse contexto, os autores utilizaram a Análise por Elementos Finitos (Finite Element Analysis – FEA) para investigar o comportamento biomecânico de diferentes configurações de implantes subperiosteais personalizados. O objetivo foi identificar quais modificações estruturais proporcionam uma distribuição mais favorável das tensões mecânicas e reduzem as concentrações de esforços no osso cortical de suporte.

3. Objetivo do estudo

O principal objetivo deste estudo foi analisar o comportamento biomecânico de implantes subperiosteais personalizados destinados à reabilitação de maxilas e mandíbulas com atrofia severa por meio da Análise por Elementos Finitos (Finite Element Analysis – FEA). Os autores procuraram determinar de que forma diferentes características do desenho do implante — incluindo o número e a posição dos parafusos de fixação cortical, a extensão da estrutura metálica e a presença ou ausência de barras de conexão entre as duas hemiarcadas — influenciam a distribuição das tensões tanto no implante quanto no osso de suporte.

Como objetivo secundário, o estudo buscou identificar as configurações capazes de promover uma transmissão mais equilibrada das cargas oclusais, reduzindo as concentrações de tensão nas regiões do osso cortical submetidas a maiores solicitações mecânicas. Dessa forma, a investigação pretende fornecer bases biomecânicas que contribuam para o aperfeiçoamento do projeto de implantes subperiosteais personalizados destinados ao tratamento de pacientes com atrofia óssea avançada.

4. Metodologia

Este trabalho foi desenvolvido como um estudo pré-clínico de simulação computacional, utilizando a Análise por Elementos Finitos. Não houve inclusão de pacientes nem avaliação de desfechos clínicos. A investigação baseou-se na reconstrução tridimensional de modelos anatômicos realistas de uma maxila e de uma mandíbula com atrofia severa, obtidos a partir de imagens radiográficas no formato DICOM. Após a segmentação das estruturas anatômicas, foram projetados diferentes implantes subperiosteais personalizados, que sofreram modificações sucessivas para avaliar o impacto biomecânico de cada configuração.

Os modelos numéricos incluíram osso cortical, osso trabecular, implantes de titânio, parafusos de fixação e a estrutura protética. As propriedades mecânicas dos materiais foram consideradas lineares, elásticas e isotrópicas, utilizando parâmetros previamente descritos na literatura científica. As interfaces entre implante, parafusos e tecido ósseo foram modeladas por meio de contatos rígidos ou com atrito, conforme o comportamento mecânico esperado. Para aumentar a precisão dos cálculos, foi gerada uma malha tetraédrica refinada, especialmente nas regiões sujeitas às maiores concentrações de tensão.

Foram estabelecidos cinco cenários distintos de carregamento estático para simular diferentes condições funcionais da mastigação. Em todas as simulações foi aplicada uma carga vertical de 500 N, sendo adotado o valor de 50 MPa como limite de referência para identificar possíveis concentrações críticas de tensão no osso cortical. Diversas configurações de implantes (V0 a V6 para a maxila e modelos equivalentes para a mandíbula) foram comparadas sistematicamente com o objetivo de avaliar a influência biomecânica de cada modificação estrutural.

5. Principais resultados

As simulações realizadas por meio da Análise por Elementos Finitos demonstraram que o comportamento biomecânico dos implantes subperiosteais é fortemente influenciado tanto pela configuração do implante quanto pelas condições de carregamento funcional. Nos modelos da maxila e da mandíbula, as maiores concentrações de tensão ocorreram durante a aplicação de carga unilateral na região anterior (Configuração 3), enquanto a distribuição das forças sobre um maior número de unidades protéticas resultou em uma repartição significativamente mais homogênea das tensões no implante e no osso adjacente.

As modificações progressivas introduzidas no desenho do implante proporcionaram melhorias consistentes no comportamento mecânico da estrutura. A adição de parafusos corticais posteriores (Modelo V1) promoveu uma redistribuição das cargas, reduzindo as tensões concentradas na região anterior e favorecendo uma transmissão mais equilibrada dos esforços ao longo do implante. A alteração da orientação vestibular desses parafusos (Modelo V2) apresentou desempenho biomecânico semelhante, sem oferecer vantagens significativas em relação ao modelo anterior.

Na região anterior, o reposicionamento dos parafusos em direção ao processo frontal da maxila (Modelo V4) mostrou-se mais eficiente do que simplesmente aumentar o número de pontos de fixação (Modelo V3). Essa modificação reduziu as concentrações localizadas de tensão nos pontos de ancoragem cortical, mantendo uma distribuição mais uniforme das cargas ao longo da estrutura implantária. Esses resultados indicam que a localização estratégica dos parafusos exerce maior influência biomecânica do que sua quantidade.

Nas condições de carregamento mais desfavoráveis, as tensões de tração observadas ao redor de determinados parafusos corticais ultrapassaram localmente o valor de referência de 50 MPa, sugerindo áreas potencialmente críticas de sobrecarga no osso cortical. Em contrapartida, as tensões máximas registradas na estrutura de titânio permaneceram abaixo do limite de escoamento do material, atingindo valores próximos de 500 MPa, indicando uma margem adequada de segurança mecânica.

Outro resultado relevante foi a constatação de que as barras de conexão entre os dois hemi-implantes exerceram influência mínima sobre a distribuição das tensões. De acordo com as simulações, a própria infraestrutura protética fornece rigidez suficiente ao conjunto, fazendo com que essas barras sejam submetidas a cargas mecânicas reduzidas. Esse comportamento foi observado tanto nos modelos da maxila quanto nos da mandíbula.

6. Análise clínica

Embora este estudo não apresente resultados clínicos nem acompanhamento de pacientes, ele fornece informações importantes para o desenvolvimento de implantes subperiosteais personalizados. As simulações demonstram que pequenas alterações no desenho do implante podem modificar significativamente a forma como as cargas mastigatórias são transmitidas ao conjunto implante-osso, evidenciando a importância do planejamento biomecânico durante as etapas iniciais do desenvolvimento do dispositivo.

Um dos achados mais relevantes refere-se ao papel desempenhado pelos parafusos de fixação cortical. Os resultados indicam que a distribuição estratégica desses parafusos exerce maior influência sobre o comportamento biomecânico do que o simples aumento do número de elementos de fixação. A inclusão de parafusos posteriores e o reposicionamento adequado das fixações anteriores reduziram as concentrações de tensão e favoreceram uma distribuição mais equilibrada das forças funcionais.

O estudo também identificou o carregamento unilateral na região anterior como a condição funcional mais crítica do ponto de vista biomecânico. Essa informação pode ser particularmente útil durante o planejamento digital de implantes personalizados, permitindo otimizar a geometria da estrutura para minimizar os pontos de maior concentração de tensão antes mesmo da fabricação do implante.

Outro aspecto de interesse é a reduzida contribuição biomecânica das barras de conexão entre os dois hemi-implantes. Segundo o modelo computacional, a infraestrutura protética já proporciona rigidez suficiente para estabilizar o conjunto, tornando limitada a participação dessas barras na redistribuição das cargas. Entretanto, essa observação deve ser interpretada exclusivamente no contexto da simulação numérica e não deve ser considerada uma recomendação clínica para modificar os protocolos cirúrgicos atualmente utilizados.

Como em qualquer estudo baseado em Análise por Elementos Finitos, o modelo empregado não reproduz fenômenos biológicos como osteointegração, remodelação óssea, variabilidade anatômica entre pacientes, resposta dos tecidos moles ou fadiga dos materiais ao longo do tempo. Consequentemente, os resultados descrevem apenas o comportamento mecânico sob condições controladas de simulação e não permitem prever diretamente o desempenho clínico dos implantes.

De forma geral, este trabalho reforça a importância da Análise por Elementos Finitos como ferramenta de apoio ao desenvolvimento de implantes subperiosteais personalizados. A utilização de simulações computacionais permite identificar e corrigir potenciais fragilidades biomecânicas ainda na fase de projeto, contribuindo para o desenvolvimento de soluções mais seguras, previsíveis e adaptadas às necessidades de pacientes com atrofia óssea severa.

7. Aplicações clínicas

Os resultados deste estudo têm aplicação principalmente na fase de planejamento e desenvolvimento de implantes subperiosteais personalizados para pacientes com atrofia severa dos maxilares. As simulações demonstram que a otimização da geometria do implante e do posicionamento dos parafusos de fixação cortical pode melhorar a distribuição das cargas mastigatórias antes mesmo da fabricação do dispositivo, contribuindo para o desenvolvimento de estruturas biomecanicamente mais eficientes.

Esses achados são particularmente relevantes nos atuais fluxos de trabalho digitais, que combinam diagnóstico por imagem tridimensional, planejamento virtual, tecnologias CAD/CAM e manufatura aditiva para a produção de implantes personalizados em titânio. As informações obtidas podem auxiliar implantodontistas, cirurgiões bucomaxilofaciais, protesistas e engenheiros biomédicos na concepção de soluções individualizadas para pacientes cujo volume ósseo residual limita ou inviabiliza a utilização de implantes endósseos convencionais ou de procedimentos extensos de reconstrução óssea.

Do ponto de vista da pesquisa e do desenvolvimento tecnológico, o estudo também confirma o valor da Análise por Elementos Finitos como ferramenta de validação biomecânica durante a fase de projeto. A identificação antecipada de regiões sujeitas a elevadas concentrações de tensão permite realizar ajustes estruturais antes da fabricação do implante, reduzindo o risco de configurações biomecanicamente desfavoráveis.

Entretanto, essas aplicações devem ser interpretadas exclusivamente no contexto da engenharia e do planejamento biomecânico. O estudo não fornece evidências sobre osteointegração, taxa de sobrevivência dos implantes, estabilidade protética ou ocorrência de complicações biológicas e mecânicas, não sendo possível extrapolar diretamente os resultados para a prática clínica.

8. Nível de evidência, limitações e transparência

Este trabalho corresponde a um estudo pré-clínico de simulação computacional baseado na Análise por Elementos Finitos. Embora essa metodologia permita uma avaliação detalhada do comportamento mecânico dos implantes e do osso de suporte, seu nível de evidência é inferior ao de estudos clínicos prospectivos, ensaios clínicos randomizados ou revisões sistemáticas.

Entre os principais pontos fortes da pesquisa destacam-se a utilização de modelos anatômicos tridimensionais altamente realistas, a comparação sistemática de diferentes configurações de implantes e a aplicação de condições padronizadas de carregamento funcional, permitindo uma análise objetiva da influência de cada modificação estrutural.

Por outro lado, o estudo apresenta limitações inerentes aos modelos numéricos. As simulações foram realizadas com base em pressupostos simplificados relativos às propriedades mecânicas dos materiais, às interfaces entre implante e osso e aos cenários de carregamento. Além disso, processos biológicos complexos, como osteointegração, remodelação óssea, resposta individual dos tecidos, fadiga dos materiais e alterações funcionais ao longo do tempo, não puderam ser reproduzidos.

A principal limitação reside, portanto, na ausência de validação clínica. Não foram tratados pacientes nem avaliadas taxas de sobrevivência dos implantes, complicações biológicas, complicações protéticas ou resultados clínicos de longo prazo. Consequentemente, as conclusões devem ser interpretadas como evidências biomecânicas destinadas a orientar a otimização do desenho dos implantes, e não como demonstração de eficácia clínica.

Quanto à transparência científica, os autores informam que alguns integrantes da equipe de investigação possuem vínculo com a BTK Dental, empresa dedicada ao desenvolvimento de implantes personalizados. Essa afiliação é claramente declarada na publicação e constitui um aspecto relevante para a interpretação dos resultados. No entanto, com base nas informações apresentadas no artigo, não há indicação de que essa relação tenha influenciado a metodologia empregada ou a análise dos dados.

9. Principais pontos do estudo

• Tipo de estudo: Estudo pré-clínico baseado em Análise por Elementos Finitos (FEA).
• Nível de evidência: Estudo biomecânico computacional pré-clínico.
• Modelo analisado: Modelos tridimensionais anatomicamente realistas de uma maxila e de uma mandíbula com atrofia óssea severa.
• Número de pacientes: Nenhum paciente foi incluído.
• Configurações avaliadas: Diversos modelos de implantes subperiosteais personalizados (V0 a V6 para a maxila e variantes correspondentes para a mandíbula).
• Seguimento clínico: Não aplicável.
• Desfecho principal: Avaliação da distribuição das tensões mecânicas no implante e no osso cortical sob diferentes condições de carga funcional.
• Principal achado: A geometria do implante e o posicionamento estratégico dos parafusos corticais influenciam significativamente a distribuição das cargas, enquanto o carregamento anterior unilateral representa a condição biomecânica mais crítica.
• Conclusão científica: A Análise por Elementos Finitos constitui uma ferramenta eficaz para otimizar o projeto biomecânico de implantes subperiosteais personalizados destinados ao tratamento de pacientes com atrofia severa dos maxilares.
• Principais limitações: Estudo exclusivamente computacional, sem validação clínica e sem avaliação de processos biológicos ou resultados clínicos em longo prazo.

10. Impacto científico

Este estudo amplia o conhecimento científico sobre o comportamento biomecânico dos implantes subperiosteais personalizados ao comparar, de forma sistemática, diferentes estratégias de desenho utilizando modelos anatômicos altamente realistas. Em vez de avaliar diretamente o sucesso clínico da reabilitação implantossuportada, a investigação concentra-se nos princípios mecânicos que orientam o desenvolvimento de implantes individualizados.

Os resultados demonstram que a distribuição das tensões depende principalmente da configuração geométrica do implante e do posicionamento estratégico dos parafusos de fixação cortical, mais do que do aumento do número de elementos de ancoragem. Essa observação fornece bases objetivas para a otimização futura de implantes personalizados e reforça a importância da engenharia biomecânica no desenvolvimento de novas soluções implantológicas.

O estudo também evidencia o papel crescente das tecnologias digitais na implantodontia moderna. A integração entre imagem tridimensional, planejamento virtual, CAD/CAM, manufatura aditiva e simulação numérica permite desenvolver dispositivos altamente personalizados, reduzindo incertezas biomecânicas antes mesmo da sua fabricação.

Outro aspecto de interesse científico refere-se à reduzida influência biomecânica das barras de conexão entre os dois hemi-implantes quando a infraestrutura protética apresenta rigidez suficiente. Embora essa observação necessite de confirmação clínica, ela poderá contribuir futuramente para a simplificação de determinados desenhos implantários.

De forma geral, esta pesquisa reforça a importância da Análise por Elementos Finitos como ferramenta de investigação e desenvolvimento na implantodontia personalizada. No entanto, estudos clínicos prospectivos continuam sendo indispensáveis para determinar se as vantagens biomecânicas observadas nas simulações resultarão efetivamente em maior sobrevivência dos implantes, melhor estabilidade protética e melhores resultados clínicos para pacientes com atrofia óssea severa.

11. Conclusão editorial

Este estudo pré-clínico demonstra que a Análise por Elementos Finitos representa uma ferramenta valiosa para o desenvolvimento e a otimização de implantes subperiosteais personalizados destinados à reabilitação de pacientes com atrofia severa dos maxilares. As simulações indicam que a otimização da geometria do implante e, sobretudo, do posicionamento dos parafusos de fixação cortical pode melhorar significativamente a distribuição das cargas funcionais e reduzir concentrações localizadas de tensão.

Embora esses resultados não constituam evidência direta de superioridade clínica, eles fornecem uma base biomecânica consistente para orientar o aperfeiçoamento de futuras gerações de implantes personalizados. O estudo também confirma a crescente importância do planejamento digital e da simulação computacional na implantodontia contemporânea, favorecendo abordagens terapêuticas cada vez mais individualizadas e previsíveis.

A confirmação definitiva da relevância clínica dessas otimizações dependerá de estudos prospectivos com acompanhamento em longo prazo, capazes de demonstrar se os benefícios biomecânicos observados nas simulações se traduzem em maior sobrevivência dos implantes, redução das complicações biológicas e protéticas e melhores resultados para pacientes com atrofia óssea avançada.