Analiza prin metoda elementelor finite a implanturilor subperiostale încărcate funcțional utilizând un model realist al atrofiei severe a maxilarelor

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

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

Analiza prin metoda elementelor finite a implanturilor subperiostale încărcate funcțional utilizând un model realist al atrofiei severe a maxilarelor

1. Referință științifică

• Titlul articolului: Finite Element Analysis of Functionally Loaded Subperiosteal Implants Evaluated on a Realistic Model Reproducing Severe Atrophic Jaws
• Autori: Gerardo Pellegrino, Maryia Karaban, Veronica Scalchi, Marco Urbani, Amerigo Giudice, Carlo Barausse și Pietro Felice.
• Revista științifică: Methods and Protocols.
• Anul publicării:
• DOI:3390/mps8010008.

2. Context științific

Reabilitarea implanto-protetică a pacienților cu atrofie severă a maxilarului sau mandibulei reprezintă una dintre cele mai dificile provocări din implantologia modernă. Atunci când volumul osos rămas este insuficient pentru inserarea implanturilor endoosoase convenționale, tratamentul necesită frecvent proceduri complexe de reconstrucție osoasă, precum augmentarea osoasă, sinus lifting-ul sau regenerarea osoasă ghidată. Deși aceste tehnici oferă rezultate clinice predictibile, ele implică intervenții chirurgicale mai invazive, durate mai lungi de tratament și o morbiditate crescută.

Implanturile subperiostale personalizate reprezintă în prezent o alternativă terapeutică importantă pentru pacienții cu resorbție osoasă avansată. Dezvoltarea imagisticii tridimensionale, a planificării digitale, a tehnologiilor CAD/CAM și a fabricației aditive din titan permite realizarea unor implanturi adaptate cu precizie anatomiei fiecărui pacient și fixate pe os cu ajutorul șuruburilor corticale. Cu toate acestea, există încă puține date privind influența diferitelor configurații constructive asupra distribuției solicitărilor mecanice și asupra comportamentului biomecanic al acestor dispozitive.

În acest context, autorii au utilizat analiza prin metoda elementelor finite (Finite Element Analysis – FEA) pentru a evalua comportamentul biomecanic al mai multor configurații de implanturi subperiostale personalizate. Scopul a fost identificarea unor soluții constructive capabile să optimizeze distribuția forțelor masticatorii și să reducă concentrațiile locale de tensiune la nivelul osului cortical.

3. Obiectivul studiului

Obiectivul principal al acestui studiu a fost evaluarea comportamentului biomecanic al implanturilor subperiostale personalizate destinate reabilitării pacienților cu atrofie severă a maxilarului și mandibulei prin utilizarea analizei prin metoda elementelor finite (Finite Element Analysis – FEA). Autorii au analizat modul în care diferite caracteristici constructive – inclusiv numărul și poziționarea șuruburilor de fixare corticală, extinderea structurii implantului și prezența sau absența barelor de conexiune dintre cele două jumătăți ale implantului – influențează distribuția tensiunilor atât în implant, cât și în osul înconjurător.

Un obiectiv suplimentar a fost identificarea configurațiilor capabile să optimizeze transmiterea forțelor ocluzale și să reducă concentrațiile locale de tensiune la nivelul osului cortical. Prin această abordare, autorii au urmărit să stabilească principii biomecanice care să contribuie la proiectarea unor implanturi subperiostale personalizate mai eficiente pentru tratamentul pacienților cu atrofie severă a maxilarelor.

4. Metodologie

Acest studiu a fost conceput ca o cercetare preclinică bazată pe simulare computerizată, utilizând analiza prin metoda elementelor finite. Nu au fost incluși pacienți și nu au fost evaluate rezultate clinice. Analiza s-a bazat pe modele tridimensionale digitale ale unui maxilar și ale unei mandibule cu atrofie severă, reconstruite pornind de la imagini radiologice în format DICOM. După segmentarea structurilor anatomice, au fost proiectate mai multe variante de implanturi subperiostale personalizate, fiecare fiind modificată progresiv pentru a analiza impactul fiecărei schimbări constructive asupra comportamentului biomecanic al ansamblului implant–os.

Modelele numerice au inclus os cortical, os trabecular, implanturi din titan, șuruburi de fixare și suprastructura protetică. Proprietățile mecanice atribuite tuturor materialelor au fost considerate liniare elastice și izotrope, în conformitate cu datele disponibile în literatura de specialitate. Interfețele dintre implant, șuruburi și os au fost modelate fie ca legături rigide, fie ca suprafețe cu frecare, în funcție de tipul contactului analizat. Pentru a crește precizia calculelor, autorii au utilizat o rețea densă de elemente tetraedrice, rafinată în special în zonele unde se anticipau concentrații crescute de tensiune.

Pentru simularea diferitelor condiții funcționale de masticație au fost analizate cinci scenarii distincte de încărcare statică. În toate modelele a fost aplicată o forță verticală de 500 N, iar valoarea de 50 MPa la nivelul osului cortical a fost utilizată ca prag orientativ pentru identificarea zonelor cu solicitare mecanică potențial critică. Au fost comparate sistematic mai multe configurații de implant (V0–V6 pentru maxilar și variantele corespunzătoare pentru mandibulă), evaluându-se influența fiecărei modificări asupra distribuției tensiunilor în implant și în osul de susținere.

5. Rezultatele principale

Simulările realizate prin metoda elementelor finite au demonstrat că atât geometria implantului, cât și modul de aplicare a încărcării funcționale influențează în mod semnificativ comportamentul biomecanic al complexului implant–os. Atât la nivelul maxilarului, cât și al mandibulei, cele mai mari concentrații de tensiune au fost observate în timpul încărcării unilaterale în regiunea anterioară (Scenariul de încărcare 3), în timp ce distribuirea forțelor ocluzale pe un număr mai mare de puncte de sprijin a determinat o repartizare mai uniformă a tensiunilor în implant și în osul de susținere.

Optimizările succesive ale designului implantului au îmbunătățit progresiv performanța biomecanică a sistemului. Adăugarea unor șuruburi corticale suplimentare în regiunea posterioară (Modelul V1) a redus solicitarea punctelor de fixare anterioare și a favorizat o distribuție mai echilibrată a încărcărilor pe întreaga structură. Modificarea orientării vestibulare a acestor șuruburi posterioare (Modelul V2) a generat un comportament biomecanic comparabil, fără a demonstra un avantaj clar față de configurația precedentă.

În regiunea anterioară a maxilarului, repoziționarea șuruburilor de fixare către procesul frontal al maxilarului (Modelul V4) s-a dovedit mai eficientă decât simpla creștere a numărului de șuruburi anterioare (Modelul V3). Această modificare a redus concentrațiile locale de tensiune din jurul punctelor de ancorare și a îmbunătățit transferul forțelor funcționale către os. Rezultatele sugerează că poziționarea strategică a șuruburilor de fixare este mai importantă din punct de vedere biomecanic decât numărul lor total.

În cele mai solicitante condiții de încărcare, tensiunile de tracțiune din jurul anumitor șuruburi corticale au depășit local valoarea de referință de 50 MPa, indicând zone potențial expuse unui stres mecanic crescut la nivelul osului cortical. În schimb, tensiunile maxime înregistrate în structura din titan a implantului au rămas sub limita de curgere a materialului, atingând aproximativ 500 MPa, ceea ce indică existența unei rezerve adecvate de siguranță mecanică în condițiile analizate.

Un alt rezultat important al studiului a fost faptul că barele de conexiune dintre cele două jumătăți ale implantului au avut o influență redusă asupra distribuției generale a tensiunilor. Simulările au arătat că rigiditatea oferită de suprastructura protetică este suficientă pentru stabilizarea ansamblului, ceea ce face ca aceste bare să fie solicitate doar într-o măsură limitată. Acest comportament biomecanic a fost observat atât în modelele maxilare, cât și în cele mandibulare.

6. Analiză clinică

Deși studiul nu include date clinice și nu evaluează rezultatele tratamentului la pacienți, acesta furnizează informații valoroase pentru proiectarea implanturilor subperiostale personalizate. Simulările demonstrează că modificări relativ reduse ale geometriei implantului pot influența semnificativ modul în care forțele masticatorii sunt transferate către implant și către osul de susținere. Aceste rezultate evidențiază importanța optimizării biomecanice încă din etapa de proiectare digitală, înainte de fabricarea implantului.

Una dintre cele mai relevante observații privește rolul șuruburilor de fixare corticală. Analiza arată că poziționarea optimă a acestora are un impact mai mare asupra distribuției tensiunilor decât simpla creștere a numărului de șuruburi. Introducerea unor puncte suplimentare de ancorare în regiunea posterioară și repoziționarea șuruburilor anterioare au permis o repartizare mai uniformă a solicitărilor și reducerea concentrațiilor locale de tensiune în osul cortical.

Studiul identifică, de asemenea, încărcarea unilaterală în regiunea anterioară drept cea mai critică situație biomecanică. Această observație poate avea relevanță în planificarea digitală a implanturilor personalizate, deoarece permite optimizarea designului pentru cele mai solicitante condiții funcționale întâlnite în timpul masticației.

O altă concluzie interesantă este influența limitată a barelor de conexiune dintre cele două jumătăți ale implantului asupra comportamentului mecanic global al sistemului. Conform simulărilor, rigiditatea suprastructurii protetice este suficientă pentru a asigura stabilitatea ansamblului, ceea ce reduce contribuția biomecanică a acestor elemente de legătură. Totuși, această observație trebuie interpretată exclusiv în contextul modelului numeric și nu poate constitui o recomandare clinică privind eliminarea acestor componente.

Ca orice studiu bazat pe analiza prin metoda elementelor finite, această cercetare prezintă limitări importante. Modelul computerizat nu reproduce procese biologice precum osteointegrarea, remodelarea osoasă, variabilitatea individuală a anatomiei, răspunsul țesuturilor moi sau oboseala materialelor pe termen lung. Prin urmare, rezultatele descriu exclusiv comportamentul mecanic al implanturilor în condiții controlate de simulare și nu pot fi extrapolate direct la performanța clinică.

În ansamblu, studiul confirmă valoarea analizei prin metoda elementelor finite ca instrument de dezvoltare și optimizare a implanturilor subperiostale personalizate. Posibilitatea identificării zonelor cu risc biomecanic încă din faza de proiectare poate contribui la realizarea unor implanturi mai sigure, mai eficiente și mai bine adaptate pacienților cu atrofie severă a maxilarelor.

7. Aplicații clinice

Rezultatele acestui studiu sunt relevante în principal pentru etapa de planificare digitală și proiectare a implanturilor subperiostale personalizate destinate pacienților cu atrofie severă a maxilarului sau mandibulei. Simulările demonstrează că optimizarea geometriei implantului și poziționarea adecvată a șuruburilor de fixare corticală pot îmbunătăți distribuția încărcărilor funcționale înainte ca implantul să fie fabricat, contribuind astfel la dezvoltarea unor structuri biomecanic mai eficiente.

Aceste concluzii sunt deosebit de importante în fluxurile moderne de lucru digitale, care integrează imagistica tridimensională, planificarea virtuală, tehnologiile CAD/CAM și fabricația aditivă pentru realizarea implanturilor personalizate din titan. Informațiile obținute pot sprijini medicii implantologi, chirurgii oro-maxilo-faciali, proteticienii și inginerii biomedicali în proiectarea unor soluții individualizate pentru pacienții la care volumul osos rezidual nu permite utilizarea implanturilor endoosoase convenționale sau efectuarea unor proceduri extinse de augmentare osoasă.

Din perspectiva cercetării și dezvoltării tehnologice, studiul confirmă, de asemenea, utilitatea analizei prin metoda elementelor finite ca instrument de validare biomecanică în faza de proiectare. Identificarea din timp a zonelor cu concentrații crescute de tensiune permite optimizarea designului înainte de fabricarea implantului, reducând riscul unor configurații biomecanic nefavorabile.

Totuși, aceste aplicații trebuie interpretate exclusiv în contextul proiectării și optimizării biomecanice. Studiul nu oferă date privind osteointegrarea, rata de supraviețuire a implanturilor, stabilitatea protetică sau incidența complicațiilor biologice și mecanice. În consecință, rezultatele nu pot fi extrapolate direct la practica clinică.

8. Nivelul dovezilor, limitări și transparență

Această publicație reprezintă un studiu preclinic bazat pe simulare computerizată prin analiza elementelor finite. Deși această metodă permite o evaluare foarte detaliată a comportamentului mecanic al implanturilor și al osului de susținere, nivelul său de dovadă este inferior celui oferit de studiile clinice prospective, studiile randomizate controlate sau revizuirile sistematice.

Printre principalele puncte forte ale cercetării se numără utilizarea unor modele anatomice tridimensionale foarte realiste, compararea sistematică a mai multor configurații de implant și aplicarea unor condiții standardizate de încărcare funcțională. Aceste elemente au permis evaluarea obiectivă a influenței fiecărei modificări constructive asupra distribuției tensiunilor.

În același timp, studiul prezintă limitări caracteristice tuturor modelelor numerice. Simulările au fost realizate pe baza unor ipoteze simplificate privind proprietățile mecanice ale materialelor, interacțiunea dintre implant și os și condițiile de încărcare. Procese biologice complexe, precum osteointegrarea, remodelarea osoasă, variabilitatea individuală, răspunsul țesuturilor sau oboseala materialelor în timp, nu au putut fi reproduse în cadrul modelului.

Principala limitare este lipsa validării clinice. Studiul nu a inclus pacienți și nu a evaluat supraviețuirea implanturilor, complicațiile biologice sau protetice și nici rezultatele clinice pe termen lung. În consecință, concluziile trebuie interpretate exclusiv ca dovezi biomecanice utile pentru optimizarea designului implanturilor și nu ca demonstrație a eficacității lor clinice.

În ceea ce privește transparența științifică, autorii declară că unii membri ai echipei de cercetare sunt afiliați companiei BTK Dental, implicată în dezvoltarea implanturilor personalizate. Această relație este prezentată în mod explicit în articol și trebuie luată în considerare la interpretarea rezultatelor. Pe baza informațiilor furnizate în publicație, nu există însă indicii că această colaborare ar fi influențat metodologia sau analiza datelor.

9. Punctele-cheie ale studiului

• Tipul studiului: studiu preclinic bazat pe analiza prin metoda elementelor finite (Finite Element Analysis – FEA).
• Nivelul dovezilor: studiu biomecanic preclinic realizat prin simulare computerizată.
• Model analizat: modele tridimensionale realiste ale unui maxilar și ale unei mandibule cu atrofie severă.
• Numărul de pacienți: niciun pacient inclus.
• Configurații evaluate: mai multe variante de implanturi subperiostale personalizate (V0–V6 pentru maxilar și variante corespunzătoare pentru mandibulă).
• Perioada de urmărire: nu se aplică.
• Criteriul principal de evaluare: distribuția tensiunilor în implant și în osul cortical în diferite condiții de încărcare funcțională.
• Rezultatul principal: geometria implantului și poziționarea strategică a șuruburilor corticale influențează mai mult distribuția solicitărilor decât simpla creștere a numărului de puncte de fixare. Încărcarea unilaterală anterioară a reprezentat scenariul biomecanic cel mai solicitant.
• Concluzia științifică: analiza prin metoda elementelor finite este un instrument eficient pentru optimizarea biomecanică a implanturilor subperiostale personalizate destinate tratării atrofiei severe a maxilarelor.
• Limitările principale: studiu exclusiv computerizat, fără validare clinică și fără evaluarea proceselor biologice sau a rezultatelor clinice pe termen lung.

10. Impact științific

Acest studiu contribuie la aprofundarea cunoștințelor privind comportamentul biomecanic al implanturilor subperiostale personalizate prin compararea sistematică a mai multor strategii de proiectare utilizând modele anatomice tridimensionale foarte realiste. În loc să analizeze direct succesul clinic al tratamentului implantar, cercetarea se concentrează asupra principiilor mecanice care pot ghida dezvoltarea unor implanturi mai performante.

Rezultatele demonstrează că distribuția tensiunilor este influențată în principal de geometria implantului și de poziționarea strategică a șuruburilor de fixare corticală, mai degrabă decât de creșterea numărului acestora. Această observație oferă baze obiective pentru optimizarea viitoarelor implanturi personalizate și evidențiază rolul esențial al ingineriei biomecanice în dezvoltarea soluțiilor moderne de implantologie.

Studiul ilustrează, de asemenea, importanța tot mai mare a tehnologiilor digitale în implantologia contemporană. Integrarea imagisticii tridimensionale, a planificării virtuale, a tehnologiilor CAD/CAM, a fabricației aditive și a simulărilor numerice permite dezvoltarea unor dispozitive complet personalizate și evaluarea comportamentului lor biomecanic înainte de fabricație.

Un alt aspect de interes este influența redusă a barelor de conexiune dintre cele două jumătăți ale implantului atunci când suprastructura protetică oferă suficientă rigiditate. Deși această observație necesită confirmare prin studii clinice, ea ar putea contribui în viitor la simplificarea anumitor concepte de proiectare.

În ansamblu, această cercetare consolidează rolul analizei prin metoda elementelor finite ca instrument de cercetare și dezvoltare în implantologia personalizată. Totuși, sunt necesare studii clinice prospective pentru a demonstra dacă avantajele biomecanice evidențiate în simulări se traduc într-o supraviețuire mai bună a implanturilor, o stabilitate protetică superioară și rezultate clinice mai favorabile la pacienții cu atrofie severă a maxilarelor.

11. Concluzie editorială

Acest studiu preclinic demonstrează că analiza prin metoda elementelor finite reprezintă un instrument valoros pentru proiectarea și optimizarea implanturilor subperiostale personalizate destinate tratării pacienților cu atrofie severă a maxilarului și mandibulei. Simulările arată că optimizarea geometriei implantului și, în special, poziționarea strategică a șuruburilor de fixare corticală pot îmbunătăți semnificativ distribuția încărcărilor funcționale și pot reduce concentrațiile locale de tensiune.

Deși aceste rezultate nu constituie o dovadă directă a unei eficacități clinice superioare, ele oferă o bază biomecanică solidă pentru dezvoltarea viitoarelor generații de implanturi subperiostale personalizate. Studiul confirmă, totodată, importanța crescândă a planificării digitale și a simulării numerice în implantologia modernă, contribuind la dezvoltarea unor tratamente din ce în ce mai personalizate și mai predictibile.

Confirmarea valorii clinice a acestor optimizări va necesita însă studii prospective cu monitorizare pe termen lung, capabile să demonstreze dacă avantajele biomecanice observate în simulările computerizate se traduc în rate mai mari de supraviețuire a implanturilor, reducerea complicațiilor biologice și protetice și rezultate clinice mai bune pentru pacienții cu atrofie severă a maxilarelor.