Análisis por elementos finitos del comportamiento biomecánico de los implantes subperiósticos diseñados digitalmente en titanio, PEEK modificado y PEKK para la rehabilitación del maxilar superior atrófico

Mohammed A. El-Sawy, Basin El-Khatib, Hesham S. Borg, Mohamed T. Khater.

Full text link: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40640731/ 

Análisis por elementos finitos del comportamiento biomecánico de los implantes subperiósticos diseñados digitalmente en titanio, PEEK modificado y PEKK para la rehabilitación del maxilar superior atrófico

1. Referencia científica

• Título del estudio: Biomechanical effects of digitally constructed titanium, modified polyetheretherketone, and polyetherketoneketone subperiosteal implants on atrophied maxilla: a finite element analysis.
• Autores: Mohammed A. El-Sawy, Basin El-Khatib, Hesham S. Borg, Mohamed T. Khater.
• Revista: BMC Oral Health
• Año de publicación: 2025.
• DOI: 10.1186/s12903-025-06426-z.

2. Contexto científico

La rehabilitación implantológica del maxilar superior gravemente atrófico continúa siendo uno de los mayores retos de la cirugía oral y la implantología moderna. Cuando el volumen óseo residual es insuficiente para la colocación de implantes endoóseos convencionales, con frecuencia es necesario recurrir a procedimientos reconstructivos complejos, como la regeneración ósea, la elevación del seno maxilar o los implantes cigomáticos. Aunque estas alternativas han ampliado las posibilidades terapéuticas, suelen asociarse a una mayor morbilidad quirúrgica, tratamientos más prolongados y un incremento de la complejidad clínica.

El desarrollo de la planificación digital, las tecnologías CAD/CAM y la fabricación aditiva ha impulsado nuevamente el interés por los implantes subperiósticos personalizados. A diferencia de los diseños tradicionales, las estructuras fabricadas mediante flujos de trabajo digitales permiten una adaptación precisa a la anatomía específica de cada paciente, ofreciendo una alternativa viable para aquellos casos de atrofia maxilar severa en los que las técnicas implantológicas convencionales presentan limitaciones.

En este contexto, la selección del material adquiere una importancia decisiva desde el punto de vista biomecánico. El titanio continúa siendo el material de referencia por sus excelentes propiedades mecánicas y su amplia evidencia clínica, mientras que polímeros de alto rendimiento como el PEEK modificado (BioHPP) y el PEKK han despertado un creciente interés debido a su módulo elástico más próximo al del hueso cortical. El presente estudio analiza cómo estos materiales influyen en la distribución de las tensiones mecánicas dentro del maxilar atrófico sometido a cargas funcionales.

3. Objetivo del estudio

El objetivo de esta investigación fue evaluar la influencia biomecánica de diferentes combinaciones de materiales utilizadas tanto en la estructura del implante subperióstico como en la superestructura protésica en pacientes con atrofia severa del maxilar superior.

Mediante un análisis por elementos finitos, los autores compararon el titanio, el PEEK modificado y el PEKK en nueve configuraciones distintas con el fin de determinar cómo cada combinación afectaba a la distribución de las tensiones en el hueso de soporte, los tornillos de fijación, la capa de cemento y los componentes protésicos bajo condiciones de carga clínicamente relevantes.

4. Metodología

El estudio corresponde a una investigación preclínica basada en un análisis por elementos finitos (Finite Element Analysis, FEA). Para ello se generó un modelo tridimensional digital de un maxilar superior atrófico a partir de imágenes de tomografía computarizada (TC), que posteriormente fue procesado mediante un flujo de trabajo CAD completamente digital y analizado utilizando el software ANSYS. La validez del modelo computacional fue comprobada mediante la comparación con estudios previos publicados en la literatura científica.

El implante subperióstico personalizado se estabilizó mediante doce minitornillos de titanio de 2 mm de diámetro, con longitudes de 5, 7 y 9 mm, seleccionadas según las características anatómicas del maxilar. Tanto la estructura subperióstica como la superestructura protésica fueron diseñadas virtualmente utilizando titanio, PEEK modificado (BioHPP) y PEKK, obteniéndose nueve combinaciones diferentes de materiales para su comparación biomecánica.

Para reproducir las principales condiciones funcionales se aplicaron tres protocolos de carga:

• carga vertical bilateral posterior de 200 N;
• carga oblicua bilateral posterior de 100 N aplicada con una inclinación de 30°;
• carga vertical anterior de 150 N distribuida sobre los incisivos.

La evaluación biomecánica incluyó el análisis de las tensiones de Von Mises, las tensiones principales y los desplazamientos registrados en el implante, la prótesis y el hueso circundante.

5. Principales resultados

Las simulaciones mediante análisis por elementos finitos pusieron de manifiesto diferencias biomecánicas claras entre los materiales evaluados. En todos los escenarios de carga, las estructuras subperiósticas de titanio ofrecieron el comportamiento biomecánico más favorable, ya que transmitieron menores niveles de tensión al hueso de soporte y a los tornillos de fijación en comparación con los materiales poliméricos. Esta ventaja fue especialmente evidente durante la carga aplicada en la región anterior, que representó la condición mecánica más exigente de todo el estudio.

Los valores de tensión registrados en el tejido óseo fueron sistemáticamente inferiores cuando el armazón subperióstico estaba fabricado en titanio. El PEEK modificado produjo las mayores concentraciones de tensión, mientras que el PEKK mostró un comportamiento intermedio. Bajo carga vertical sobre los incisivos, el titanio fue el único material capaz de mantener las tensiones óseas por debajo del umbral fisiológico señalado por los autores, mientras que las dos alternativas poliméricas generaron valores considerablemente más elevados.

Se observó una tendencia similar en la capa de cemento. Las configuraciones con titanio presentaron las menores concentraciones de tensión tanto en las cargas posteriores como en las anteriores, mientras que el PEEK modificado mostró los valores más elevados. Los autores destacan que la carga aplicada en el sector anterior constituye el escenario más desfavorable para la interfaz cementada, lo que podría aumentar teóricamente el riesgo de descementación cuando se emplean materiales con una mayor flexibilidad.

Curiosamente, el titanio registró las tensiones internas más elevadas dentro de la propia estructura protésica. Este hallazgo no debe interpretarse como una desventaja, sino como una consecuencia de la elevada rigidez del material, que le permite absorber una mayor proporción de las cargas funcionales y reducir simultáneamente las tensiones transmitidas al hueso, a la capa de cemento y a los elementos de fijación. Por el contrario, el PEEK modificado y el PEKK, aunque absorben parte de la energía mecánica gracias a su menor módulo elástico, distribuyen las fuerzas oclusales de forma menos eficiente desde el punto de vista biomecánico.

Las tensiones registradas en los minitornillos de titanio permanecieron dentro de márgenes considerados seguros en todos los protocolos de carga simulados. Aunque el empleo de estructuras poliméricas incrementó las solicitaciones mecánicas sobre los tornillos, especialmente durante la carga anterior, estos valores no superaron los límites de seguridad descritos para este tipo de fijaciones. Asimismo, todas las configuraciones evaluadas presentaron deformaciones compatibles con los límites fisiológicos del modelo, sin evidenciar riesgo de fallo estructural bajo las condiciones de carga analizadas.

6. Análisis clínico

Este estudio aporta información biomecánica de gran interés sobre una de las áreas de mayor desarrollo dentro de la implantología contemporánea: los implantes subperiósticos personalizados diseñados mediante tecnologías digitales. A diferencia de numerosos trabajos previos centrados en un único componente del sistema implantológico, los autores evaluaron de forma conjunta la influencia del material utilizado tanto en la estructura subperióstica como en la superestructura protésica, proporcionando una visión más completa del comportamiento mecánico de toda la rehabilitación.

Los resultados indican que la rigidez del material constituye uno de los factores determinantes en la distribución de las cargas biomecánicas. El titanio mostró el comportamiento más favorable al concentrar una mayor parte de las tensiones dentro de la propia estructura implantaria y limitar su transmisión hacia el hueso, los tornillos de fijación y la capa de cemento. Desde una perspectiva biomecánica, este comportamiento resulta beneficioso, ya que preservar los tejidos biológicos tiene mayor relevancia clínica que reducir las tensiones internas de un material metálico con una elevada resistencia mecánica.

Por su parte, el PEEK modificado y el PEKK presentaron un comportamiento diferente. Su menor módulo elástico favorece una mayor deformación y una mayor capacidad para absorber energía mecánica, características que inicialmente podrían considerarse ventajosas. Sin embargo, las simulaciones demostraron que esta mayor flexibilidad también incrementa la transmisión de cargas hacia las estructuras de soporte, especialmente durante las cargas aplicadas en la región anterior, donde predominan los esfuerzos de flexión. Estos resultados sugieren que los polímeros de alto rendimiento no deben interpretarse como sustitutos directos del titanio, sino como materiales cuya indicación dependerá de las condiciones biomecánicas específicas de cada paciente.

Los autores subrayan igualmente que estas conclusiones deben interpretarse teniendo presentes las limitaciones inherentes a las simulaciones computacionales. El análisis por elementos finitos permite estudiar con precisión la distribución de las tensiones, pero no reproduce fenómenos biológicos como el remodelado óseo, la osteointegración, las diferencias individuales en la calidad ósea, las parafunciones o el comportamiento de los materiales a largo plazo. En consecuencia, los resultados constituyen una valiosa guía biomecánica para la planificación digital, pero no pueden considerarse una demostración definitiva de la superioridad clínica de un determinado material.

7. Aplicaciones clínicas

Los resultados de esta investigación pueden servir de apoyo a los profesionales que planifican rehabilitaciones mediante implantes subperiósticos personalizados en pacientes con atrofia severa del maxilar superior. De acuerdo con las simulaciones biomecánicas, el titanio continúa siendo el material de elección cuando se prevén cargas oclusales elevadas, rehabilitaciones completas de arcada o dentición natural antagonista, debido a su capacidad para reducir la transmisión de tensiones hacia el hueso y los componentes de fijación.

El PEKK y el PEEK modificado podrían constituir alternativas válidas en situaciones clínicas cuidadosamente seleccionadas, caracterizadas por menores exigencias funcionales. Según los autores, estos materiales podrían considerarse en pacientes con fuerzas masticatorias reducidas, prótesis completas en la arcada antagonista o determinadas rehabilitaciones del sector anterior. No obstante, estas posibles indicaciones proceden exclusivamente de una simulación computacional y deberán ser confirmadas mediante estudios experimentales y ensayos clínicos prospectivos antes de incorporarse de forma generalizada a la práctica clínica.

8. Nivel de evidencia, limitaciones y transparencia

El presente trabajo corresponde a un estudio preclínico basado en un análisis por elementos finitos (Finite Element Analysis, FEA). Aunque esta metodología constituye una herramienta ampliamente validada para evaluar el comportamiento biomecánico de los sistemas implantológicos, no puede equipararse a un estudio clínico. Los modelos computacionales permiten analizar la distribución de tensiones y deformaciones bajo condiciones controladas, pero no predicen de forma directa la supervivencia de los implantes, la respuesta biológica de los tejidos ni los resultados clínicos a largo plazo. En consecuencia, los hallazgos de esta investigación deben interpretarse como evidencia biomecánica teórica que puede orientar la investigación futura y la selección de materiales, pero no como una demostración definitiva de eficacia clínica.

Los autores reconocen diversas limitaciones metodológicas. El modelo computacional se desarrolló a partir de la anatomía de un único maxilar superior atrófico, lo que limita la extrapolación de los resultados a la población general. Asimismo, todos los materiales fueron considerados isotrópicos, homogéneos y linealmente elásticos, una simplificación que no reproduce completamente el comportamiento mecánico real del hueso ni de los polímeros de alto rendimiento evaluados en el estudio.

Otro aspecto importante es que las simulaciones únicamente contemplaron condiciones de carga estática. No se analizaron fenómenos como la fatiga de los materiales, las cargas masticatorias repetitivas, el remodelado óseo, la osteointegración, las parafunciones o las variaciones individuales en la calidad del hueso, factores que pueden influir de manera significativa en el comportamiento clínico de estas rehabilitaciones. Además, los resultados obtenidos no fueron validados mediante ensayos experimentales ni estudios clínicos, por lo que será necesario confirmar estas observaciones mediante investigaciones futuras.

En relación con la transparencia científica, los autores declaran no tener conflictos de interés. La publicación en acceso abierto fue financiada por la Science, Technology & Innovation Funding Authority (STDF) en colaboración con la Egyptian Knowledge Bank (EKB). Asimismo, los investigadores indican que el estudio no recibió financiación específica de organismos públicos, entidades privadas ni organizaciones sin ánimo de lucro.

9. Puntos clave del estudio

• Tipo de estudio: Análisis por elementos finitos (FEA) de carácter preclínico.
• Nivel de evidencia: Estudio biomecánico computacional preclínico.
• Modelo de estudio: Modelo tridimensional de un maxilar superior atrófico obtenido mediante tomografía computarizada.
• Número de pacientes: Un único modelo anatómico empleado para la simulación.
• Número de configuraciones analizadas: Nueve combinaciones de materiales entre titanio, PEEK modificado (BioHPP) y PEKK.
• Seguimiento: No aplicable.
• Objetivo principal: Evaluar la distribución de las tensiones en el hueso, los tornillos de fijación, la capa de cemento y los componentes protésicos e implantarios bajo diferentes condiciones de carga.
• Resultado principal: El titanio presentó el comportamiento biomecánico más favorable, reduciendo la transmisión de tensiones hacia el hueso y los elementos de fijación.
• Conclusión científica: El titanio continúa siendo el material de referencia para los implantes subperiósticos personalizados, mientras que el PEKK y el PEEK modificado podrían constituir alternativas en situaciones clínicas cuidadosamente seleccionadas.
• Principales limitaciones: Modelo anatómico único, simplificación de las propiedades de los materiales, cargas estáticas y ausencia de validación experimental o clínica.

10. Impacto científico

Este estudio aporta una contribución relevante al creciente cuerpo de evidencia sobre los implantes subperiósticos personalizados desarrollados mediante flujos de trabajo digitales. Mientras que investigaciones previas se habían centrado principalmente en el análisis de materiales individuales o de componentes aislados del sistema implantológico, este trabajo evalúa de forma integrada la influencia del material tanto de la estructura subperióstica como de la superestructura protésica sobre el comportamiento biomecánico de toda la rehabilitación.

Los resultados consolidan al titanio como el material de referencia para las estructuras subperiósticas personalizadas destinadas a la rehabilitación del maxilar superior gravemente atrófico. Al mismo tiempo, proporcionan información novedosa acerca del comportamiento mecánico de materiales de última generación como el PEEK modificado y el PEKK. Más que considerarlos sustitutos directos del titanio, los autores ponen de manifiesto que su rendimiento biomecánico depende en gran medida del entorno funcional y del diseño protésico, lo que respalda un enfoque más individualizado en la selección de materiales durante la planificación digital del tratamiento.

Asimismo, la investigación señala la necesidad de continuar desarrollando estudios experimentales y clínicos. Ensayos de fatiga, investigaciones biológicas y estudios clínicos prospectivos serán indispensables para determinar si las ventajas biomecánicas observadas mediante simulación computacional se traducen en mejores resultados clínicos y en una mayor supervivencia de las rehabilitaciones a largo plazo.

11. Conclusión editorial

Este análisis por elementos finitos ofrece una evaluación biomecánica exhaustiva de los implantes subperiósticos diseñados digitalmente en titanio, PEEK modificado y PEKK para la rehabilitación del maxilar superior atrófico. Dentro de las limitaciones propias de una simulación computacional, el titanio demostró el comportamiento mecánico más favorable al reducir de manera eficaz la transmisión de tensiones hacia el hueso de soporte, los tornillos de fijación y la capa de cemento. Aunque el PEEK modificado y el PEKK representan materiales de alto rendimiento con un potencial clínico prometedor, su utilización deberá respaldarse mediante estudios experimentales y ensayos clínicos prospectivos antes de recomendar su aplicación de forma generalizada. En conjunto, este trabajo constituye una aportación científica de interés para el desarrollo de las rehabilitaciones implantológicas personalizadas y pone de relieve la importancia de la selección del material como factor determinante del éxito biomecánico de los implantes subperiósticos.