Analisi agli elementi finiti del comportamento biomeccanico degli impianti subperiostei digitalmente progettati in titanio, PEEK modificato e PEKK nel mascellare superiore atrofico

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

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

Analisi agli elementi finiti del comportamento biomeccanico degli impianti subperiostei digitalmente progettati in titanio, PEEK modificato e PEKK nel mascellare superiore atrofico

1. Riferimento bibliografico

• Titolo dello studio: Biomechanical effects of digitally constructed titanium, modified polyetheretherketone, and polyetherketoneketone subperiosteal implants on atrophied maxilla: a finite element analysis.
• Autori: Mohammed A. El-Sawy, Basin El-Khatib, Hesham S. Borg, Mohamed T. Khater.
• Rivista: BMC Oral Health
• Anno di pubblicazione: 2025.
• DOI: 10.1186/s12903-025-06426-z.

2. Contesto scientifico

La riabilitazione implantare del mascellare superiore gravemente atrofico rappresenta ancora oggi una delle principali sfide della chirurgia orale e dell’implantologia moderna. Quando il volume osseo residuo non consente l’inserimento di impianti endossei convenzionali, è spesso necessario ricorrere a procedure ricostruttive complesse, quali rigenerazione ossea, rialzo del seno mascellare o impianti zigomatici. Sebbene tali approcci abbiano ampliato le possibilità terapeutiche, essi comportano frequentemente un’elevata invasività chirurgica, tempi di guarigione prolungati e una maggiore morbilità per il paziente.

L’evoluzione della progettazione digitale, delle tecnologie CAD/CAM e della manifattura additiva ha determinato una rinnovata attenzione verso gli impianti subperiostei personalizzati. A differenza delle soluzioni storicamente impiegate, i moderni impianti realizzati mediante flussi di lavoro digitali possono essere adattati con estrema precisione all’anatomia del paziente, offrendo una valida alternativa terapeutica nei casi di severa atrofia mascellare non trattabili con le tecniche implantari convenzionali.

In questo contesto, la scelta del materiale assume un ruolo determinante. Il titanio continua a rappresentare il riferimento clinico grazie alle sue consolidate proprietà meccaniche e biologiche, mentre polimeri ad alte prestazioni come il PEEK modificato (BioHPP) e il PEKK stanno suscitando crescente interesse per il loro modulo elastico più vicino a quello dell’osso corticale. Lo studio analizza come questi differenti materiali influenzino la distribuzione delle sollecitazioni meccaniche nel mascellare atrofico sottoposto a carico funzionale.

3. Obiettivo dello studio

L’obiettivo dello studio era valutare l’influenza biomeccanica di differenti combinazioni di materiali utilizzati sia per la struttura dell’impianto subperiosteo sia per la sovrastruttura protesica in pazienti con grave atrofia del mascellare superiore.

Attraverso un’analisi agli elementi finiti, gli autori hanno confrontato titanio, PEEK modificato e PEKK in nove differenti configurazioni, valutando il loro effetto sulla distribuzione delle tensioni nell’osso di supporto, nelle viti di fissaggio, nello strato di cemento e nei componenti protesici sottoposti a condizioni di carico clinicamente rilevanti.

4. Metodologia

Lo studio consiste in una analisi agli elementi finiti (Finite Element Analysis, FEA) di tipo preclinico, finalizzata a valutare il comportamento biomeccanico di impianti subperiostei personalizzati. È stato realizzato un modello tridimensionale digitale di un mascellare superiore atrofico a partire da immagini di tomografia computerizzata (TC), successivamente elaborato mediante un flusso di lavoro CAD completamente digitale e analizzato con il software ANSYS. L’affidabilità del modello è stata verificata confrontando i risultati con precedenti studi di analisi agli elementi finiti pubblicati in letteratura.

L’impianto subperiosteo personalizzato è stato stabilizzato mediante dodici mini-viti in titanio del diametro di 2 mm e lunghezze di 5, 7 e 9 mm, selezionate in funzione delle caratteristiche anatomiche del mascellare. Sia la struttura implantare sia la sovrastruttura protesica sono state realizzate virtualmente utilizzando titanio, PEEK modificato (BioHPP) e PEKK, ottenendo nove differenti combinazioni di materiali oggetto dell’analisi biomeccanica.

Per simulare le principali condizioni funzionali sono stati applicati tre protocolli di carico:

• carico verticale bilaterale posteriore di 200 N;
• carico obliquo bilaterale posteriore di 100 N applicato con un’inclinazione di 30°;
• carico verticale anteriore di 150 N distribuito sugli incisivi.

L’analisi ha preso in considerazione le tensioni di Von Mises, le tensioni principali e gli spostamenti complessivi dell’impianto, della protesi e dell’osso circostante.

5. Principali risultati

Le simulazioni agli elementi finiti hanno evidenziato differenze biomeccaniche significative tra i materiali analizzati. In tutti gli scenari di carico, le strutture subperiostee in titanio hanno mostrato il comportamento biomeccanico più favorevole, determinando una minore trasmissione delle tensioni all’osso di supporto e alle viti di fissaggio rispetto ai materiali polimerici. Questo vantaggio è risultato particolarmente evidente durante il carico applicato nella regione anteriore, che ha rappresentato la condizione biomeccanica più critica dell’intero studio.

I valori di tensione registrati nell’osso sono risultati costantemente inferiori quando il telaio subperiosteo era realizzato in titanio. Il PEEK modificato ha invece generato le maggiori concentrazioni di stress, mentre il PEKK ha evidenziato un comportamento intermedio. Sotto carico verticale sugli incisivi, il titanio è stato l’unico materiale in grado di mantenere le tensioni ossee al di sotto dei limiti fisiologici discussi dagli autori, mentre entrambe le soluzioni polimeriche hanno prodotto valori sensibilmente più elevati.

Un andamento analogo è stato osservato nello strato di cemento. Le configurazioni in titanio hanno determinato le minori concentrazioni di stress sia durante il carico posteriore sia durante quello anteriore, mentre il PEEK modificato ha mostrato i valori più elevati. Gli autori sottolineano che il carico applicato nella regione frontale rappresenta la situazione più sfavorevole anche per il cemento protesico, suggerendo un potenziale aumento del rischio teorico di decementazione quando vengono impiegati materiali caratterizzati da una maggiore flessibilità.

È interessante notare che il titanio ha registrato le tensioni interne più elevate all’interno della struttura protesica stessa. Questo risultato non rappresenta uno svantaggio, ma riflette la maggiore rigidità del materiale, che consente al telaio di assorbire una quota più elevata del carico funzionale, riducendo al contempo le sollecitazioni trasmesse all’osso e agli altri componenti del sistema implantare. Al contrario, il PEEK modificato e il PEKK, pur assorbendo una parte dell’energia meccanica grazie alla loro maggiore elasticità, distribuiscono le forze occlusali in maniera meno favorevole dal punto di vista biomeccanico.

Le tensioni rilevate nelle mini-viti in titanio sono rimaste entro limiti di sicurezza in tutti i protocolli di carico simulati. Sebbene l’impiego dei materiali polimerici abbia determinato un incremento delle sollecitazioni sulle viti, soprattutto durante il carico anteriore, tali valori non hanno mai superato le soglie considerate critiche. Inoltre, tutte le configurazioni studiate hanno mostrato deformazioni complessive compatibili con i limiti fisiologici del modello, senza evidenziare fenomeni di cedimento strutturale sotto le condizioni di carico applicate.

6. Analisi clinica

Questo studio offre un contributo rilevante alla comprensione biomeccanica degli impianti subperiostei personalizzati realizzati mediante flussi di lavoro digitali, un settore in rapida evoluzione nell’implantologia contemporanea. Diversamente da molte ricerche precedenti, gli autori non si sono limitati ad analizzare un singolo componente implantare, ma hanno valutato l’interazione tra il materiale della struttura subperiostea e quello della sovrastruttura protesica, fornendo una visione più completa del comportamento meccanico dell’intero sistema riabilitativo.

I risultati evidenziano come la rigidità del materiale rappresenti uno dei principali determinanti della distribuzione delle sollecitazioni biomeccaniche. Il titanio ha dimostrato la migliore capacità di concentrare le tensioni all’interno della struttura implantare, limitando contemporaneamente il trasferimento dei carichi all’osso, alle viti di fissaggio e allo strato di cemento. Dal punto di vista biomeccanico, questo comportamento è considerato favorevole, poiché la protezione dei tessuti biologici riveste un’importanza maggiore rispetto alla riduzione delle tensioni interne in un materiale metallico caratterizzato da elevata resistenza meccanica.

Il PEEK modificato e il PEKK hanno mostrato un comportamento differente. Il loro modulo elastico inferiore conferisce una maggiore capacità di deformazione e di assorbimento dell’energia, caratteristiche che potrebbero apparire vantaggiose. Tuttavia, le simulazioni hanno dimostrato che questa maggiore elasticità comporta anche una più elevata trasmissione delle forze ai tessuti di supporto, soprattutto nella regione anteriore, dove predominano le sollecitazioni di flessione. Ciò suggerisce che questi polimeri ad alte prestazioni non debbano essere considerati semplicemente come sostituti del titanio, ma come materiali il cui impiego dovrebbe essere valutato in funzione delle specifiche condizioni biomeccaniche del paziente.

Gli autori sottolineano inoltre che i risultati devono essere interpretati tenendo conto dei limiti propri delle simulazioni numeriche. L’analisi agli elementi finiti consente di descrivere con elevata precisione la distribuzione delle tensioni, ma non è in grado di riprodurre fenomeni biologici quali il rimodellamento osseo, l’osteointegrazione, le variazioni individuali della qualità ossea, le parafunzioni o il comportamento a lungo termine dei materiali. Pertanto, le conclusioni dello studio costituiscono un importante supporto alla pianificazione biomeccanica, ma non possono essere considerate una dimostrazione diretta della superiorità clinica di un determinato materiale.

7. Applicazioni cliniche

I risultati di questa ricerca possono rappresentare un utile supporto per i clinici impegnati nella pianificazione digitale di riabilitazioni mediante impianti subperiostei personalizzati nei pazienti affetti da grave atrofia del mascellare superiore. Sulla base delle simulazioni biomeccaniche, il titanio si conferma il materiale di riferimento quando sono previste elevate forze masticatorie, riabilitazioni complete a supporto implantare o dentizione naturale antagonista, grazie alla sua capacità di ridurre efficacemente le tensioni trasmesse ai tessuti di supporto.

Il PEKK e il PEEK modificato potrebbero invece rappresentare un’opzione in situazioni cliniche accuratamente selezionate, caratterizzate da carichi funzionali più contenuti. Gli autori suggeriscono che tali materiali potrebbero trovare indicazione in pazienti con ridotta forza masticatoria, con protesi totale nell’arcata antagonista oppure in specifiche riabilitazioni del settore anteriore. Tuttavia, queste possibili applicazioni derivano esclusivamente da una simulazione biomeccanica e dovranno essere confermate da studi sperimentali e da indagini cliniche prospettiche prima di poter essere tradotte in raccomandazioni terapeutiche consolidate.

8. Livello di evidenza, limiti e trasparenza

Il presente lavoro rappresenta uno studio preclinico basato sull’analisi agli elementi finiti (Finite Element Analysis, FEA). Sebbene questa metodologia costituisca uno strumento consolidato per lo studio del comportamento biomeccanico dei sistemi implantari, essa non può essere considerata equivalente a una sperimentazione clinica. Le simulazioni numeriche consentono infatti di prevedere la distribuzione delle tensioni e delle deformazioni, ma non permettono di valutare direttamente la sopravvivenza implantare, la risposta biologica dei tessuti o i risultati clinici a lungo termine. Di conseguenza, le conclusioni dello studio devono essere interpretate come evidenze biomeccaniche teoriche in grado di orientare la ricerca futura e la selezione dei materiali, piuttosto che come prove definitive di efficacia clinica.

Gli autori riconoscono diverse limitazioni metodologiche. Il modello computazionale è stato sviluppato a partire dall’anatomia di un solo mascellare superiore atrofico, circostanza che limita la possibilità di generalizzare i risultati all’intera popolazione di pazienti. Inoltre, tutti i materiali sono stati considerati isotropi, omogenei e linearmente elastici, un’approssimazione che semplifica il reale comportamento biomeccanico dell’osso e dei polimeri ad alte prestazioni impiegati nello studio.

Le simulazioni hanno inoltre preso in esame esclusivamente condizioni di carico statico. Non sono stati valutati fenomeni quali fatica dei materiali, carichi masticatori ciclici, creep, rimodellamento osseo, osteointegrazione, parafunzioni o le variazioni individuali della qualità ossea, tutti elementi che possono influenzare significativamente il comportamento clinico delle riabilitazioni implantari nel lungo periodo. Un ulteriore limite consiste nell’assenza di una validazione sperimentale mediante prove di laboratorio o studi clinici, aspetto che rende necessaria una conferma dei risultati attraverso ricerche future.

Per quanto riguarda la trasparenza scientifica, gli autori dichiarano l’assenza di conflitti di interesse. La pubblicazione in modalità Open Access è stata sostenuta dalla Science, Technology & Innovation Funding Authority (STDF) in collaborazione con la Egyptian Knowledge Bank (EKB). Gli autori precisano inoltre che lo studio non ha ricevuto finanziamenti specifici da enti pubblici, privati o organizzazioni senza scopo di lucro.

9. Punti chiave dello studio

• Tipologia di studio: Analisi agli elementi finiti (FEA) di tipo preclinico.
• Livello di evidenza: Studio biomeccanico computazionale preclinico.
• Modello di studio: Modello tridimensionale del mascellare superiore atrofico ottenuto da tomografia computerizzata.
• Numero di pazienti: Un unico modello anatomico utilizzato per la simulazione.
• Configurazioni analizzate: Nove combinazioni di materiali comprendenti titanio, PEEK modificato (BioHPP) e PEKK.
• Follow-up: Non applicabile.
• Endpoint primario: Distribuzione delle tensioni nell’osso, nelle viti di fissaggio, nello strato di cemento e nei componenti implantari e protesici sottoposti a differenti condizioni di carico.
• Risultato principale: Il titanio ha mostrato il comportamento biomeccanico più favorevole, riducendo la trasmissione delle tensioni all’osso e ai componenti di fissaggio.
• Conclusione scientifica: Il titanio si conferma il materiale di riferimento per gli impianti subperiostei personalizzati, mentre PEKK e PEEK modificato potrebbero rappresentare alternative in situazioni cliniche selezionate e caratterizzate da carichi funzionali ridotti.
• Principali limitazioni: Modello anatomico singolo, assunzioni semplificate sui materiali, carichi statici e assenza di validazione sperimentale o clinica.

10. Impatto scientifico

Questo studio apporta un contributo significativo alla letteratura dedicata agli impianti subperiostei personalizzati realizzati mediante workflow digitali. A differenza di numerose ricerche precedenti, che hanno valutato singolarmente i materiali o componenti specifici dell’impianto, gli autori analizzano l’effetto combinato del materiale della struttura subperiostea e della sovrastruttura protesica sull’intero sistema riabilitativo. Tale approccio offre una comprensione più completa delle interazioni biomeccaniche che caratterizzano queste moderne soluzioni implantari.

I risultati confermano il ruolo del titanio come materiale di riferimento per gli impianti subperiostei personalizzati destinati al trattamento del mascellare superiore gravemente atrofico. Parallelamente, lo studio fornisce nuove informazioni sul comportamento biomeccanico di materiali innovativi quali il PEEK modificato e il PEKK. Piuttosto che considerarli sostituti diretti del titanio, gli autori evidenziano come le loro prestazioni dipendano strettamente dall’entità del carico funzionale e dalla progettazione protesica, suggerendo un approccio più personalizzato nella scelta del materiale.

Infine, la ricerca identifica importanti prospettive di sviluppo scientifico. Gli autori sottolineano la necessità di studi sperimentali, prove di fatica, valutazioni biologiche e trial clinici prospettici per verificare se i vantaggi biomeccanici osservati mediante simulazione possano tradursi in migliori risultati clinici a lungo termine. In questo contesto, il lavoro rappresenta un punto di riferimento per le future ricerche dedicate all’evoluzione dell’implantologia digitale personalizzata.

11. Conclusione editoriale

Questa analisi agli elementi finiti offre una valutazione approfondita del comportamento biomeccanico degli impianti subperiostei digitalmente progettati in titanio, PEEK modificato e PEKK destinati alla riabilitazione del mascellare superiore atrofico. Entro i limiti propri di una simulazione numerica, il titanio ha dimostrato le prestazioni biomeccaniche più favorevoli, riducendo efficacemente la trasmissione delle tensioni all’osso di supporto, alle viti di fissaggio e allo strato di cemento. Sebbene il PEEK modificato e il PEKK rappresentino materiali innovativi con interessanti potenzialità, il loro impiego clinico su larga scala richiede ulteriori conferme sperimentali e studi clinici prospettici. Nel complesso, questo lavoro costituisce un importante contributo allo sviluppo delle riabilitazioni implantari personalizzate e sottolinea il ruolo fondamentale della scelta del materiale nell’ottimizzazione del comportamento biomeccanico degli impianti subperiostei.