Effetto biomeccanico dello spessore dell’impianto e del diametro delle viti sugli impianti sottoperiostei in CFR-PEEK: un’analisi tridimensionale agli elementi finiti

Eda Etik, Basak Keskin Yalcin

Full text link: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42032041/

Effetto biomeccanico dello spessore dell’impianto e del diametro delle viti sugli impianti sottoperiostei in CFR-PEEK: un’analisi tridimensionale agli elementi finiti

1. Riferimento scientifico

• Titolo dello studio: Biomechanical effect of implant thickness and screw diameter on CFR-PEEK subperiosteal implants: a three-dimensional finite element analysis
• Autori: Eda Etik, Basak Keskin Yalcin
• Rivista scientifica: Scientific Reports
• Anno di pubblicazione: 2026
• DOI: 10.1038/s41598-026-49671-0

2. Contesto scientifico

La riabilitazione implantare dei pazienti affetti da grave atrofia del mascellare superiore rappresenta ancora oggi una delle sfide più complesse della chirurgia orale e dell’implantologia. Quando il volume osseo residuo non consente l’inserimento di impianti endossei convenzionali, è necessario ricorrere a soluzioni terapeutiche alternative. L’evoluzione della diagnostica tridimensionale, della pianificazione digitale e delle tecnologie CAD/CAM ha riportato l’attenzione sugli impianti sottoperiostei personalizzati, consentendo una progettazione sempre più accurata e adattata all’anatomia del singolo paziente.

Parallelamente allo sviluppo delle tecniche digitali, la scelta del biomateriale riveste un ruolo determinante nel comportamento biomeccanico dell’intero sistema implantare. Il polietereterchetone rinforzato con fibre di carbonio (CFR-PEEK) è considerato un materiale promettente grazie alla sua elevata resistenza meccanica e a un modulo elastico più vicino a quello dell’osso rispetto alle tradizionali leghe metalliche. Rimangono tuttavia limitate le conoscenze riguardanti l’influenza di specifici parametri progettuali, quali lo spessore della struttura implantare e il diametro delle viti di fissaggio, sulla distribuzione delle sollecitazioni meccaniche. Questo studio affronta tale problematica mediante un’analisi tridimensionale agli elementi finiti.

3. Obiettivo dello studio

Lo scopo della ricerca era valutare l’effetto dello spessore della struttura dell’impianto sottoperiosteo e del diametro delle viti di fissaggio sul comportamento biomeccanico di impianti personalizzati realizzati in CFR-PEEK rinforzato con il 60% di fibre di carbonio.

Gli autori hanno confrontato differenti configurazioni implantari analizzando la distribuzione delle tensioni meccaniche e le deformazioni complessive del sistema, al fine di comprendere come tali variabili progettuali possano influenzare la stabilità meccanica e il trasferimento dei carichi tra impianto e tessuto osseo.

4. Metodologia

Lo studio è stato condotto come ricerca preclinica in silico mediante analisi tridimensionale agli elementi finiti (Finite Element Analysis – FEA). Il modello anatomico è stato ricostruito a partire dalle immagini tomografiche di un paziente affetto da grave atrofia del mascellare superiore classificata come Classe V secondo Cawood e Howell. Tale ricostruzione tridimensionale ha costituito la base per la progettazione di un impianto sottoperiosteo completamente personalizzato.

Sono state sviluppate quattro differenti configurazioni implantari combinando due spessori della struttura portante (1,0 mm e 1,5 mm) con due diametri delle viti di fissaggio (1,5 mm e 2,0 mm). La struttura implantare è stata modellata utilizzando CFR-PEEK rinforzato con il 60% di fibre di carbonio, mentre le viti, gli abutment e la struttura metallica della protesi sono stati definiti con le proprietà meccaniche del titanio.

Per simulare le principali condizioni funzionali sono stati applicati tre differenti scenari di carico: un carico verticale bilaterale nella regione posteriore, un carico obliquo unilaterale nella stessa area e un carico verticale applicato al settore anteriore. I parametri analizzati comprendevano lo spostamento complessivo del sistema, le tensioni principali massime e minime a livello osseo e le tensioni equivalenti di Von Mises nell’impianto, negli abutment e nella struttura protesica. Essendo uno studio esclusivamente computazionale, non è stato previsto alcun follow-up clinico.

5. Risultati principali

Le simulazioni numeriche hanno evidenziato che la geometria dell’impianto esercita un’influenza significativa sul comportamento biomeccanico dell’intero sistema implantare. L’aumento dello spessore della struttura da 1,0 mm a 1,5 mm ha determinato una riduzione costante della deformazione complessiva in tutti gli scenari di carico, indicando una maggiore rigidità meccanica dell’impianto. Parallelamente, sono diminuite sia le tensioni di trazione sia quelle di compressione trasmesse all’osso circostante, soprattutto nella cresta alveolare posteriore, che rappresenta l’area maggiormente sollecitata durante la funzione masticatoria.

Un comportamento analogo è stato osservato aumentando il diametro delle viti di fissaggio da 1,5 mm a 2,0 mm. Viti di diametro maggiore hanno favorito una distribuzione più uniforme dei carichi funzionali, riducendo le concentrazioni di tensione sia nell’osso sia nell’impianto sottoperiosteo. Tuttavia, questo miglioramento biomeccanico è stato accompagnato da un incremento delle tensioni all’interno della struttura metallica protesica, suggerendo una redistribuzione dei carichi verso gli elementi più rigidi del sistema piuttosto che una loro eliminazione.

Tra le tre condizioni di carico analizzate, le sollecitazioni applicate nella regione posteriore hanno prodotto i valori di tensione più elevati. Al contrario, il carico verticale sul settore anteriore ha determinato livelli di stress inferiori e una diversa localizzazione delle aree maggiormente sollecitate, concentrate prevalentemente in prossimità dell’apertura piriforme e del pavimento nasale. Le simulazioni hanno inoltre mostrato che il CFR-PEEK rinforzato al 60% riduce le tensioni trasmesse al tessuto osseo grazie al suo elevato modulo elastico, pur determinando una maggiore concentrazione delle sollecitazioni all’interno del corpo implantare e della struttura metallica. Gli autori concludono che le configurazioni esaminate soddisfano i principali requisiti biomeccanici richiesti per gli impianti sottoperiostei personalizzati, pur sottolineando che tali risultati derivano esclusivamente da una simulazione numerica e richiedono una successiva conferma sperimentale e clinica.

6. Analisi clinica

Questo studio offre un contributo rilevante alla comprensione dei fattori che influenzano il comportamento meccanico degli impianti sottoperiostei personalizzati. I risultati evidenziano come la progettazione dell’impianto rappresenti un elemento altrettanto importante quanto la scelta del biomateriale. Anche modifiche relativamente contenute dello spessore della struttura o del diametro delle viti possono alterare in modo significativo il trasferimento delle forze masticatorie tra impianto, sistema di fissaggio e osso mascellare.

L’incremento dello spessore della struttura implantare si associa a una maggiore rigidità del sistema e a una riduzione della deformazione sotto carico. Dal punto di vista biomeccanico, una minore deformazione potrebbe favorire una distribuzione più uniforme delle forze funzionali e limitare la formazione di concentrazioni locali di stress nell’osso peri-implantare. Analogamente, l’utilizzo di viti di fissaggio di diametro maggiore sembra migliorare la ripartizione dei carichi, diminuendo le sollecitazioni concentrate nelle aree di ancoraggio. Tuttavia, questi vantaggi non devono essere interpretati come una dimostrazione di una migliore prognosi clinica, poiché lo studio non valuta né l’osteointegrazione né la sopravvivenza implantare a lungo termine.

Un aspetto particolarmente interessante riguarda il comportamento del CFR-PEEK rinforzato con il 60% di fibre di carbonio. Le simulazioni indicano che questo materiale contribuisce a ridurre il trasferimento delle tensioni al tessuto osseo mantenendo un’elevata stabilità strutturale. Allo stesso tempo, però, una quota maggiore delle sollecitazioni viene concentrata all’interno della struttura implantare e dell’infrastruttura metallica. Ciò conferma che la progettazione di un impianto personalizzato richiede un equilibrio tra rigidità, distribuzione delle forze e resistenza dei singoli componenti, evitando di concentrare eccessivamente le sollecitazioni in un’unica parte del sistema.

I risultati devono comunque essere interpretati con cautela. Il modello agli elementi finiti è stato sviluppato utilizzando l’anatomia di un solo paziente e presuppone materiali omogenei, isotropi e con comportamento elastico lineare. Variabili biologiche fondamentali, quali il rimodellamento osseo, la qualità individuale dell’osso, l’osteointegrazione e le modificazioni nel tempo dei carichi funzionali, non sono state considerate. Di conseguenza, lo studio rappresenta un’importante analisi biomeccanica preliminare, ma non consente di formulare raccomandazioni cliniche definitive.

7. Applicazioni cliniche

I risultati di questa ricerca possono essere particolarmente utili nella progettazione di impianti sottoperiostei personalizzati destinati a pazienti con grave atrofia del mascellare superiore, nei quali l’inserimento di impianti convenzionali o il ricorso a procedure di rigenerazione ossea risultano limitati o non praticabili.

All’interno di un flusso di lavoro completamente digitale, basato su tomografia computerizzata, progettazione CAD/CAM e produzione personalizzata, lo spessore della struttura implantare e il diametro delle viti di fissaggio emergono come parametri progettuali in grado di influenzare il comportamento biomeccanico del sistema. Le informazioni fornite dallo studio possono quindi supportare la fase di progettazione degli impianti individualizzati, contribuendo all’ottimizzazione della distribuzione delle sollecitazioni meccaniche.

Tuttavia, gli autori non propongono un protocollo clinico né identificano una configurazione ideale applicabile nella pratica quotidiana. Le conclusioni devono essere considerate come evidenze precliniche che richiedono conferme attraverso studi sperimentali e indagini cliniche prospettiche prima di poter essere trasferite alla pratica implantologica.

8. Livello di evidenza, limiti e trasparenza

Questo lavoro rappresenta uno studio preclinico in silico basato su un’analisi tridimensionale agli elementi finiti (Finite Element Analysis – FEA). Sebbene questo approccio sia ampiamente utilizzato per studiare il comportamento biomeccanico dei dispositivi implantari in condizioni controllate, il livello di evidenza rimane preclinico e non consente di prevedere direttamente i risultati clinici, la sopravvivenza implantare o gli esiti riportati dai pazienti.

Dal punto di vista metodologico, lo studio presenta diversi elementi di solidità. Il modello digitale è stato ricavato da immagini tomografiche di un paziente con grave atrofia mascellare, sono state confrontate quattro differenti configurazioni implantari e sono stati simulati tre scenari di carico rappresentativi delle principali condizioni funzionali. Inoltre, gli autori hanno eseguito un’analisi di convergenza della mesh per garantire l’affidabilità numerica delle simulazioni.

L’interpretazione dei risultati richiede tuttavia alcune considerazioni. Tutte le simulazioni sono state eseguite utilizzando il modello anatomico di un solo paziente, circostanza che limita la possibilità di generalizzare i risultati ad altre situazioni cliniche. Inoltre, i materiali e i tessuti biologici sono stati considerati omogenei, isotropi e caratterizzati da comportamento elastico lineare. Processi biologici fondamentali, quali il rimodellamento osseo, l’osteointegrazione, le variazioni della qualità ossea individuale e gli effetti delle sollecitazioni ripetute nel tempo, non sono stati inclusi nel modello numerico. Per questo motivo, le conclusioni dello studio devono essere interpretate come evidenze biomeccaniche preliminari e non come dimostrazione dell’efficacia clinica di una determinata configurazione implantare.

Per quanto riguarda la trasparenza scientifica, gli autori riportano l’approvazione dei competenti comitati etici e il consenso informato del paziente per l’utilizzo delle immagini tomografiche. Nelle informazioni disponibili non vengono dichiarati conflitti di interesse né rapporti economici con produttori di sistemi implantari.

9. Punti chiave dello studio

• Tipo di studio: Studio preclinico in silico mediante analisi tridimensionale agli elementi finiti (FEA).
• Livello di evidenza: Studio preclinico di modellazione numerica.
• Popolazione analizzata: Modello digitale personalizzato di un paziente con grave atrofia del mascellare superiore (Classe V secondo Cawood e Howell).
• Numero di pazienti: 1.
• Configurazioni implantari valutate: Quattro modelli virtuali ottenuti combinando due spessori della struttura implantare (1,0 mm e 1,5 mm) e due diametri delle viti di fissaggio (1,5 mm e 2,0 mm).
• Follow-up: Non applicabile.
• Endpoint principale: Valutazione dell’influenza dello spessore della struttura implantare e del diametro delle viti sulla distribuzione delle tensioni e sulla deformazione complessiva del sistema.
• Risultato principale: L’aumento dello spessore della struttura e del diametro delle viti riduce le tensioni trasmesse all’osso e migliora la stabilità meccanica, determinando al contempo una maggiore concentrazione delle tensioni nella struttura implantare e nell’infrastruttura metallica.
• Conclusione scientifica: La geometria dell’impianto, il diametro delle viti e la rigidità del CFR-PEEK influenzano significativamente il comportamento biomeccanico degli impianti sottoperiostei personalizzati.
• Principali limiti: Modello basato su un solo paziente, ipotesi semplificate sulle proprietà dei materiali e assenza di validazione sperimentale e clinica.

10. Impatto scientifico

Questo studio contribuisce ad ampliare le conoscenze scientifiche nel campo degli impianti sottoperiostei personalizzati, analizzando congiuntamente due parametri progettuali che finora sono stati raramente valutati nello stesso modello sperimentale: lo spessore della struttura implantare e il diametro delle viti di fissaggio. I risultati evidenziano come il comportamento biomeccanico di un impianto non dipenda esclusivamente dalle proprietà del biomateriale, ma anche dalle caratteristiche geometriche della sua progettazione.

La ricerca fornisce inoltre nuovi dati sul potenziale impiego del CFR-PEEK rinforzato con il 60% di fibre di carbonio nella realizzazione di impianti sottoperiostei su misura. Le simulazioni suggeriscono che questo materiale possa favorire una distribuzione più favorevole delle sollecitazioni a livello dell’osso peri-implantare mantenendo al tempo stesso un’elevata stabilità strutturale. Lo studio sottolinea tuttavia che l’ottimizzazione biomeccanica richiede un approccio integrato, nel quale proprietà del materiale e geometria implantare vengano considerate congiuntamente.

Pur non fornendo prove di efficacia clinica, questo lavoro rappresenta un’importante base scientifica per lo sviluppo di futuri impianti personalizzati progettati mediante workflow digitali. I risultati potranno orientare successive ricerche sperimentali e studi clinici prospettici finalizzati a verificare se i vantaggi biomeccanici osservati nelle simulazioni possano tradursi in migliori risultati clinici a lungo termine.

11. Conclusione editoriale

Questo studio preclinico basato sull’analisi agli elementi finiti dimostra che lo spessore della struttura implantare e il diametro delle viti di fissaggio rappresentano due fattori determinanti per il comportamento biomeccanico degli impianti sottoperiostei personalizzati in CFR-PEEK. Le simulazioni indicano che strutture più spesse e viti di maggiore diametro migliorano la stabilità meccanica del sistema e riducono le tensioni trasmesse all’osso, pur determinando una maggiore concentrazione delle sollecitazioni all’interno dell’impianto stesso. Questi risultati costituiscono un contributo significativo alla progettazione biomeccanica degli impianti personalizzati, ma devono essere interpretati nel contesto delle limitazioni proprie della modellazione numerica e confermati mediante studi sperimentali e clinici prima di poter influenzare la pratica implantologica quotidiana.