Biomechaniczna ocena materiałów konstrukcji protetycznych stosowanych w implantach podokostnowych: analiza metodą elementów skończonych

Büşranur Demir, Ipek Caglar

Full text link: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41318436/

Biomechaniczna ocena materiałów konstrukcji protetycznych stosowanych w implantach podokostnowych: analiza metodą elementów skończonych

1. Dane bibliograficzne

• Tytuł opracowania: Biomechanical Evaluation of Prosthetic Framework Materials in Subperiosteal Implants: A Finite Element Analysis
• Autorzy: Büşranur Demir, Ipek Caglar
• Czasopismo: BMC Oral Health
• Rok publikacji: 2025
• DOI: 10.1186/s12903-025-07391-3

2. Kontekst naukowy

Leczenie implantologiczne pacjentów z zaawansowanym zanikiem szczęki pozostaje jednym z największych wyzwań współczesnej implantologii stomatologicznej. W przypadkach, gdy ilość dostępnej tkanki kostnej nie pozwala na zastosowanie klasycznych implantów śródkostnych, często konieczne staje się przeprowadzenie rozległych procedur augmentacji kości. Zabiegi te zwiększają stopień skomplikowania leczenia, wydłużają czas terapii oraz wiążą się z większą inwazyjnością. Rozwój cyfrowego planowania leczenia, technologii CAD/CAM oraz wytwarzania addytywnego sprawił, że indywidualnie projektowane implanty podokostnowe ponownie zyskały zainteresowanie jako alternatywa terapeutyczna dla pacjentów z ciężką atrofią szczęki.

Pomimo licznych badań biomechanicznych dotyczących implantów śródkostnych, wiedza na temat zachowania mechanicznego nowoczesnych implantów podokostnowych pozostaje ograniczona. Szczególnie niewiele wiadomo o wpływie materiału konstrukcji protetycznej na rozkład naprężeń w całym układzie implantologiczno-protetycznym. Dlatego autorzy podjęli próbę oceny biomechanicznych właściwości różnych materiałów konstrukcyjnych stosowanych w pełnołukowych rekonstrukcjach opartych na implantach podokostnowych.

3. Cel badania

Celem badania była ocena wpływu różnych materiałów konstrukcji protetycznej, charakteryzujących się odmiennym modułem sprężystości, na biomechaniczne zachowanie pełnołukowej rekonstrukcji wspartej na indywidualnie projektowanych implantach podokostnowych. Z wykorzystaniem analizy metodą elementów skończonych autorzy porównali rozkład naprężeń w kości korowej, kości gąbczastej, korpusie implantu, śrubach mocujących, śrubach protetycznych oraz w samej konstrukcji protetycznej.

4. Metodyka

Badanie przeprowadzono z wykorzystaniem trójwymiarowej analizy metodą elementów skończonych (Finite Element Analysis – FEA). Model cyfrowy został opracowany na podstawie tomografii komputerowej wiązki stożkowej (CBCT) całkowicie bezzębnej szczęki. Na bazie uzyskanego modelu anatomicznego zaprojektowano indywidualny, dwuczęściowy implant podokostnowy przeznaczony do podparcia stałej rekonstrukcji pełnego łuku zębowego. Wykorzystanie danych obrazowych zostało zatwierdzone przez odpowiednią komisję bioetyczną.

Porównano cztery materiały konstrukcji protetycznej: stop kobaltowo-chromowy (CoCr), tytan (Ti), tlenek cyrkonu (Zr) oraz poli(eteroeteroketon) (PEEK). Na ich podstawie przygotowano pięć wariantów odbudowy protetycznej: CoCr licowany ceramiką, cyrkon licowany ceramiką, tytan licowany ceramiką, tytan licowany żywicą akrylową oraz PEEK licowany materiałem kompozytowym.

W celu odtworzenia fizjologicznych warunków żucia zastosowano jednocześnie pionowe obciążenie 100 N w odcinku przednim oraz siły 150 N działające pionowo i 100 N działające skośnie pod kątem 30° w odcinkach bocznych. Dla kości korowej i gąbczastej obliczono maksymalne naprężenia główne, natomiast dla implantu, konstrukcji protetycznej oraz śrub określono naprężenia zredukowane według kryterium Von Misesa. Ponieważ badanie miało charakter komputerowej symulacji, nie obejmowało obserwacji klinicznej ani okresu kontrolnego.

5. Najważniejsze wyniki

Przeprowadzone symulacje wykazały, że materiał zastosowany do wykonania konstrukcji protetycznej w istotny sposób wpływa na rozkład naprężeń mechanicznych w całym układzie implantologiczno-protetycznym. Spośród wszystkich analizowanych konfiguracji największe wartości naprężeń odnotowano w przypadku konstrukcji z PEEK pokrytej materiałem kompozytowym, zarówno w kości korowej i gąbczastej, jak i w korpusie implantu, śrubach mocujących oraz śrubach protetycznych. Z kolei konstrukcja wykonana ze stopu kobaltowo-chromowego licowanego ceramiką wykazywała najniższe wartości naprężeń w większości ocenianych struktur.

W porównaniu z konstrukcją kobaltowo-chromową odbudowa wykonana z PEEK i kompozytu powodowała około 14% większe naprężenia w kości korowej, 22% większe naprężenia w kości gąbczastej oraz niemal 96% wyższe naprężenia w śrubach protetycznych. Natomiast oba warianty oparte na tytanie — niezależnie od zastosowania licówki ceramicznej lub akrylowej — charakteryzowały się niemal identycznym rozkładem naprężeń. Wynik ten sugeruje, że właściwości biomechaniczne całej rekonstrukcji zależą przede wszystkim od materiału konstrukcji nośnej, a w znacznie mniejszym stopniu od materiału licującego.

Największym obciążeniom mechanicznym podlegały śruby protetyczne, dla których maksymalne naprężenie Von Misesa osiągnęło 233,05 MPa. Dla śrub mocujących maksymalna wartość wyniosła 71,45 MPa. Największe koncentracje naprężeń lokalizowały się w okolicy filarów protetycznych, połączeń śrubowych oraz stref podparcia w rejonie kłów i kości jarzmowej. We wszystkich analizowanych konfiguracjach wartości naprężeń w kości korowej i gąbczastej pozostawały poniżej biologicznych progów przyjętych przez autorów badania.

6. Analiza kliniczna

Badanie dostarcza istotnych informacji biomechanicznych dotyczących zagadnienia, które dotychczas było stosunkowo słabo opisane w literaturze implantologicznej. Wyniki wskazują, że zastosowanie bardziej elastycznych materiałów nie prowadzi automatycznie do korzystniejszego rozpraszania sił żucia. Wręcz przeciwnie — konstrukcja wykonana z PEEK, charakteryzującego się niższym modułem sprężystości, generowała najwyższe wartości naprężeń zarówno w tkance kostnej, jak i w elementach implantologicznych oraz przede wszystkim w śrubach protetycznych. Oznacza to, że mniejsza sztywność materiału nie przekłada się automatycznie na lepszą biomechanikę całego układu.

Odwrotną charakterystykę wykazała konstrukcja wykonana ze stopu kobaltowo-chromowego, która zapewniała najbardziej równomierny rozkład naprężeń. Chociaż sam materiał podlegał większym naprężeniom wewnętrznym niż materiały bardziej elastyczne, jego wysoka sztywność umożliwiała skuteczniejsze rozprowadzanie sił okluzyjnych w obrębie całej rekonstrukcji. Dzięki temu ograniczano koncentrację obciążeń przenoszonych na kość oraz elementy implantologiczne. Wynik ten podkreśla znaczenie modułu sprężystości materiału konstrukcyjnego podczas projektowania pełnołukowych rekonstrukcji wspartych na implantach podokostnowych.

Na szczególną uwagę zasługuje również zachowanie śrub protetycznych, które we wszystkich analizowanych wariantach były elementem poddawanym największym naprężeniom. Sugeruje to, że połączenia śrubowe mogą stanowić najbardziej newralgiczny punkt mechaniczny tego typu rekonstrukcji. W praktyce klinicznej oznacza to konieczność uwzględnienia nie tylko doboru materiału konstrukcyjnego, lecz także odpowiedniego projektu oraz wytrzymałości elementów łączących podczas planowania leczenia.

Interesującą obserwacją jest również fakt, że oba warianty wykorzystujące tytan — z licówką ceramiczną oraz akrylową — wykazywały niemal identyczne właściwości biomechaniczne. Oznacza to, że w rekonstrukcjach warstwowych dominujący wpływ na rozkład naprężeń wywiera materiał konstrukcji nośnej, natomiast materiał licujący odgrywa rolę drugorzędną.

Należy jednak pamiętać, że przedstawione wyniki pochodzą z analizy komputerowej. Metoda elementów skończonych umożliwia bardzo precyzyjne porównanie różnych rozwiązań konstrukcyjnych w kontrolowanych warunkach, jednak nie odzwierciedla procesów biologicznych, takich jak gojenie tkanek, przebudowa kości, indywidualna zmienność anatomiczna czy długoterminowe funkcjonowanie rekonstrukcji w jamie ustnej. Uzyskane wyniki stanowią zatem solidną podstawę biomechaniczną, wymagającą potwierdzenia w badaniach klinicznych.

7. Zastosowanie kliniczne

Wyniki badania mogą wspierać cyfrowe planowanie pełnołukowych rekonstrukcji protetycznych opartych na indywidualnie projektowanych implantach podokostnowych, szczególnie u pacjentów z zaawansowanym zanikiem szczęki, u których zastosowanie klasycznych implantów śródkostnych lub rozległych procedur augmentacyjnych jest ograniczone albo wiąże się z dużym ryzykiem chirurgicznym. Badanie pokazuje, że wybór materiału konstrukcji protetycznej powinien być traktowany jako jeden z kluczowych elementów projektowania biomechanicznego, a nie wyłącznie decyzja estetyczna lub technologiczna.

Uzyskane wyniki zwracają również uwagę na znaczenie połączeń śrubowych. Ponieważ śruby protetyczne wykazywały najwyższe wartości naprężeń we wszystkich analizowanych konfiguracjach, ich wytrzymałość mechaniczna powinna być starannie uwzględniana podczas projektowania rekonstrukcji z wykorzystaniem technologii CAD/CAM. Ze względu na fakt, że wszystkie wnioski oparto na symulacjach numerycznych, przedstawione zastosowania należy traktować jako wskazówki biomechaniczne, a nie jako bezpośrednie zalecenia kliniczne.

8. Poziom wiarygodności dowodów, ograniczenia i przejrzystość

Publikacja stanowi badanie przedkliniczne oparte na analizie metodą elementów skończzonych (Finite Element Analysis – FEA). Tego typu badania są powszechnie wykorzystywane do porównywania zachowania biomechanicznego różnych konstrukcji implantologiczno-protetycznych w standaryzowanych warunkach obciążenia. Uzyskane wyniki mają jednak charakter teoretyczny i nie pozwalają na bezpośrednie przewidywanie długoterminowej skuteczności klinicznej, przeżywalności implantów ani częstości występowania powikłań biologicznych lub protetycznych.

Autorzy wskazują na kilka ograniczeń wynikających z zastosowanego modelu obliczeniowego. Tkanka kostna została potraktowana jako materiał jednorodny, izotropowy i liniowo sprężysty, co stanowi uproszczenie rzeczywistych właściwości biologicznych kości. W analizie nie uwzględniono tkanek miękkich otaczających implant, ponieważ głównym celem była ocena rozkładu naprężeń w kości i elementach konstrukcyjnych. Dodatkowo uproszczono geometrię gwintów śrub w celu ograniczenia złożoności modelu numerycznego. Model nie odzwierciedlał również procesów biologicznych, takich jak gojenie, przebudowa kości, fibrointegracja, starzenie materiałów czy zmiany zachodzące podczas wieloletniej eksploatacji odbudowy. Autorzy podkreślają, że uzyskane wyniki wymagają potwierdzenia w prospektywnych badaniach klinicznych.

Na podstawie informacji zawartych w artykule nie zgłoszono szczególnych konfliktów interesów ani powiązań finansowych z producentami implantów lub materiałów protetycznych. W dostępnych fragmentach publikacji nie wskazano również, aby finansowanie przemysłowe miało wpływ na projekt badania lub interpretację uzyskanych wyników.

9. Najważniejsze informacje o badaniu

• Rodzaj badania: trójwymiarowa analiza metodą elementów skończonych (FEA) o charakterze przedklinicznym.
• Poziom dowodów naukowych: eksperymentalne badanie biomechaniczne przedkliniczne.
• Model badawczy: cyfrowa rekonstrukcja całkowicie bezzębnej szczęki wykonana na podstawie tomografii CBCT.
• Liczba pacjentów: jeden zestaw danych CBCT wykorzystany do stworzenia modelu cyfrowego.
• System implantologiczny: indywidualnie projektowany, dwuczęściowy implant podokostnowy.
• Okres obserwacji: nie dotyczy (badanie symulacyjne).
• Główna oceniana zmienna: rozkład naprężeń w kości korowej i gąbczastej, korpusie implantu, konstrukcji protetycznej, śrubach mocujących oraz śrubach protetycznych.
• Porównywane materiały: stop kobaltowo-chromowy, tytan, tlenek cyrkonu oraz PEEK w połączeniu z różnymi materiałami licującymi.
• Najważniejszy wynik: konfiguracja PEEK–kompozyt generowała najwyższe naprężenia mechaniczne, natomiast konstrukcja wykonana ze stopu kobaltowo-chromowego zapewniała najbardziej korzystny rozkład naprężeń.
• Wniosek naukowy: materiał konstrukcji protetycznej ma istotny wpływ na biomechanikę odbudów opartych na implantach podokostnowych, a śruby protetyczne stanowią element poddawany największym obciążeniom mechanicznym.
• Główne ograniczenie: wyniki opierają się wyłącznie na symulacjach numerycznych i wymagają potwierdzenia w badaniach klinicznych.

10. Znaczenie naukowe

Badanie wnosi istotny wkład do wiedzy dotyczącej biomechaniki indywidualnie projektowanych implantów podokostnowych, które dzięki rozwojowi cyfrowego planowania leczenia oraz technologii CAD/CAM ponownie zyskują znaczenie we współczesnej implantologii. Podczas gdy biomechanika klasycznych implantów śródkostnych została szeroko opisana w literaturze, liczba badań poświęconych nowoczesnym implantom podokostnowym pozostaje ograniczona. Bezpośrednie porównanie różnych materiałów konstrukcyjnych w identycznym modelu anatomicznym pozwala lepiej zrozumieć wpływ modułu sprężystości na przenoszenie sił żucia w pełnołukowych rekonstrukcjach protetycznych.

Istotnym atutem pracy jest również kompleksowa analiza całego układu implantologiczno-protetycznego. Autorzy oceniali nie tylko sam implant, lecz także konstrukcję protetyczną, śruby mocujące oraz śruby protetyczne. Wykazanie, że największym obciążeniom podlegają właśnie śruby protetyczne, wskazuje nowe kierunki badań nad optymalizacją połączeń mechanicznych oraz projektowania rekonstrukcji wykonywanych z wykorzystaniem technologii CAD/CAM.

Chociaż badanie nie dowodzi klinicznej przewagi żadnego z analizowanych materiałów, stanowi wartościową podstawę biomechaniczną dla przyszłych badań laboratoryjnych oraz prospektywnych badań klinicznych oceniających długoterminową skuteczność indywidualnie projektowanych implantów podokostnowych.

11. Wniosek redakcyjny

Przeprowadzona analiza metodą elementów skończonych wykazała, że materiał konstrukcji protetycznej odgrywa kluczową rolę w biomechanicznym zachowaniu pełnołukowych rekonstrukcji wspartych na indywidualnie projektowanych implantach podokostnowych. Spośród ocenianych konfiguracji konstrukcja wykonana ze stopu kobaltowo-chromowego zapewniała najbardziej korzystny rozkład naprężeń, natomiast układ PEEK–kompozyt generował najwyższe wartości naprężeń w kości, implancie oraz przede wszystkim w śrubach protetycznych. Wyniki badania poszerzają wiedzę na temat biomechaniki nowoczesnych implantów podokostnowych projektowanych cyfrowo. Ze względu na przedkliniczny charakter pracy uzyskane dane należy jednak traktować jako dowody eksperymentalne. Ich znaczenie kliniczne powinno zostać potwierdzone w dobrze zaprojektowanych, prospektywnych badaniach z długoterminową obserwacją.