Indywidualnie Projektowane Implanty Podokostnowe: Analiza Metodą Elementów Skończonych Systemów Monoblokowych i Podwójnych w Zanikowej Szczęce

Mustafa Ayhan, Abdulkadir Burak Cankaya

Full text links: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37928878/

Indywidualnie Projektowane Implanty Podokostnowe: Analiza Metodą Elementów Skończonych Systemów Monoblokowych i Podwójnych w Zanikowej Szczęce

1. Dane bibliograficzne

• Tytuł badania: Indywidualnie Projektowane Implanty Podokostnowe: Analiza Metodą Elementów Skończonych Systemów Monoblokowych i Podwójnych w Zanikowej Szczęce
• Autorzy: Mustafa Ayhan, Abdulkadir Burak Cankaya
• Czasopismo naukowe: International Journal of Medical Sciences
• Rok publikacji: 2023
• Tom: 20(13)
• Strony: 1755–1762
• DOI: 10.7150/ijms.89411

2. Tło naukowe

Rehabilitacja implantologiczna pacjentów z ciężkim zanikiem szczęki pozostaje jednym z największych wyzwań współczesnej implantologii stomatologicznej. Konwencjonalne implanty śródkostne wymagają odpowiedniej ilości tkanki kostnej, aby zapewnić stabilność pierwotną oraz przewidywalną osteointegrację w długim okresie.

W przypadkach zaawansowanej resorpcji kości często konieczne jest zastosowanie procedur augmentacji kostnej, takich jak przeszczepy autogenne lub przeszczepy z talerza kości biodrowej. Chociaż metody te mogą być skuteczne, wiążą się z większą inwazyjnością chirurgiczną, wydłużonym czasem leczenia oraz zwiększonym dyskomfortem pacjenta.

Rozwój technologii CAD/CAM, planowania cyfrowego i produkcji addytywnej doprowadził do ponownego zainteresowania indywidualnie projektowanymi implantami podokostnowymi. Implanty te są projektowane na podstawie anatomii konkretnego pacjenta i mogą stanowić alternatywę w sytuacjach, gdy zastosowanie klasycznych implantów nie jest możliwe.

3. Cel badania

Głównym celem badania była ocena oraz porównanie właściwości biomechanicznych dwóch konstrukcji indywidualnie projektowanych implantów podokostnowych przeznaczonych do rehabilitacji znacznie zanikowej szczęki:

• implantu monoblokowego obejmującego całą szczękę;
• systemu podwójnego składającego się z dwóch niezależnych implantów pokrywających oddzielnie prawą i lewą stronę szczęki.

Za pomocą analizy metodą elementów skończonych (Finite Element Analysis – FEA) oceniono:

• rozkład naprężeń w implantach;
• naprężenia resztkowe przenoszone na kość;
• przemieszczenia implantów pod obciążeniem;
• naprężenia występujące w łącznikach protetycznych.

Dodatkowo przeanalizowano wpływ grubości implantu oraz średnicy śrub mocujących na zachowanie biomechaniczne konstrukcji.

4. Materiały i metody

Projekt badania

Przedkliniczne badanie eksperymentalne oparte na trójwymiarowych symulacjach z wykorzystaniem metody elementów skończonych.

Dobór pacjentów

W latach 2018–2021 oceniono 49 pacjentów z niewystarczającą ilością tkanki kostnej do leczenia implantami konwencjonalnymi.

Wykluczono pacjentów z:

• niekontrolowanymi chorobami ogólnoustrojowymi;
• terapią bisfosfonianami;
• rozszczepem wargi i podniebienia w wywiadzie;
• aktywnym nałogiem palenia tytoniu.

Po zastosowaniu kryteriów kwalifikacyjnych do modelowania cyfrowego włączono 11 pacjentów w wieku powyżej 60 lat.

Opracowanie modeli

Tomografie komputerowe pacjentów zostały przetworzone przy użyciu oprogramowania 3D Slicer w celu utworzenia średniego modelu anatomicznego ciężko zanikowej szczęki.

Przygotowano dwa typy konstrukcji:

• system monoblokowy;
• system podwójny składający się z dwóch niezależnych implantów.

Opracowano osiem modeli różniących się:

• grubością implantu: 1,0 mm oraz 1,5 mm;
• średnicą śrub mocujących: 1,5 mm oraz 2,0 mm.

Wszystkie modele oparto na właściwościach mechanicznych stopu tytanu Ti-6Al-4V.

Warunki obciążenia

W celu symulacji fizjologicznych sił żucia zastosowano:

• obciążenie pionowe 150 N po obu stronach odcinka bocznego;
• obciążenie pionowe 50 N w odcinku przednim.

Każdy implant był mocowany za pomocą siedmiu punktów kotwiczenia imitujących śruby chirurgiczne.

Naprężenia w implantach analizowano według kryterium Von Misesa, natomiast naprężenia w kości oceniano przy użyciu tensorów naprężeń Pioli-Kirchhoffa.

5. Najważniejsze wyniki

Naprężenia w implantach

Wszystkie wartości naprężeń pozostawały znacznie poniżej granicy plastyczności stopu Ti-6Al-4V, co wskazuje na brak ryzyka trwałej deformacji przy analizowanych obciążeniach.

Dla implantów monoblokowych:

• maksymalne naprężenie: 206 MPa (model M5);
• minimalne naprężenie: 131 MPa (model M2).

Dla systemów podwójnych:

• maksymalne naprężenie: 178 MPa (model M7);
• minimalne naprężenie: 124 MPa (model M4).

Ogólnie systemy podwójne wykazywały niższe naprężenia wewnętrzne niż konstrukcje monoblokowe.

Lokalizacja naprężeń

Największe koncentracje naprężeń występowały w obszarach przedłużeń jarzmowych implantów.

Wynik ten podkreśla znaczenie biomechaniczne bocznych stref zakotwiczenia w przenoszeniu obciążeń czynnościowych.

Naprężenia resztkowe w kości

Najwyższe naprężenia resztkowe odnotowano w modelu M6.

Najniższe wartości stwierdzono w modelach M1 i M3, wynoszące około 12 MPa.

W przeciwieństwie do naprężeń w implantach, cienkościenne implanty monoblokowe zapewniały bardziej jednorodny rozkład obciążeń w szczęce, co skutkowało niższymi naprężeniami resztkowymi w tkance kostnej.

Zwiększenie grubości implantu oraz średnicy śrub powodowało wzrost naprężeń przenoszonych na kość.

Przemieszczenie implantów

Maksymalne przemieszczenie implantów było mniejsze niż:

0,21 mm

Największe przemieszczenia obserwowano w odcinkach bocznych.

Implanty monoblokowe wykazywały nieco większe przemieszczenia niż systemy podwójne.

Implanty o grubości 1,0 mm cechowały się większym przemieszczeniem niż implanty o grubości 1,5 mm, jednak różnice te nie miały istotnego znaczenia klinicznego.

Naprężenia w łącznikach protetycznych

Wartości naprężeń w łącznikach protetycznych wynosiły od:

• 15,7 MPa;
• 18,1 MPa.

Poziomy te pozostawały znacznie poniżej granic wytrzymałości materiału, co wskazuje na niewielkie ryzyko powikłań mechanicznych.

6. Analiza kliniczna

Badanie wykazało istotne różnice biomechaniczne pomiędzy obiema koncepcjami implantologicznymi.

Systemy podwójne generowały niższe naprężenia wewnętrzne, co potencjalnie może zmniejszać ryzyko zmęczenia materiału w długim okresie.

Z kolei implanty monoblokowe zapewniały bardziej równomierne rozłożenie sił na kości szczęki, ograniczając miejscowe przeciążenia.

Autorzy sugerują, że właściwość ta może być szczególnie korzystna w protokołach natychmiastowego obciążenia, ponieważ umożliwia skuteczniejsze pochłanianie i rozpraszanie sił okluzyjnych.

Badanie wskazuje również, że średnica oraz rozmieszczenie śrub mocujących mogą mieć większy wpływ na obciążenie kości niż sam projekt implantu.

7. Zastosowania kliniczne

Wyniki badania mają szczególne znaczenie dla:

• ciężko zanikowych szczęk;
• pacjentów całkowicie bezzębnych z niewystarczającą ilością kości;
• pacjentów, którzy nie mogą lub nie chcą poddać się zabiegom augmentacji kostnej;
• pełnołukowych rehabilitacji wspomaganych technologią CAD/CAM;
• procedur natychmiastowego obciążenia;
• planowania indywidualnie projektowanych implantów podokostnowych.

Badanie wspiera wykorzystanie implantów podokostnowych jako alternatywy dla rozległych procedur regeneracji kostnej.

8. Poziom dowodów naukowych, ograniczenia i przejrzystość

Publikacja przedstawia przedkliniczne badanie biomechaniczne oparte na symulacjach komputerowych.

Najważniejsze ograniczenia obejmują:

• brak prospektywnej walidacji klinicznej;
• zastosowanie obciążeń statycznych;
• brak symulacji biologicznej przebudowy kości;
• uproszczenia modelu kość–implant;
• niewielką liczbę pacjentów wykorzystanych do stworzenia modelu referencyjnego.

Autorzy nie zgłosili konfliktu interesów.

9. Kluczowe informacje ze badania

• Rodzaj badania: Analiza metodą elementów skończonych (FEA)
• Poziom dowodów: Badanie biomechaniczne przedkliniczne
• Liczba pacjentów: 11
• Wskazanie kliniczne: Zaawansowany zanik szczęki
• Typy implantów: Monoblokowy i podwójny
• Materiał: Stop tytanu Ti-6Al-4V
• Zastosowane obciążenia: 50 N w odcinku przednim i 150 N w odcinkach bocznych
• Maksymalne naprężenie Von Misesa: 206 MPa
• Maksymalne przemieszczenie implantu: < 0,21 mm
• Najniższe naprężenie resztkowe w kości: 12 MPa
• Najważniejszy wynik: Implanty podwójne zmniejszają naprężenia w konstrukcji implantu, natomiast implanty monoblokowe zapewniają bardziej jednorodny rozkład sił w kości.

10. Znaczenie naukowe

Badanie dostarcza istotnych danych biomechanicznych dotyczących zachowania indywidualnie projektowanych implantów podokostnowych u pacjentów z zaawansowanym zanikiem szczęki.

Porównanie konstrukcji monoblokowych i podwójnych pozwala lepiej zrozumieć wpływ geometrii implantu, jego grubości oraz parametrów śrub mocujących na rozkład sił żucia.

Uzyskane wyniki mogą przyczynić się do dalszej optymalizacji projektów implantów oraz poprawy skuteczności leczenia implantologicznego w złożonych przypadkach klinicznych.

11. Wniosek redakcyjny

Przeprowadzona analiza metodą elementów skończonych wykazała, że indywidualnie projektowane implanty podokostnowe stanowią biomechanicznie uzasadnioną metodę rehabilitacji pacjentów z ciężkim zanikiem szczęki. Systemy podwójne charakteryzują się niższymi naprężeniami wewnętrznymi i mniejszymi przemieszczeniami, natomiast implanty monoblokowe zapewniają bardziej równomierne rozłożenie obciążeń w kości podpierającej. Oba rozwiązania posiadają specyficzne zalety biomechaniczne, a ich wybór powinien być dostosowany do warunków anatomicznych pacjenta oraz założeń terapeutycznych. Konieczne są jednak długoterminowe badania kliniczne w celu potwierdzenia tych wyników.