Ocena wpływu różnych grubości implantów podokostnowych na wytrzymałość mechaniczną i naprężenia w kości za pomocą analizy elementów skończonych

Abdulsamet Kundakcioglu, Mustafa Ayhan

Full text link: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39006845/

Ocena wpływu różnych grubości implantów podokostnowych na wytrzymałość mechaniczną i naprężenia w kości za pomocą analizy elementów skończonych

1. Dane naukowe

• Tytuł badania: Ocena wpływu różnych grubości implantów podokostnowych na wytrzymałość mechaniczną i naprężenia w kości za pomocą analizy elementów skończonych
• Autorzy: Abdulsamet Kundakcioglu, Mustafa Ayhan
• Czasopismo naukowe: International Journal of Medical Sciences
• Rok publikacji: 2024
• DOI: 10.7150/ijms.91620

2. Tło naukowe

Leczenie znacznie zanikłych szczęk pozostaje jednym z głównych wyzwań implantologii stomatologicznej i chirurgii jamy ustnej. U niektórych bezzębnych pacjentów z zaawansowaną resorpcją kości wszczepienie konwencjonalnych implantów śródkostnych może być trudne, a nawet niemożliwe bez zastosowania procedur rekonstrukcji kości.

Techniki przeszczepów kostnych oraz implanty jarzmowe stanowią uznane alternatywy, jednak mogą wiązać się ze zwiększoną złożonością zabiegu chirurgicznego, wydłużonym czasem leczenia lub większym ryzykiem powikłań. W tym kontekście ponowne zainteresowanie indywidualnie projektowanymi implantami podokostnowymi, możliwymi dzięki technologiom cyfrowym CAD/CAM oraz addytywnemu wytwarzaniu z tytanu, otwiera nowe perspektywy terapeutyczne.

Obecność metalowej konstrukcji bezpośrednio pod tkankami miękkimi rodzi jednak pytania dotyczące optymalnej grubości tych urządzeń. Nadmierne zmniejszenie grubości mogłoby obniżyć wytrzymałość mechaniczną implantu, natomiast zbyt masywna konstrukcja mogłaby zwiększyć ryzyko ekspozycji tkanek miękkich.

3. Cel badania

Głównym celem badania było określenie minimalnej grubości indywidualnego implantu podokostnowego, która pozwalałaby wytrzymać fizjologiczne obciążenia żucia przy jednoczesnym ograniczeniu naprężeń mechanicznych przenoszonych na kość podpierającą.

Autorzy porównali trzy identyczne projekty implantów wykonanych z różnymi grubościami (1 mm, 1,5 mm i 2 mm), aby ocenić ich zachowanie biomechaniczne za pomocą analizy elementów skończonych.

4. Metodologia

Badanie miało charakter przedklinicznego eksperymentu opartego na analizie elementów skończonych (Finite Element Analysis – FEA).

Naukowcy wykorzystali dane tomografii komputerowej od 11 pacjentów leczonych indywidualnymi implantami podokostnowymi w celu wygenerowania średniego cyfrowego modelu zanikłej szczęki.

Następnie zaprojektowano trzy modele implantów o następujących grubościach:

• 1 mm (M1)
• 1,5 mm (M2)
• 2 mm (M3)

Implanty wykonano ze stopu Ti6Al4V. Zastosowano pionowe obciążenie 250 N symulujące siłę okluzyjną. Analizowane parametry obejmowały:

• naprężenia Von Misesa w implancie;
• naprężenia resztkowe przenoszone na kość;
• przemieszczenia mechaniczne;
• ryzyko odkształcenia plastycznego urządzenia.

5. Główne wyniki

Różnice zaobserwowane pomiędzy trzema konfiguracjami dotyczyły przede wszystkim wytrzymałości mechanicznej implantu oraz przemieszczeń generowanych pod obciążeniem.

Implant o grubości 1 mm (M1) wykazał najwyższe maksymalne naprężenie, wynoszące 495,44 MPa, przekraczając próg bezpieczeństwa ustalony na poziomie 415 MPa. Sytuacja ta sugeruje ryzyko odkształcenia plastycznego podczas obciążenia funkcjonalnego.

Modele o grubości 1,5 mm i 2 mm wykazały maksymalne naprężenia odpowiednio 173,24 MPa i 144,58 MPa, pozostając znacznie poniżej wartości krytycznej określonej przez autorów.

W odniesieniu do naprężeń przenoszonych na kość wszystkie trzy modele pozostawały poniżej granicy bezpieczeństwa przyjętej w badaniu. Maksymalne zaobserwowane wartości wynosiły:

• 26,63 MPa dla M1;
• 25,95 MPa dla M2;
• 22,15 MPa dla M3.

Na przemieszczenia wpływała również grubość implantu. Najcieńszy model wykazywał maksymalne przemieszczenie 1,44 mm, podczas gdy model o grubości 2 mm wykazywał przemieszczenie około 0,46 mm.

6. Analiza kliniczna

Badanie to dostarcza interesujących informacji na temat rzadko opisywanego aspektu rehabilitacji implantologicznej z wykorzystaniem indywidualnych implantów podokostnowych: kompromisu pomiędzy smukłością konstrukcji a bezpieczeństwem biomechanicznym.

Analiza pokazuje, że nadmierne zmniejszenie grubości może prowadzić do znacznego wzrostu naprężeń mechanicznych skoncentrowanych w obszarach połączeń mocujących. Strefy te wydają się być najbardziej krytycznymi punktami systemu implantologicznego. Gdy grubość spada do 1 mm, wytrzymałość mechaniczna staje się niewystarczająca zgodnie z kryteriami przyjętymi przez autorów.

Z klinicznego punktu widzenia wyniki te są szczególnie istotne w leczeniu pacjentów z ciężką atrofią szczęki, u których konwencjonalne alternatywy wymagają niekiedy złożonych procedur rekonstrukcji kości. Badanie sugeruje, że cieńsza konstrukcja nie jest automatycznie synonimem poprawy klinicznej, jeśli towarzyszy jej utrata stabilności mechanicznej.

Wyniki wskazują również, że grubość 1,5 mm może stanowić kompromis pomiędzy redukcją objętości metalu a zachowaniem zadowalającej wytrzymałości. Interpretację tę należy jednak traktować ostrożnie, ponieważ opiera się ona na symulacji numerycznej, a nie na długoterminowej ocenie klinicznej.

Badanie nie pozwala na bezpośrednią ocenę wskaźników przeżywalności implantów, powikłań biologicznych, stabilności protetycznej ani wyników zgłaszanych przez pacjentów.

7. Zastosowania kliniczne

Wyniki tej pracy mogą być przydatne w wielu sytuacjach klinicznych obejmujących cyfrowe protokoły rehabilitacji implantologicznej:

• pacjenci z ciężką atrofią szczęki;
• kandydaci do indywidualnych implantów podokostnowych wykonywanych metodami addytywnymi;
• przypadki, w których rozległe przeszczepy kostne są trudne do przeprowadzenia;
• cyfrowe planowanie implantologiczne wykorzystujące procesy CAD/CAM;
• optymalizacja konstrukcji mechanicznej indywidualnych implantów.

Badanie może również pomóc zespołom zajmującym się komputerowym projektowaniem implantów podokostnowych poprzez uwidocznienie bezpośredniego wpływu grubości materiału na rozkład naprężeń mechanicznych.

8. Poziom dowodów, ograniczenia i przejrzystość

Badanie to stanowi przedkliniczne badanie eksperymentalne oparte na modelowaniu numerycznym metodą elementów skończonych.

Poziom dowodów klinicznych jest zatem ograniczony, ponieważ w ramach tej analizy biomechanicznej nie przeprowadzono prospektywnego porównania klinicznego ani długoterminowej oceny pacjentów.

Do możliwych do zidentyfikowania ograniczeń należą:

• wyniki uzyskane na podstawie modelu wirtualnego;
• symulacja pojedynczego pionowego obciążenia 250 N;
• brak bezpośredniej klinicznej oceny powikłań;
• brak danych dotyczących przeżywalności implantów;
• niemożność odtworzenia wszystkich rzeczywistych warunków biologicznych.

Autorzy sami podkreślają, że wnioski wynikające z analizy elementów skończonych wymagają długoterminowej walidacji klinicznej.

W zakresie przejrzystości autorzy deklarują brak konfliktu interesów.

9. Kluczowe punkty badania

• Rodzaj badania: Przedkliniczne badanie eksperymentalne z wykorzystaniem analizy elementów skończonych
• Poziom dowodów: Niski do umiarkowanego (modelowanie biomechaniczne)
• Populacja lub liczba analizowanych badań: Model cyfrowy opracowany na podstawie 11 pacjentów
• Liczba pacjentów lub implantów: 11 dokumentacji radiologicznych wykorzystanych do wygenerowania średniego modelu
• Czas obserwacji: Nie dotyczy
• Główny oceniany parametr: Wytrzymałość mechaniczna i naprężenia kostne w zależności od grubości implantu
• Główny wynik: Model o grubości 1 mm przekracza mechaniczny próg bezpieczeństwa przyjęty przez autorów
• Wniosek naukowy: Grubość 1,5 mm wydaje się wystarczająca w analizowanych warunkach symulacyjnych
• Potencjalne ograniczenia: Badanie numeryczne bez bezpośredniej walidacji klinicznej

10. Znaczenie naukowe

Publikacja ta przyczynia się do rozwoju indywidualnych implantów podokostnowych wytwarzanych metodą metalowego druku 3D, dziedziny, która przeżywa obecnie ponowne zainteresowanie w rehabilitacji znacznie zanikłych szczęk.

Jej główny wkład polega na ilościowej ocenie wpływu grubości materiału na biomechaniczne zachowanie implantu. Podczas gdy wiele prac koncentruje się na wynikach klinicznych lub koncepcjach projektowych, badanie to skupia się na parametrze technicznym mogącym wpływać zarówno na stabilność mechaniczną, jak i integrację kliniczną urządzenia.

Przedstawione dane wspierają koncepcję, że zmniejszenie grubości jest możliwe do pewnych granic bez pogorszenia wytrzymałości mechanicznej. Dostarczają one zatem użytecznych informacji do optymalizacji przyszłych projektów implantów podokostnowych opracowywanych w cyfrowych procesach CAD/CAM.

Wyniki te stanowią jednak bardziej podstawę do refleksji dla badań naukowych i inżynierii biomedycznej niż ostateczne potwierdzenie kliniczne.

11. Wniosek redakcyjny

To badanie biomechaniczne dostarcza oryginalnych danych dotyczących wpływu grubości indywidualnych implantów podokostnowych wykonanych z tytanu metodą wytwarzania addytywnego. Symulacje wskazują, że grubość 1 mm może narażać implant na ryzyko odkształcenia mechanicznego, podczas gdy grubość 1,5 mm wydaje się zachowywać parametry zgodne z przyjętymi kryteriami bezpieczeństwa. Chociaż wyniki te są obiecujące dla cyfrowego planowania w zaawansowanej implantologii, należy je interpretować w świetle przedklinicznego charakteru badania i wymagają one potwierdzenia w długoterminowych badaniach klinicznych.