Wpływ biomechaniczny grubości implantu i średnicy śrub mocujących na podokostnowe implanty z CFR-PEEK: trójwymiarowa analiza metodą elementów skończonych

Eda Etik, Basak Keskin Yalcin

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

Wpływ biomechaniczny grubości implantu i średnicy śrub mocujących na podokostnowe implanty z CFR-PEEK: trójwymiarowa analiza metodą elementów skończonych

1. Dane bibliograficzne

• Tytuł pracy: Biomechanical effect of implant thickness and screw diameter on CFR-PEEK subperiosteal implants: a three-dimensional finite element analysis
• Autorzy: Eda Etik, Basak Keskin Yalcin
• Czasopismo naukowe: Scientific Reports
• Rok publikacji: 2026
• DOI: 10.1038/s41598-026-49671-0

2. Tło naukowe

Leczenie implantologiczne pacjentów z zaawansowanym zanikiem szczęki pozostaje jednym z największych wyzwań współczesnej chirurgii jamy ustnej i implantologii. W przypadkach, gdy ilość dostępnej tkanki kostnej nie pozwala na zastosowanie klasycznych implantów śródkostnych, konieczne staje się wykorzystanie alternatywnych metod rehabilitacji. Dynamiczny rozwój diagnostyki obrazowej 3D, cyfrowego planowania leczenia oraz technologii CAD/CAM przyczynił się do ponownego zainteresowania indywidualnie projektowanymi implantami podokostnowymi, umożliwiając ich znacznie dokładniejsze dopasowanie do anatomii pacjenta.

Równocześnie coraz większą uwagę poświęca się właściwościom materiałów stosowanych do ich wykonania. Poliéteroeteroketon wzmacniany włóknem węglowym (CFR-PEEK) jest postrzegany jako obiecujący biomateriał ze względu na wysoką wytrzymałość mechaniczną oraz moduł sprężystości bardziej zbliżony do tkanki kostnej niż tradycyjne stopy metali. Nadal jednak brakuje danych dotyczących wpływu parametrów konstrukcyjnych, takich jak grubość ramy implantu czy średnica śrub mocujących, na rozkład obciążeń biomechanicznych. Niniejsze badanie analizuje ten problem z wykorzystaniem trójwymiarowej analizy metodą elementów skończonych.

3. Cel badania

Celem pracy była ocena wpływu grubości konstrukcji implantu podokostnowego oraz średnicy śrub mocujących na zachowanie biomechaniczne indywidualnie projektowanych implantów wykonanych z CFR-PEEK wzmacnianego w 60% włóknami węglowymi.

Autorzy porównali różne konfiguracje implantów, analizując rozkład naprężeń mechanicznych, całkowite przemieszczenia oraz sposób przenoszenia obciążeń pomiędzy implantem a otaczającą tkanką kostną.

4. Metodyka

Badanie ma charakter przedkliniczny (in silico) i zostało przeprowadzone z wykorzystaniem trójwymiarowej analizy metodą elementów skończonych (Finite Element Analysis – FEA). Model anatomiczny opracowano na podstawie danych z tomografii komputerowej pacjenta z zaawansowanym zanikiem szczęki, zakwalifikowanym do klasy V według Cawooda i Howella. Na podstawie uzyskanego modelu trójwymiarowego zaprojektowano indywidualny implant podokostnowy.

Przygotowano cztery warianty konstrukcyjne, łącząc dwie grubości ramy implantu (1,0 mm i 1,5 mm) z dwiema średnicami śrub mocujących (1,5 mm i 2,0 mm). Rama implantu została zamodelowana z CFR-PEEK zawierającego 60% włókien węglowych, natomiast śruby, łączniki protetyczne oraz metalowa podbudowa otrzymały właściwości mechaniczne tytanu.

W celu odtworzenia warunków funkcjonalnych przeprowadzono trzy scenariusze obciążenia: obustronne pionowe obciążenie odcinka bocznego, jednostronne skośne obciążenie tej samej okolicy oraz obustronne pionowe obciążenie odcinka przedniego. Analizie poddano całkowite przemieszczenie układu, maksymalne i minimalne naprężenia główne w kości oraz naprężenia zredukowane Von Misesa w obrębie implantu, łączników i metalowej konstrukcji. Ze względu na charakter symulacyjny badania nie prowadzono obserwacji klinicznej.

5. Najważniejsze wyniki

Przeprowadzone symulacje numeryczne wykazały, że geometria implantu w istotny sposób wpływa na biomechaniczne zachowanie całego układu implantologicznego. Zwiększenie grubości ramy implantu z 1,0 mm do 1,5 mm prowadziło do systematycznego zmniejszenia całkowitego przemieszczenia konstrukcji we wszystkich analizowanych scenariuszach obciążenia, co świadczy o większej sztywności mechanicznej systemu. Jednocześnie odnotowano redukcję zarówno naprężeń rozciągających, jak i ściskających przenoszonych na otaczającą kość, szczególnie w obrębie tylnej części wyrostka zębodołowego, gdzie występowały największe obciążenia czynnościowe.

Podobną zależność zaobserwowano po zwiększeniu średnicy śrub mocujących z 1,5 mm do 2,0 mm. Śruby o większej średnicy zapewniały bardziej równomierny rozkład sił, ograniczając koncentrację naprężeń zarówno w tkance kostnej, jak i w samym implancie podokostnowym. Korzystny efekt biomechaniczny wiązał się jednak ze wzrostem naprężeń w metalowej konstrukcji protetycznej, co wskazuje na redystrybucję obciążeń do bardziej sztywnych elementów układu, a nie na ich całkowitą eliminację.

Spośród trzech analizowanych wariantów największe wartości naprężeń odnotowano podczas obciążeń działających w odcinku bocznym szczęki. Obciążenia w odcinku przednim generowały niższe wartości naprężeń oraz odmienny wzorzec ich rozmieszczenia, koncentrujący się głównie w okolicy otworu gruszkowatego i dna jamy nosowej. Symulacje wykazały również, że CFR-PEEK wzmacniany w 60% włóknami węglowymi, dzięki wysokiemu modułowi sprężystości, ogranicza przenoszenie naprężeń na tkankę kostną, jednocześnie powodując większą koncentrację obciążeń w obrębie korpusu implantu oraz metalowej podbudowy. Autorzy uznali, że wszystkie oceniane konfiguracje spełniają podstawowe wymagania biomechaniczne stawiane indywidualnym implantom podokostnowym, jednocześnie podkreślając, że uzyskane wyniki wymagają potwierdzenia w badaniach eksperymentalnych i klinicznych.

6. Analiza kliniczna

Badanie dostarcza cennych informacji na temat znaczenia parametrów konstrukcyjnych dla biomechanicznej wydajności indywidualnie projektowanych implantów podokostnowych. Uzyskane wyniki wskazują, że skuteczność mechaniczna takiego rozwiązania zależy nie tylko od właściwości zastosowanego biomateriału, lecz również od geometrii implantu oraz sposobu jego stabilizacji. Nawet niewielkie zmiany grubości ramy lub średnicy śrub mocujących mogą istotnie wpływać na sposób przenoszenia sił żucia pomiędzy implantem, kością oraz elementami odbudowy protetycznej.

Zwiększenie grubości ramy implantu poprawiało sztywność całego układu i ograniczało jego odkształcenia pod wpływem obciążenia czynnościowego. Z biomechanicznego punktu widzenia mniejsze przemieszczenia mogą sprzyjać bardziej równomiernemu rozkładowi sił oraz ograniczeniu lokalnych koncentracji naprężeń w kości okołowszczepowej. Podobny efekt uzyskano dzięki zastosowaniu śrub mocujących o większej średnicy, które poprawiały rozkład obciążeń w strefach zakotwiczenia. Należy jednak podkreślić, że badanie nie oceniało procesów biologicznych, takich jak osteointegracja, przebudowa kości czy długoterminowa trwałość implantów, dlatego uzyskanych wyników nie można bezpośrednio interpretować jako dowodu wyższej skuteczności klinicznej.

Na szczególną uwagę zasługuje zachowanie CFR-PEEK wzmacnianego w 60% włóknami węglowymi. Symulacje sugerują, że materiał ten skutecznie ogranicza obciążenia przekazywane do kości, zachowując jednocześnie wysoką stabilność mechaniczną całej konstrukcji. Jednocześnie większa część naprężeń koncentruje się wewnątrz implantu oraz metalowej podbudowy. Wyniki te pokazują, że projektowanie indywidualnych implantów wymaga kompromisu pomiędzy sztywnością materiału, geometrią konstrukcji oraz równomiernym rozkładem obciążeń, tak aby nie przenosić nadmiernych sił na pojedynczy element systemu.

Interpretując przedstawione wyniki, należy uwzględnić ograniczenia badania. Model numeryczny został opracowany na podstawie anatomii jednego pacjenta, a wszystkie materiały potraktowano jako jednorodne, izotropowe i liniowo sprężyste. W analizie nie uwzględniono procesów biologicznych, takich jak przebudowa tkanki kostnej, indywidualne różnice jakości kości, osteointegracja ani wpływ długotrwałych, cyklicznych obciążeń. W związku z tym badanie stanowi wartościową analizę biomechaniczną, lecz nie pozwala na formułowanie jednoznacznych zaleceń klinicznych.

7. Zastosowanie kliniczne

Wyniki niniejszego badania mogą znaleźć zastosowanie przede wszystkim podczas projektowania indywidualnych implantów podokostnowych przeznaczonych dla pacjentów z zaawansowanym zanikiem szczęki, u których zastosowanie klasycznych implantów śródkostnych lub rozległych procedur augmentacji kości jest utrudnione albo niemożliwe.

W ramach w pełni cyfrowego procesu obejmującego tomografię komputerową, projektowanie CAD/CAM oraz spersonalizowaną produkcję, grubość ramy implantu i średnica śrub mocujących stanowią istotne parametry wpływające na biomechaniczne właściwości całej konstrukcji. Dane przedstawione w badaniu mogą wspierać optymalizację projektowania implantów wykonywanych na indywidualne zamówienie, umożliwiając bardziej równomierny rozkład obciążeń czynnościowych.

Autorzy nie przedstawiają jednak konkretnego protokołu chirurgicznego ani nie wskazują jednej optymalnej konfiguracji implantu do rutynowego stosowania. Uzyskane wyniki należy traktować jako przedkliniczne dowody biomechaniczne, które wymagają potwierdzenia w badaniach laboratoryjnych oraz prospektywnych badaniach klinicznych przed ich wykorzystaniem w codziennej praktyce implantologicznej.

8. Poziom wiarygodności, ograniczenia i przejrzystość badania

Przedstawiona publikacja jest przedklinicznym badaniem in silico opartym na trójwymiarowej analizie metodą elementów skończonych (Finite Element Analysis – FEA). Tego rodzaju badania są powszechnie wykorzystywane do oceny właściwości biomechanicznych implantów w kontrolowanych warunkach numerycznych, jednak ich poziom wiarygodności pozostaje przedkliniczny. Oznacza to, że uzyskane wyniki nie mogą być bezpośrednio odnoszone do skuteczności klinicznej, przeżywalności implantów ani długoterminowych efektów leczenia u pacjentów.

Pod względem metodologicznym badanie charakteryzuje się starannie przygotowanym modelem numerycznym. Autorzy wykorzystali trójwymiarową rekonstrukcję opartą na tomografii komputerowej pacjenta z ciężkim zanikiem szczęki, porównali cztery konfiguracje implantów oraz przeprowadzili symulacje dla trzech różnych schematów obciążenia odpowiadających warunkom klinicznym. Dodatkowo wykonano analizę zbieżności siatki obliczeniowej (mesh convergence), co zwiększa wiarygodność uzyskanych wyników numerycznych.

Interpretując wyniki, należy jednak uwzględnić kilka istotnych ograniczeń. Wszystkie obliczenia oparto na modelu anatomicznym jednego pacjenta, co ogranicza możliwość uogólnienia rezultatów na szerszą populację. Ponadto kość oraz zastosowane materiały zostały opisane jako jednorodne, izotropowe i liniowo sprężyste, co stanowi uproszczenie rzeczywistych właściwości biologicznych. Model nie uwzględnia procesów takich jak osteointegracja, przebudowa kości, indywidualna jakość tkanki kostnej ani wpływ wieloletnich obciążeń czynnościowych. Autorzy podkreślają zatem, że przedstawione wyniki należy traktować wyłącznie jako ocenę biomechaniczną wymagającą dalszej weryfikacji w badaniach eksperymentalnych i klinicznych.

W zakresie przejrzystości badania autorzy informują o uzyskaniu zgody odpowiednich komisji bioetycznych oraz świadomej zgody pacjenta na wykorzystanie danych z tomografii komputerowej. W udostępnionych materiałach nie wskazano konfliktów interesów ani powiązań finansowych z producentami systemów implantologicznych.

9. Najważniejsze informacje o badaniu

• Rodzaj badania: Przedkliniczne badanie in silico z wykorzystaniem trójwymiarowej analizy metodą elementów skończonych (FEA).
• Poziom wiarygodności: Przedkliniczne badanie modelowania komputerowego.
• Badana populacja: Indywidualny model anatomiczny pacjenta z ciężkim zanikiem szczęki (klasa V według Cawooda i Howella).
• Liczba pacjentów: 1.
• Analizowane konfiguracje implantów: Cztery modele łączące dwie grubości ramy implantu (1,0 mm i 1,5 mm) oraz dwie średnice śrub mocujących (1,5 mm i 2,0 mm).
• Okres obserwacji: Nie dotyczy.
• Główny oceniany parametr: Wpływ grubości ramy implantu i średnicy śrub na rozkład naprężeń oraz całkowite przemieszczenie układu.
• Najważniejszy wynik: Większa grubość ramy i większa średnica śrub zmniejszały obciążenie kości oraz zwiększały stabilność mechaniczną, jednocześnie powodując większą koncentrację naprężeń w implancie i metalowej konstrukcji protetycznej.
• Wniosek naukowy: Geometria implantu, średnica śrub mocujących oraz sztywność materiału CFR-PEEK mają istotny wpływ na biomechaniczne właściwości indywidualnych implantów podokostnowych.
• Główne ograniczenia: Model oparty na anatomii jednego pacjenta, uproszczone właściwości materiałów oraz brak walidacji eksperymentalnej i klinicznej.

10. Znaczenie naukowe

Badanie wnosi istotny wkład do wiedzy dotyczącej indywidualnie projektowanych implantów podokostnowych, analizując jednocześnie dwa parametry konstrukcyjne, które dotychczas rzadko były oceniane łącznie: grubość ramy implantu oraz średnicę śrub mocujących. Uzyskane wyniki pokazują, że biomechaniczne właściwości implantu zależą nie tylko od zastosowanego biomateriału, ale również od geometrii całej konstrukcji oraz sposobu przenoszenia obciążeń funkcjonalnych.

Praca dostarcza również nowych danych dotyczących potencjalnego zastosowania CFR-PEEK wzmacnianego w 60% włóknami węglowymi jako materiału do wykonywania spersonalizowanych implantów podokostnowych. Symulacje sugerują, że materiał ten może ograniczać naprężenia przekazywane do kości przy zachowaniu odpowiedniej stabilności mechanicznej. Jednocześnie autorzy wskazują, że optymalizacja biomechaniczna wymaga równoczesnego uwzględnienia zarówno właściwości materiału, jak i parametrów konstrukcyjnych implantu.

Chociaż badanie nie dostarcza dowodów skuteczności klinicznej, przedstawia wartościowe dane ilościowe, które mogą stanowić podstawę dla dalszego rozwoju cyfrowo projektowanych implantów podokostnowych. Wyniki te wyznaczają również kierunek przyszłych badań laboratoryjnych oraz prospektywnych badań klinicznych, których celem będzie ocena, czy obserwowane korzyści biomechaniczne przekładają się na lepsze wyniki leczenia w praktyce klinicznej.

11. Podsumowanie redakcyjne

Przedstawione badanie przedkliniczne, oparte na trójwymiarowej analizie metodą elementów skończonych, wskazuje, że grubość konstrukcji implantu oraz średnica śrub mocujących odgrywają kluczową rolę w biomechanicznym zachowaniu indywidualnych implantów podokostnowych wykonanych z CFR-PEEK. Symulacje sugerują, że zwiększenie obu parametrów poprawia stabilność mechaniczną oraz zmniejsza obciążenie przenoszone na kość, jednocześnie powodując większą koncentrację naprężeń w samym implancie i jego metalowej konstrukcji. Wyniki te stanowią cenny wkład w rozwój cyfrowego projektowania implantów podokostnowych, jednak – ze względu na przedkliniczny charakter pracy – wymagają potwierdzenia w badaniach eksperymentalnych i klinicznych przed ich wdrożeniem do rutynowej praktyki implantologicznej.