Abordare bazată pe submodelare pentru analiza interacțiunii dintre șuruburile de fixare și os în structurile implanturilor subperiostale fabricate prin tehnologia de fabricație aditivă

Gabriel Castrillo, Alberto Carnicero, Ricardo Perera

Full text link: http://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36541118/

Abordare bazată pe submodelare pentru analiza interacțiunii dintre șuruburile de fixare și os în structurile implanturilor subperiostale fabricate prin tehnologia de fabricație aditivă

1. Referință științifică

• Titlul studiului: Submodelling Approach to Screw-to-Bone Interaction in Additively Manufactured Subperiosteal Implant Structures
• Autori: Gabriel Castrillo, Alberto Carnicero, Ricardo Perera
• Revista științifică: Communications in Numerical Methods in Engineering
• Anul publicării: 2022
• DOI:1002/cnm.3672

2. Context științific

Tratamentul pacienților cu atrofie maxilară severă reprezintă în continuare una dintre cele mai complexe provocări din implantologia orală modernă. Dezvoltarea fluxurilor digitale, a tehnologiilor CAD/CAM și a fabricației aditive a permis realizarea implanturilor subperiostale personalizate, adaptate anatomiei fiecărui pacient și destinate reabilitării orale în situațiile în care volumul osos este insuficient pentru implanturile endoosoase convenționale.

Deși interesul pentru aceste soluții personalizate este în continuă creștere, majoritatea studiilor biomecanice s-au concentrat asupra rezistenței mecanice a structurii implantului. În schimb, interacțiunea dintre șuruburile de fixare și osul maxilar a fost investigată într-o măsură mai redusă, deși această interfață joacă un rol esențial în stabilitatea primară și în transmiterea încărcărilor funcționale. În acest context, studiul propune o metodă numerică menită să modeleze această interacțiune cu un nivel superior de precizie, fără a crește semnificativ costurile de calcul.

3. Obiectivul studiului

Scopul principal al studiului a fost dezvoltarea și evaluarea unei metodologii bazate pe analiza cu elemente finite (Finite Element Analysis – FEA), capabilă să descrie mai fidel interacțiunea mecanică dintre șuruburile de fixare și osul maxilar în cazul implanturilor subperiostale fabricate prin tehnologia de fabricație aditivă. Autorii au analizat, de asemenea, modul în care modelarea detaliată a acestei interfețe influențează deplasările structurii, forțele de reacție și distribuția tensiunilor mecanice, precum și efectul osteointegrării complete asupra comportamentului biomecanic al ansamblului.

4. Metodologie

Acesta este un studiu preclinic de modelare computațională, bazat pe analiza cu elemente finite (FEA). Autorii au utilizat o strategie de submodelare, combinând un model global al implantului subperiostal personalizat cu un model local de înaltă rezoluție, concentrat asupra interfeței dintre filetul șuruburilor de fixare și țesutul osos.

Această abordare a permis reprezentarea detaliată a geometriei filetului fără a crește semnificativ complexitatea și timpul necesar simulărilor numerice. Au fost comparate mai multe scenarii, incluzând modele cu reprezentare explicită a contactului șurub-os și modele simplificate. De asemenea, a fost evaluat impactul osteointegrării complete asupra comportamentului mecanic al sistemului.

Principalele variabile analizate au fost deplasările structurii implantului, forțele de reacție și distribuția tensiunilor în implant, osul cortical și osul trabecular.

Rezumatul disponibil nu precizează numărul modelelor analizate, condițiile exacte de încărcare sau alți parametri specifici ai simulărilor.

5. Rezultatele principale

Simulările numerice au demonstrat că reprezentarea explicită a interacțiunii dintre șuruburile de fixare și os influențează semnificativ comportamentul biomecanic comparativ cu modelele simplificate. Atât deplasările structurii implantului, cât și forțele de reacție au prezentat diferențe importante atunci când geometria filetului și contactul cu osul au fost modelate în detaliu.

Cele mai ridicate concentrații de tensiune au fost observate la nivelul osului cortical, unde valorile calculate s-au apropiat de limita maximă de rezistență menționată de autori. În schimb, osul trabecular a avut o influență limitată asupra comportamentului mecanic global în condițiile simulate. În ceea ce privește structura implantului, tensiunile calculate au rămas sub limita de oboseală utilizată în studiu, sugerând un comportament mecanic favorabil în condițiile analizate.

Compararea modelelor înainte și după simularea osteointegrării complete a evidențiat o reducere a tensiunilor la interfața implant-os după realizarea osteointegrării. În plus, autorii au constatat că geometria inițială a filetului șuruburilor influențează în mod semnificativ distribuția tensiunilor în osul cortical, subliniind importanța reprezentării precise a acestui element geometric în modelele biomecanice ale implanturilor subperiostale personalizate.

6. Analiză clinică

Acest studiu nu furnizează dovezi clinice directe, însă aduce o contribuție metodologică importantă la înțelegerea comportamentului biomecanic al implanturilor subperiostale personalizate. Rezultatele sugerează că simplificarea modelării interfeței dintre șurub și os poate modifica estimările privind deplasările și distribuția tensiunilor, influențând astfel interpretarea analizelor cu elemente finite utilizate în procesul de proiectare a acestor dispozitive.

Unul dintre cele mai relevante rezultate este rolul predominant al osului cortical în transmiterea solicitărilor mecanice. Tensiunile calculate în această regiune se apropie de valorile maxime de rezistență raportate de autori, evidențiind importanța unei ancorări corticale eficiente în planificarea implanturilor subperiostale destinate pacienților cu atrofie maxilară severă. În schimb, osul trabecular a avut o contribuție biomecanică redusă în modelul analizat. Totuși, această observație trebuie interpretată exclusiv în contextul ipotezelor utilizate în simulare și nu poate fi extrapolată direct la toate situațiile clinice.

Studiul arată, de asemenea, că osteointegrarea completă este asociată cu reducerea tensiunilor mecanice la interfața implant-os. Deși această concluzie provine exclusiv din simulări numerice, ea evidențiază importanța includerii proceselor biologice în dezvoltarea viitoarelor modele biomecanice.

Autorii demonstrează, în plus, că geometria filetului șuruburilor influențează semnificativ distribuția tensiunilor în osul cortical. Acest rezultat sugerează că acest parametru nu ar trebui simplificat în modelele numerice utilizate pentru optimizarea implanturilor subperiostale personalizate. Având în vedere caracterul exclusiv computațional al studiului, sunt necesare cercetări experimentale și studii clinice pentru confirmarea acestor rezultate.

7. Aplicații clinice

Metodologia propusă poate fi utilă inginerilor, medicilor implantologi și cercetătorilor implicați în proiectarea digitală a implanturilor subperiostale personalizate destinate tratării atrofiei maxilare severe. O modelare mai fidelă a interacțiunii dintre șuruburile de fixare și os poate îmbunătăți calitatea analizelor biomecanice realizate în timpul planificării digitale și al proceselor de fabricație bazate pe CAD/CAM și tehnologia de fabricație aditivă.

Această abordare poate constitui, de asemenea, baza unor cercetări viitoare privind optimizarea designului implanturilor, a strategiilor de fixare și a protocoalelor de simulare numerică. Cu toate acestea, datele disponibile nu demonstrează un beneficiu clinic direct și nu justifică modificarea protocoalelor chirurgicale actuale. Sunt necesare studii experimentale și investigații clinice pentru validarea aplicabilității clinice a acestei metodologii.

8. Nivelul dovezilor, limitări și transparență

Acest articol reprezintă un studiu preclinic de simulare computațională, bazat pe analiza cu elemente finite (FEA). Prin urmare, nivelul dovezilor este limitat la cercetarea biomecanică și nu permite formularea unor concluzii directe privind eficacitatea clinică sau comportamentul pe termen lung al implanturilor subperiostale fabricate prin tehnologia de fabricație aditivă.

Unul dintre principalele puncte forte ale studiului este dezvoltarea unei strategii de submodelare care permite analiza foarte detaliată a interfeței dintre șurub și os, reducând în același timp costurile computaționale ale simulărilor. Această metodologie reprezintă o contribuție importantă la perfecționarea evaluărilor biomecanice ale implanturilor personalizate.

Cu toate acestea, informațiile disponibile nu menționează validarea experimentală a modelului și nici compararea acestuia cu rezultate clinice. De asemenea, nu sunt descrise analize de sensibilitate sau alte proceduri de validare. Ca în orice analiză cu elemente finite, rezultatele depind de ipotezele modelului, proprietățile materialelor și condițiile de simulare utilizate. Rezumatul disponibil nu conține informații privind sursele de finanțare sau eventualele conflicte de interese ale autorilor.

9. Punctele-cheie ale studiului

• Tipul studiului: Studiu preclinic de simulare computațională prin analiza cu elemente finite (FEA).
• Nivelul dovezilor: Cercetare preclinică bazată pe modelare numerică.
• Populația sau numărul modelelor analizate: Nespecificat în informațiile disponibile.
• Numărul de pacienți sau implanturi:
• Durata urmăririi: Nu se aplică / nespecificată.
• Obiectivul principal: Evaluarea influenței interacțiunii dintre șuruburile de fixare și os asupra comportamentului biomecanic al structurilor implanturilor subperiostale fabricate prin tehnologia de fabricație aditivă.
• Rezultatul principal: Modelarea detaliată a interfeței șurub-os modifică semnificativ deplasările, forțele de reacție și distribuția tensiunilor, osul cortical fiind regiunea cea mai solicitată mecanic.
• Concluzia științifică: Strategia de submodelare permite o evaluare biomecanică mai realistă a interfeței implant-os și evidențiază importanța reprezentării precise a geometriei filetului șuruburilor.
• Limitări: Studiu exclusiv computațional; lipsa unei validări clinice sau experimentale descrise; numeroase detalii metodologice nu sunt prezentate în rezumatul disponibil.

10. Impact științific

Acest studiu contribuie la extinderea cunoștințelor privind biomecanica implanturilor subperiostale personalizate prin concentrarea asupra interacțiunii mecanice dintre șuruburile de fixare și os. În timp ce majoritatea cercetărilor anterioare s-au axat pe rezistența structurii implantului, această lucrare demonstrează că reprezentarea detaliată a interfeței șurub-os poate influența semnificativ rezultatele analizelor numerice.

Principala contribuție a studiului constă în metodologia propusă. Strategia de submodelare permite obținerea unei precizii locale ridicate, menținând în același timp un consum rezonabil de resurse computaționale, ceea ce o face deosebit de relevantă pentru dezvoltarea implanturilor personalizate în cadrul fluxurilor digitale și al fabricației aditive.

Deși studiul nu oferă dovezi clinice suficiente pentru modificarea protocoalelor terapeutice, el constituie o bază metodologică solidă pentru viitoare cercetări experimentale și clinice. În plus, evidențiază importanța geometriei filetului șuruburilor și a comportamentului biomecanic al osului cortical în proiectarea noilor generații de implanturi subperiostale personalizate.

11. Concluzie editorială

Acest studiu preclinic prezintă o metodologie inovatoare pentru analiza interacțiunii biomecanice dintre șuruburile de fixare și os în implanturile subperiostale fabricate prin tehnologia de fabricație aditivă. Rezultatele arată că o modelare mai precisă a interfeței șurub-os poate îmbunătăți înțelegerea distribuției tensiunilor mecanice, în special la nivelul osului cortical. Deși reprezintă o contribuție metodologică importantă la dezvoltarea implanturilor personalizate realizate prin fluxuri digitale, concluziile trebuie interpretate cu prudență și confirmate prin studii experimentale și clinice înainte de aplicarea lor în practica medicală.