Analiza prin metoda elementelor finite a comportamentului biomecanic al implanturilor subperiostale proiectate digital din titan, PEEK modificat și PEKK pentru reabilitarea maxilarului superior atrofiat

Mohammed A. El-Sawy, Basin El-Khatib, Hesham S. Borg, Mohamed T. Khater.

Full text link: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40640731/ 

Analiza prin metoda elementelor finite a comportamentului biomecanic al implanturilor subperiostale proiectate digital din titan, PEEK modificat și PEKK pentru reabilitarea maxilarului superior atrofiat

1. Referință științifică

• Titlul studiului: Biomechanical effects of digitally constructed titanium, modified polyetheretherketone, and polyetherketoneketone subperiosteal implants on atrophied maxilla: a finite element analysis.
• Autori: Mohammed A. El-Sawy, Basin El-Khatib, Hesham S. Borg, Mohamed T. Khater.
• Revistă: BMC Oral Health
• Anul publicării: 2025.
• DOI: 10.1186/s12903-025-06426-z.

2. Context științific

Reabilitarea implanto-protetică a pacienților cu atrofie severă a maxilarului superior reprezintă una dintre cele mai dificile provocări ale implantologiei orale moderne. Atunci când volumul osos rezidual este insuficient pentru inserarea implanturilor endoosoase convenționale, este necesară utilizarea unor proceduri reconstructive complexe, precum augmentarea osoasă, sinus lift-ul sau implanturile zigomatice. Deși aceste tehnici au extins considerabil posibilitățile terapeutice, ele sunt asociate, în general, cu o morbiditate chirurgicală mai mare, un timp de tratament prelungit și o complexitate clinică crescută.

Progresele în planificarea digitală, tehnologiile CAD/CAM și fabricația aditivă au readus în atenție implanturile subperiostale personalizate. Spre deosebire de modelele istorice, implanturile actuale sunt proiectate complet digital și pot fi adaptate cu mare precizie anatomiei individuale a fiecărui pacient. Această abordare oferă o alternativă terapeutică promițătoare pentru pacienții cu atrofie maxilară severă la care tratamentele implantare convenționale sunt limitate sau contraindicate.

În acest context, alegerea materialului utilizat pentru realizarea implantului devine un factor determinant al performanței biomecanice. Titanul rămâne materialul de referință datorită proprietăților sale mecanice excelente și dovezilor clinice solide acumulate de-a lungul deceniilor. În paralel, polimerii de înaltă performanță, precum PEEK modificat (BioHPP) și PEKK, au atras un interes tot mai mare datorită modulului lor de elasticitate apropiat de cel al osului cortical. Studiul analizat a urmărit evaluarea influenței acestor materiale asupra distribuției tensiunilor mecanice în maxilarul superior atrofiat supus încărcărilor funcționale.

3. Obiectivul studiului

Scopul cercetării a fost evaluarea influenței biomecanice a diferitelor materiale utilizate atât pentru cadrul implantului subperiostal, cât și pentru suprastructura protetică la pacienții cu atrofie severă a maxilarului superior.

Prin utilizarea analizei prin metoda elementelor finite (Finite Element Analysis – FEA), autorii au comparat titanul, PEEK modificat și PEKK în nouă combinații diferite de materiale, analizând efectele acestora asupra distribuției tensiunilor în osul de susținere, șuruburile de fixare, stratul de ciment și componentele protetice în condiții de încărcare relevante din punct de vedere clinic.

4. Metodologie

Acest studiu este o cercetare preclinică bazată pe analiza prin metoda elementelor finite (Finite Element Analysis – FEA), concepută pentru evaluarea comportamentului biomecanic al implanturilor subperiostale personalizate. Un model tridimensional digital al unui maxilar superior atrofiat a fost realizat pe baza imaginilor obținute prin tomografie computerizată (CT), ulterior prelucrat printr-un flux complet digital CAD și analizat cu ajutorul software-ului ANSYS. Fiabilitatea modelului numeric a fost verificată prin comparație cu studii biomecanice publicate anterior.

Implantul subperiostal personalizat a fost fixat cu douăsprezece minișuruburi din titan cu diametrul de 2 mm și lungimi de 5, 7 și 9 mm, selectate în funcție de particularitățile anatomice ale maxilarului superior. Atât cadrul implantului, cât și suprastructura protetică au fost modelate utilizând titan, PEEK modificat (BioHPP) și PEKK, rezultând nouă combinații distincte de materiale pentru comparația biomecanică.

Au fost simulate trei protocoale de încărcare funcțională:

• încărcare verticală bilaterală posterioară de 200 N;
• încărcare oblică bilaterală posterioară de 100 N, aplicată la un unghi de 30°;
• încărcare verticală anterioară de 150 N, distribuită la nivelul incisivilor.

Evaluarea biomecanică a inclus analiza tensiunilor Von Mises, a tensiunilor principale și a deplasărilor produse în implant, suprastructura protetică și osul înconjurător.

5. Rezultatele principale

Simulările realizate prin analiza cu elemente finite au evidențiat diferențe biomecanice semnificative între materialele evaluate. În toate scenariile de încărcare, implanturile subperiostale realizate din titan au prezentat cel mai favorabil comportament biomecanic, transferând cele mai reduse niveluri de tensiune către osul de susținere și către șuruburile de fixare. Acest avantaj a fost deosebit de evident în timpul încărcării aplicate în regiunea anterioară, considerată de autori cea mai solicitantă situație din punct de vedere mecanic.

Cele mai mici valori ale tensiunilor osoase au fost observate constant în modelele în care cadrul implantului subperiostal era realizat din titan. PEEK modificat a generat cele mai ridicate concentrații de tensiune la nivelul osului, în timp ce PEKK a prezentat un comportament intermediar. În cazul încărcării verticale aplicate incisivilor, titanul a fost singurul material care a menținut valorile tensiunilor osoase sub pragurile fiziologice discutate de autori, în timp ce ambele materiale polimerice au produs valori considerabil mai mari.

Un comportament similar a fost observat la nivelul stratului de ciment. Configurațiile realizate din titan au prezentat cele mai reduse concentrații de tensiune atât în condițiile încărcărilor posterioare, cât și ale celor anterioare, în timp ce PEEK modificat a generat cele mai ridicate valori. Autorii subliniază că încărcarea regiunii frontale reprezintă cea mai nefavorabilă situație pentru interfața cimentată și poate crește teoretic riscul de decimentare atunci când sunt utilizate materiale cu rigiditate mai redusă.

În mod interesant, titanul a prezentat cele mai mari tensiuni interne în propria structură protetică. Acest rezultat nu trebuie interpretat ca un dezavantaj, ci ca o consecință a rigidității sale ridicate. Prin absorbția unei părți importante din încărcările funcționale, titanul reduce transmiterea solicitărilor mecanice către os, stratul de ciment și elementele de fixare. În schimb, PEEK modificat și PEKK, deși absorb o parte din energie datorită modulului lor de elasticitate mai redus, distribuie forțele ocluzale într-un mod mai puțin favorabil din punct de vedere biomecanic.

Valorile tensiunilor înregistrate la nivelul minișuruburilor din titan au rămas în limite considerate sigure în toate scenariile de încărcare analizate. Deși utilizarea structurilor polimerice a determinat o creștere a tensiunilor în șuruburile de fixare, în special în timpul încărcării anterioare, acestea au rămas sub limitele mecanice de siguranță. În plus, toate configurațiile investigate au prezentat deformări compatibile cu limitele fiziologice ale modelului, fără indicii privind apariția unui risc de cedare structurală în condițiile analizate.

6. Analiză clinică

Acest studiu aduce o contribuție importantă la înțelegerea comportamentului biomecanic al implanturilor subperiostale personalizate realizate prin tehnologii digitale, un domeniu aflat într-o dezvoltare rapidă în implantologia orală modernă. Spre deosebire de numeroase cercetări anterioare, care au evaluat separat diferite componente ale sistemului implantar, autorii au analizat simultan influența materialului utilizat atât pentru cadrul implantului subperiostal, cât și pentru suprastructura protetică. Această abordare oferă o imagine mai completă asupra comportamentului mecanic al întregii reabilitări implanto-protetice.

Rezultatele demonstrează că rigiditatea materialului reprezintă un factor determinant în distribuția solicitărilor biomecanice. Titanul a prezentat cea mai favorabilă performanță prin faptul că a concentrat o parte importantă din tensiuni în propria structură, reducând în același timp solicitările transmise osului de susținere, șuruburilor de fixare și stratului de ciment. Din perspectivă biomecanică, acest comportament este avantajos, deoarece protejarea structurilor biologice este mai importantă decât reducerea tensiunilor interne într-un material metalic cu rezistență mecanică foarte ridicată.

PEEK modificat și PEKK au prezentat un comportament diferit. Modulul lor de elasticitate mai redus conferă o capacitate mai mare de deformare și absorbție a energiei, caracteristici care, la prima vedere, ar putea părea benefice. Totuși, simulările au arătat că această flexibilitate crescută determină și o transmitere mai mare a tensiunilor către osul de susținere și către elementele de fixare, în special în timpul încărcărilor aplicate în regiunea anterioară, unde predomină solicitările de încovoiere. Aceste rezultate sugerează că polimerii de înaltă performanță nu trebuie considerați înlocuitori direcți ai titanului, ci materiale a căror indicație trebuie adaptată particularităților funcționale ale fiecărui caz clinic.

Autorii subliniază că aceste concluzii trebuie interpretate în contextul limitărilor specifice simulărilor numerice. Analiza prin metoda elementelor finite permite descrierea detaliată a distribuției tensiunilor, însă nu reproduce procese biologice precum remodelarea osoasă, osteointegrarea, variațiile individuale ale calității osoase, parafuncțiile sau comportamentul pe termen lung al materialelor. Prin urmare, rezultatele reprezintă un instrument valoros pentru optimizarea planificării biomecanice, dar nu constituie dovezi clinice definitive privind superioritatea unui anumit material.

7. Aplicații clinice

Rezultatele acestei cercetări pot sprijini medicii în planificarea digitală a reabilitărilor implanto-protetice cu implanturi subperiostale personalizate la pacienții cu atrofie severă a maxilarului superior. Pe baza simulărilor biomecanice, titanul rămâne materialul de referință pentru cazurile în care sunt anticipate forțe masticatorii ridicate, reabilitări fixe totale sau prezența unei dentiții naturale antagoniste. Capacitatea sa de a reduce transmiterea solicitărilor către os și către elementele de fixare îl recomandă ca soluție preferențială în aceste situații clinice.

PEKK și PEEK modificat pot reprezenta alternative în situații atent selecționate, caracterizate prin solicitări funcționale mai reduse. Autorii sugerează că aceste materiale ar putea fi luate în considerare la pacienții cu forță masticatorie diminuată, proteză totală în arcada antagonistă sau în anumite reabilitări ale sectorului anterior. Totuși, aceste recomandări se bazează exclusiv pe simulări biomecanice și necesită confirmare prin studii experimentale și cercetări clinice prospective înainte de a putea fi integrate în practica implantologică de rutină.

8. Nivelul dovezilor, limitări și transparență

Lucrarea reprezintă un studiu preclinic bazat pe analiza prin metoda elementelor finite (Finite Element Analysis – FEA). Deși această metodă este recunoscută la nivel internațional ca un instrument fiabil pentru evaluarea biomecanică a sistemelor implantare, ea nu poate înlocui studiile clinice efectuate pe pacienți. Simulările numerice permit analiza detaliată a distribuției tensiunilor în condiții controlate, însă nu pot prezice supraviețuirea implanturilor, răspunsul biologic al țesuturilor sau rezultatele clinice pe termen lung. Prin urmare, concluziile acestui studiu trebuie considerate dovezi biomecanice teoretice, utile pentru optimizarea proiectării implanturilor și pentru alegerea materialelor, dar nu ca o demonstrație definitivă a superiorității clinice a unui anumit biomaterial.

Autorii evidențiază mai multe limitări metodologice. Modelul numeric a fost construit pe baza anatomiei unui singur maxilar superior atrofiat, ceea ce limitează posibilitatea extrapolării rezultatelor la întreaga populație. În plus, toate materialele au fost considerate izotrope, omogene și liniar elastice, o simplificare frecvent utilizată în studiile FEA, dar care nu reflectă în totalitate comportamentul mecanic complex al țesutului osos și al polimerilor de înaltă performanță analizați.

O altă limitare importantă constă în faptul că au fost simulate exclusiv încărcări statice. Studiul nu a inclus efectele oboselii materialelor, ale solicitărilor masticatorii ciclice, remodelării osoase, osteointegrării, parafuncțiilor sau variațiilor individuale ale calității osoase, factori care pot influența semnificativ comportamentul clinic al implanturilor pe termen lung. De asemenea, rezultatele nu au fost validate prin experimente de laborator sau prin studii clinice prospective, ceea ce face necesare cercetări suplimentare pentru confirmarea concluziilor prezentate.

În ceea ce privește transparența științifică, autorii declară absența conflictelor de interese. Publicarea în regim Open Access a fost susținută de Science, Technology & Innovation Funding Authority (STDF) în colaborare cu Egyptian Knowledge Bank (EKB). Totodată, autorii precizează că studiul nu a beneficiat de finanțare specifică din partea instituțiilor publice, companiilor private sau organizațiilor non-profit.

9. Punctele-cheie ale studiului

• Tipul studiului: analiză preclinică prin metoda elementelor finite (Finite Element Analysis – FEA).
• Nivelul dovezilor: studiu biomecanic bazat pe modelare computerizată.
• Model experimental: model tridimensional al unui maxilar superior atrofiat obținut din imagini CT.
• Numărul de pacienți: un singur model anatomic utilizat pentru simulare.
• Numărul configurațiilor analizate: nouă combinații de materiale bazate pe titan, PEEK modificat (BioHPP) și PEKK.
• Perioada de urmărire: nu se aplică.
• Obiectiv principal: evaluarea distribuției tensiunilor în os, șuruburile de fixare, stratul de ciment și componentele implantare și protetice în diferite condiții de încărcare.
• Rezultatul principal: titanul a prezentat cel mai favorabil comportament biomecanic, reducând în mod constant solicitările transmise osului și componentelor de fixare.
• Concluzia autorilor: titanul rămâne materialul de referință pentru implanturile subperiostale personalizate, în timp ce PEKK și PEEK modificat pot reprezenta alternative în indicații clinice atent selecționate.
• Limitări majore: utilizarea unui singur model anatomic, simplificarea proprietăților materialelor, simularea exclusivă a încărcărilor statice și lipsa validării experimentale și clinice.

10. Impactul științific

Acest studiu reprezintă o contribuție importantă la literatura dedicată implanturilor subperiostale personalizate proiectate prin tehnologii digitale. Spre deosebire de numeroase cercetări anterioare, concentrate asupra unor materiale sau componente individuale, lucrarea analizează simultan influența materialului utilizat atât pentru cadrul implantului subperiostal, cât și pentru suprastructura protetică asupra comportamentului biomecanic al întregii reabilitări. Această abordare oferă o perspectivă mai cuprinzătoare asupra relației dintre proprietățile materialelor și distribuția solicitărilor mecanice în sistemele implantare personalizate.

Rezultatele consolidează poziția titanului ca material de referință pentru implanturile subperiostale destinate tratării atrofiei severe a maxilarului superior. În același timp, studiul extinde cunoștințele privind comportamentul biomecanic al materialelor inovatoare, precum PEEK modificat și PEKK. În loc să fie prezentate ca înlocuitori direcți ai titanului, aceste biomateriale sunt descrise ca opțiuni complementare, a căror utilizare trebuie adaptată nivelului solicitărilor funcționale și caracteristicilor fiecărui pacient. Această abordare susține dezvoltarea unei implantologii digitale personalizate, bazate pe selecția individualizată a materialelor.

Autorii subliniază, de asemenea, necesitatea unor cercetări suplimentare. Studii experimentale, teste de oboseală, evaluări biologice și studii clinice prospective sunt indispensabile pentru a determina dacă avantajele biomecanice observate în simulările numerice se traduc într-o performanță clinică superioară și într-o durabilitate crescută a reabilitărilor implantare pe termen lung.

11. Concluzie editorială

Această analiză prin metoda elementelor finite oferă o evaluare detaliată a comportamentului biomecanic al implanturilor subperiostale proiectate digital din titan, PEEK modificat și PEKK pentru reabilitarea maxilarului superior atrofiat. În limitele inerente unui model numeric, titanul a demonstrat cele mai favorabile proprietăți biomecanice, reducând în mod constant transmiterea tensiunilor către osul de susținere, șuruburile de fixare și stratul de ciment. Deși PEEK modificat și PEKK reprezintă biomateriale moderne cu un potențial considerabil, utilizarea lor clinică pe scară largă necesită validare prin studii experimentale și cercetări clinice prospective. În ansamblu, acest studiu constituie o contribuție valoroasă la dezvoltarea implantologiei digitale personalizate și evidențiază importanța selecției adecvate a materialelor pentru optimizarea comportamentului biomecanic și creșterea predictibilității tratamentelor cu implanturi subperiostale.