Efectul biomecanic al grosimii implantului și al diametrului șuruburilor asupra implanturilor subperiostale din CFR-PEEK: o analiză tridimensională prin metoda elementelor finite

Eda Etik, Basak Keskin Yalcin

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

Efectul biomecanic al grosimii implantului și al diametrului șuruburilor asupra implanturilor subperiostale din CFR-PEEK: o analiză tridimensională prin metoda elementelor finite

1. Referință științifică

• Titlul studiului: Biomechanical effect of implant thickness and screw diameter on CFR-PEEK subperiosteal implants: a three-dimensional finite element analysis
• Autori: Eda Etik, Basak Keskin Yalcin
• Revista științifică: Scientific Reports
• Anul publicării: 2026
• DOI: 10.1038/s41598-026-49671-0

2. Context științific

Reabilitarea implanto-protetică a pacienților cu atrofie severă a maxilarului reprezintă în continuare una dintre cele mai dificile provocări din implantologia orală modernă. Atunci când volumul osos disponibil nu permite inserarea implanturilor endoosoase convenționale, este necesară utilizarea unor soluții terapeutice alternative. Progresele în imagistica tridimensională, planificarea digitală și tehnologiile CAD/CAM au readus în atenție implanturile subperiostale personalizate, oferind posibilitatea adaptării acestora la particularitățile anatomice ale fiecărui pacient.

Pe lângă dezvoltarea fluxurilor digitale, alegerea biomaterialului are un rol determinant în comportamentul biomecanic al sistemului implantar. Polieteretercetona ranforsată cu fibre de carbon (CFR-PEEK) este considerată un material promițător datorită rezistenței sale mecanice ridicate și modulului de elasticitate mai apropiat de cel al țesutului osos comparativ cu aliajele metalice utilizate în mod tradițional. Cu toate acestea, există încă puține date privind influența unor parametri constructivi, precum grosimea structurii implantului și diametrul șuruburilor de fixare, asupra distribuției solicitărilor mecanice. Studiul de față investighează această problematică utilizând o analiză tridimensională prin metoda elementelor finite.

3. Obiectivul studiului

Scopul principal al acestei cercetări a fost evaluarea influenței grosimii structurii implantului subperiostal și a diametrului șuruburilor de fixare asupra comportamentului biomecanic al implanturilor personalizate fabricate din CFR-PEEK ranforsat cu 60% fibre de carbon.

Autorii au comparat mai multe configurații implantare pentru a analiza modul în care aceste variabile geometrice influențează distribuția tensiunilor mecanice, deformarea globală a sistemului și transferul forțelor dintre implant și osul de susținere.

4. Metodologie

Acest studiu este o cercetare preclinică in silico, realizată prin intermediul unei analize tridimensionale prin metoda elementelor finite (Finite Element Analysis – FEA). Modelul anatomic a fost reconstruit pe baza imaginilor obținute prin tomografie computerizată de la un pacient diagnosticat cu atrofie severă a maxilarului, clasificată ca Clasa V conform clasificării Cawood și Howell. Reconstrucția tridimensională a constituit baza proiectării unui implant subperiostal complet personalizat.

Au fost dezvoltate patru configurații implantare diferite prin combinarea a două grosimi ale structurii implantului (1,0 mm și 1,5 mm) cu două diametre ale șuruburilor de fixare (1,5 mm și 2,0 mm). Structura principală a implantului a fost modelată utilizând CFR-PEEK ranforsat cu 60% fibre de carbon, în timp ce șuruburile, bonturile protetice și infrastructura metalică au fost definite folosind proprietățile mecanice ale titanului.

Pentru simularea condițiilor funcționale au fost aplicate trei scenarii de încărcare: o încărcare verticală bilaterală în regiunea posterioară, o încărcare oblică unilaterală în aceeași zonă și o încărcare verticală bilaterală în regiunea anterioară. Parametrii analizați au inclus deplasarea totală a sistemului, tensiunile principale maxime și minime din os, precum și tensiunile echivalente Von Mises la nivelul implantului, bonturilor și infrastructurii metalice. Fiind vorba despre un studiu exclusiv computațional, nu a fost realizată o perioadă de urmărire clinică.

5. Rezultatele principale

Simulările numerice au demonstrat că geometria implantului influențează în mod semnificativ comportamentul biomecanic al întregului sistem implantar. Creșterea grosimii structurii de la 1,0 mm la 1,5 mm a determinat o reducere constantă a deplasării totale a ansamblului în toate scenariile de încărcare analizate, ceea ce indică o rigiditate mecanică superioară. În același timp, s-a observat o diminuare a tensiunilor de tracțiune și compresiune transmise către osul înconjurător, în special la nivelul crestei alveolare posterioare, regiunea supusă celor mai mari solicitări funcționale în timpul simulărilor.

O tendință similară a fost evidențiată prin creșterea diametrului șuruburilor de fixare de la 1,5 mm la 2,0 mm. Șuruburile cu diametru mai mare au favorizat o distribuție mai uniformă a forțelor funcționale, reducând concentrațiile de tensiune atât la nivelul osului, cât și al implantului subperiostal. Totuși, această îmbunătățire biomecanică a fost însoțită de o creștere a tensiunilor în infrastructura metalică protetică, ceea ce sugerează o redistribuire a solicitărilor către componentele cu rigiditate mai mare, fără eliminarea completă a acestora.

Dintre cele trei scenarii de încărcare evaluate, solicitările aplicate în regiunea posterioară au generat cele mai ridicate valori ale tensiunilor. În schimb, încărcarea verticală în sectorul anterior a produs niveluri mai reduse de stres și un model diferit de distribuție, localizat în principal în jurul aperturii piriforme și al planșeului foselor nazale. Simulările au arătat, de asemenea, că CFR-PEEK ranforsat cu 60% fibre de carbon, datorită modulului său ridicat de elasticitate, reduce tensiunile transmise către țesutul osos, însă concentrează o parte mai mare din solicitările mecanice în corpul implantului și în infrastructura metalică. Autorii concluzionează că toate configurațiile investigate îndeplinesc cerințele biomecanice esențiale pentru implanturile subperiostale personalizate, subliniind totodată că aceste rezultate provin exclusiv din simulări numerice și necesită validare experimentală și clinică.

6. Analiză clinică

Acest studiu oferă informații importante privind influența parametrilor de proiectare asupra comportamentului biomecanic al implanturilor subperiostale personalizate. Rezultatele evidențiază faptul că performanța mecanică a unui astfel de sistem nu depinde exclusiv de biomaterialul utilizat, ci și de geometria implantului și de caracteristicile sistemului de fixare. Chiar și modificări relativ reduse ale grosimii structurii sau ale diametrului șuruburilor pot influența semnificativ modul în care forțele masticatorii sunt distribuite între implant, os și componentele protetice.

Creșterea grosimii structurii implantului a determinat o rigiditate mai mare a ansamblului și o reducere a deformării sub încărcare funcțională. Din punct de vedere biomecanic, limitarea deplasărilor poate favoriza o distribuție mai uniformă a forțelor și poate reduce concentrațiile locale de tensiune în osul periimplantar. În mod similar, utilizarea unor șuruburi cu diametru mai mare a îmbunătățit distribuția solicitărilor în zonele de fixare, diminuând tensiunile transmise către os. Totuși, aceste rezultate nu trebuie interpretate ca dovadă a unei rate mai mari de succes clinic, deoarece studiul nu a evaluat procese biologice precum osteointegrarea, remodelarea osoasă sau supraviețuirea implanturilor pe termen lung.

Un aspect deosebit de interesant îl reprezintă comportamentul CFR-PEEK ranforsat cu 60% fibre de carbon. Simulările sugerează că acest material reduce solicitările transmise osului și asigură o stabilitate structurală ridicată. În același timp însă, o parte mai mare a tensiunilor mecanice este concentrată în corpul implantului și în infrastructura metalică. Acest rezultat evidențiază faptul că proiectarea implanturilor personalizate trebuie să urmărească un echilibru între rigiditatea materialului, geometria implantului și distribuția globală a forțelor, evitând concentrarea excesivă a solicitărilor într-o singură componentă.

Interpretarea rezultatelor trebuie făcută cu prudență. Modelul cu elemente finite a fost construit pe baza anatomiei unui singur pacient și a presupus că materialele și țesuturile prezintă proprietăți omogene, izotrope și liniar elastice. De asemenea, nu au fost luate în considerare procese biologice importante, precum remodelarea osoasă, diferențele individuale privind calitatea osului, osteointegrarea sau efectele încărcărilor repetate în timp. În consecință, studiul reprezintă o bază biomecanică valoroasă pentru cercetări viitoare, dar nu permite formularea unor recomandări clinice definitive.

7. Aplicații clinice

Rezultatele acestei cercetări pot fi deosebit de utile în proiectarea implanturilor subperiostale personalizate destinate pacienților cu atrofie severă a maxilarului, la care inserarea implanturilor convenționale sau efectuarea unor proceduri complexe de augmentare osoasă este limitată sau imposibilă.

În cadrul unui flux de lucru complet digital, bazat pe tomografie computerizată, proiectare CAD/CAM și fabricație personalizată, grosimea structurii implantului și diametrul șuruburilor de fixare apar ca parametri importanți care influențează comportamentul biomecanic al sistemului. Datele prezentate în acest studiu pot contribui la optimizarea proiectării implanturilor individualizate și la obținerea unei distribuții mai echilibrate a solicitărilor funcționale.

Cu toate acestea, autorii nu propun un protocol clinic specific și nu identifică o configurație optimă care să poată fi recomandată în practica de rutină. Rezultatele trebuie considerate dovezi biomecanice preclinice, care necesită confirmare prin studii experimentale și cercetări clinice prospective înainte de a putea fi integrate în practica implantologică curentă.

8. Nivelul dovezilor, limitări și transparență

Această publicație reprezintă un studiu preclinic in silico, bazat pe o analiză tridimensională prin metoda elementelor finite (Finite Element Analysis – FEA). Deși această metodă este utilizată pe scară largă pentru evaluarea comportamentului biomecanic al sistemelor implantare în condiții controlate, nivelul său de evidență rămâne preclinic. Prin urmare, rezultatele nu pot fi extrapolate direct la performanța clinică, supraviețuirea implanturilor sau rezultatele terapeutice obținute la pacienți.

Din punct de vedere metodologic, studiul prezintă mai multe puncte forte. Modelul tridimensional a fost realizat pe baza imaginilor tomografice ale unui pacient cu atrofie maxilară severă, au fost comparate patru configurații implantare diferite, iar analiza a inclus trei scenarii de încărcare reprezentative pentru situațiile funcționale întâlnite în practica clinică. În plus, autorii au efectuat o analiză de convergență a rețelei de elemente finite (mesh convergence), ceea ce contribuie la creșterea fiabilității și acurateței simulărilor numerice.

Cu toate acestea, interpretarea rezultatelor trebuie realizată ținând cont de mai multe limitări. Toate simulările au fost efectuate pe baza modelului anatomic al unui singur pacient, ceea ce reduce posibilitatea generalizării concluziilor la alte categorii de pacienți. În plus, osul și materialele utilizate au fost considerate omogene, izotrope și liniar elastice, reprezentând o simplificare a comportamentului biologic real. Modelul nu a inclus procese precum osteointegrarea, remodelarea osoasă, variațiile individuale ale calității osului sau efectele încărcărilor funcționale repetate pe termen lung. Din acest motiv, autorii subliniază că rezultatele trebuie interpretate exclusiv ca dovezi biomecanice obținute prin simulare și că sunt necesare studii experimentale și clinice pentru validarea acestora.

În ceea ce privește transparența științifică, articolul menționează aprobarea comitetului de etică și obținerea consimțământului informat al pacientului pentru utilizarea imaginilor tomografice. În informațiile disponibile nu sunt raportate conflicte de interese și nici relații financiare cu producători de sisteme implantare.

9. Aspecte esențiale ale studiului

• Tipul studiului: Studiu preclinic in silico bazat pe analiză tridimensională prin metoda elementelor finite (FEA).
• Nivelul dovezilor: Studiu preclinic de modelare computațională.
• Populația analizată: Model anatomic personalizat al unui pacient cu atrofie severă a maxilarului (Clasa V Cawood și Howell).
• Numărul de pacienți: 1.
• Configurațiile implantare analizate: Patru modele virtuale rezultate din combinarea a două grosimi ale structurii implantului (1,0 mm și 1,5 mm) și a două diametre ale șuruburilor de fixare (1,5 mm și 2,0 mm).
• Perioada de urmărire: Nu este aplicabilă.
• Obiectivul principal: Evaluarea influenței grosimii structurii implantului și a diametrului șuruburilor asupra distribuției tensiunilor și a deplasării globale a sistemului.
• Rezultatul principal: Creșterea grosimii structurii și a diametrului șuruburilor a redus solicitările transmise osului și a îmbunătățit stabilitatea mecanică, însă a determinat o concentrare mai mare a tensiunilor în structura implantului și în infrastructura metalică.
• Concluzia științifică: Geometria implantului, diametrul șuruburilor și rigiditatea CFR-PEEK influențează semnificativ comportamentul biomecanic al implanturilor subperiostale personalizate.
• Principalele limitări: Model bazat pe anatomia unui singur pacient, ipoteze simplificate privind proprietățile materialelor și lipsa validării experimentale și clinice.

10. Impact științific

Acest studiu contribuie la dezvoltarea cunoștințelor privind implanturile subperiostale personalizate, analizând simultan doi parametri constructivi care au fost rar evaluați împreună: grosimea structurii implantului și diametrul șuruburilor de fixare. Rezultatele demonstrează că performanța biomecanică a unui implant nu depinde exclusiv de proprietățile biomaterialului utilizat, ci și de geometria construcției și de modul în care sunt distribuite forțele funcționale în întregul sistem implantar.

Studiul furnizează, de asemenea, informații noi privind potențialul CFR-PEEK ranforsat cu 60% fibre de carbon ca material destinat fabricării implanturilor subperiostale individualizate. Simulările sugerează că acest biomaterial poate reduce solicitările transmise osului periimplantar, menținând în același timp o stabilitate structurală ridicată. Totodată, rezultatele evidențiază faptul că optimizarea biomecanică necesită o abordare integrată, în care proprietățile materialului și geometria implantului sunt analizate împreună.

Deși studiul nu demonstrează eficacitatea clinică a acestor implanturi, el oferă date cantitative valoroase care pot sprijini dezvoltarea viitoare a implanturilor personalizate proiectate prin fluxuri digitale. În plus, stabilește o bază științifică solidă pentru cercetări experimentale și studii clinice prospective, necesare pentru a determina dacă avantajele biomecanice observate în simulări se traduc în rezultate clinice superioare pe termen lung.

11. Concluzie editorială

Acest studiu preclinic, bazat pe o analiză tridimensională prin metoda elementelor finite, demonstrează că grosimea structurii implantului și diametrul șuruburilor de fixare reprezintă factori esențiali în comportamentul biomecanic al implanturilor subperiostale personalizate fabricate din CFR-PEEK. Simulările indică faptul că o structură mai groasă și utilizarea unor șuruburi cu diametru mai mare cresc stabilitatea mecanică a ansamblului și reduc solicitările transmise osului, însă determină o concentrare mai accentuată a tensiunilor în implant și în infrastructura metalică. Aceste rezultate constituie o contribuție importantă la optimizarea proiectării implanturilor personalizate în cadrul fluxurilor digitale moderne. Cu toate acestea, având în vedere caracterul exclusiv computațional al cercetării, concluziile trebuie interpretate cu prudență și confirmate prin studii experimentale și clinice înainte de a fi integrate în practica curentă a implantologiei orale.