Ảnh hưởng cơ sinh học của độ dày implant và đường kính vít cố định đối với implant dưới màng xương bằng CFR-PEEK: Phân tích phần tử hữu hạn ba chiều

Eda Etik, Basak Keskin Yalcin

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

Ảnh hưởng cơ sinh học của độ dày implant và đường kính vít cố định đối với implant dưới màng xương bằng CFR-PEEK: Phân tích phần tử hữu hạn ba chiều

1. Thông tin tài liệu khoa học

• Tiêu đề nghiên cứu: Biomechanical effect of implant thickness and screw diameter on CFR-PEEK subperiosteal implants: a three-dimensional finite element analysis
• Tác giả: Eda Etik, Basak Keskin Yalcin
• Tạp chí: Scientific Reports
• Năm xuất bản: 2026
• DOI: 10.1038/s41598-026-49671-0

2. Bối cảnh khoa học

Điều trị phục hồi cho bệnh nhân bị tiêu xương hàm trên nghiêm trọng vẫn là một trong những thách thức lớn nhất của cấy ghép nha khoa hiện đại. Khi thể tích xương còn lại không đủ để đặt implant nội xương theo phương pháp thông thường, bác sĩ phải cân nhắc các giải pháp thay thế phù hợp. Sự phát triển của chẩn đoán hình ảnh ba chiều, lập kế hoạch điều trị kỹ thuật số và công nghệ CAD/CAM đã thúc đẩy sự quay trở lại của implant dưới màng xương được thiết kế riêng cho từng bệnh nhân, cho phép tối ưu hóa sự thích nghi giải phẫu và nâng cao độ chính xác trong điều trị.

Song song với những tiến bộ về quy trình kỹ thuật số, việc lựa chọn vật liệu sinh học cũng đóng vai trò quan trọng trong hiệu quả cơ học của hệ thống implant. Polyetheretherketone gia cường sợi carbon (CFR-PEEK) được xem là một vật liệu đầy triển vọng nhờ độ bền cơ học cao và mô đun đàn hồi gần với mô xương hơn so với các hợp kim kim loại truyền thống. Tuy nhiên, hiện vẫn còn ít dữ liệu về ảnh hưởng của các thông số thiết kế như độ dày khung implant và đường kính vít cố định đối với sự phân bố ứng suất cơ học trong implant dưới màng xương. Nghiên cứu này được thực hiện nhằm làm sáng tỏ vấn đề đó thông qua phân tích phần tử hữu hạn ba chiều.

3. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của nghiên cứu là đánh giá ảnh hưởng của độ dày cấu trúc implant dưới màng xương và đường kính vít cố định đến đặc tính cơ sinh học của implant cá thể hóa được chế tạo từ CFR-PEEK gia cường 60% sợi carbon.

Các tác giả đã so sánh nhiều cấu hình implant khác nhau nhằm xác định tác động của các yếu tố thiết kế này đến sự phân bố ứng suất, mức độ biến dạng của toàn bộ hệ thống và quá trình truyền lực giữa implant với xương nâng đỡ.

4. Phương pháp nghiên cứu

Đây là nghiên cứu tiền lâm sàng in silico, sử dụng phân tích phần tử hữu hạn ba chiều (Finite Element Analysis – FEA). Mô hình giải phẫu được xây dựng từ dữ liệu chụp cắt lớp vi tính (CT) của một bệnh nhân bị tiêu xương hàm trên nặng, được phân loại Cawood và Howell độ V. Dựa trên mô hình này, nhóm nghiên cứu thiết kế một implant dưới màng xương phù hợp với giải phẫu riêng của bệnh nhân.

Bốn cấu hình implant được xây dựng bằng cách kết hợp hai mức độ dày khung implant (1,0 mm và 1,5 mm) với hai đường kính vít cố định (1,5 mm và 2,0 mm). Khung implant được mô phỏng bằng CFR-PEEK gia cường 60% sợi carbon, trong khi vít cố định, abutment và khung phục hình được gán các đặc tính cơ học của titan.

Để mô phỏng điều kiện chức năng trong thực tế lâm sàng, nghiên cứu áp dụng ba tình huống tải trọng gồm: tải trọng thẳng đứng hai bên vùng răng sau, tải trọng xiên một bên vùng răng sau và tải trọng thẳng đứng vùng răng trước. Các thông số được đánh giá bao gồm độ dịch chuyển tổng thể của hệ thống, ứng suất chính lớn nhất và nhỏ nhất trong xương, cùng với ứng suất tương đương Von Mises tại implant, abutment và cấu trúc kim loại. Do đây là nghiên cứu mô phỏng trên máy tính nên không có giai đoạn theo dõi lâm sàng.

5. Kết quả chính

Các mô phỏng số cho thấy hình học của implant có ảnh hưởng đáng kể đến đặc tính cơ sinh học của toàn bộ hệ thống phục hình. Khi độ dày khung implant được tăng từ 1,0 mm lên 1,5 mm, độ dịch chuyển tổng thể của hệ thống giảm rõ rệt trong tất cả các điều kiện tải trọng, phản ánh sự gia tăng độ cứng cơ học của cấu trúc. Đồng thời, cả ứng suất kéo và ứng suất nén truyền đến mô xương đều giảm, đặc biệt tại vùng mào xương ổ răng phía sau – khu vực chịu lực nhai lớn nhất trong các mô phỏng.

Xu hướng tương tự cũng được ghi nhận khi đường kính vít cố định tăng từ 1,5 mm lên 2,0 mm. Các vít có đường kính lớn hơn giúp phân bố lực chức năng đồng đều hơn, làm giảm sự tập trung ứng suất tại cả xương nâng đỡ và implant dưới màng xương. Tuy nhiên, lợi ích này đi kèm với sự gia tăng ứng suất trong khung kim loại của phục hình, cho thấy tải trọng cơ học được chuyển dịch sang các thành phần có độ cứng cao hơn thay vì được loại bỏ hoàn toàn.

Trong ba kịch bản chịu tải được phân tích, tải trọng tác động lên vùng răng sau tạo ra mức ứng suất cao nhất. Ngược lại, tải trọng theo phương thẳng đứng ở vùng răng trước tạo ra giá trị ứng suất thấp hơn và mô hình phân bố khác biệt, chủ yếu tập trung quanh lỗ lê (piriform aperture) và sàn hốc mũi. Các mô phỏng cũng cho thấy CFR-PEEK gia cường 60% sợi carbon, nhờ mô đun đàn hồi cao, có khả năng giảm ứng suất truyền sang mô xương, nhưng đồng thời làm tăng mức tập trung ứng suất trong thân implant và cấu trúc kim loại của phục hình. Trên cơ sở các kết quả mô phỏng, nhóm tác giả kết luận rằng tất cả các cấu hình được đánh giá đều đáp ứng các yêu cầu cơ sinh học cơ bản đối với implant dưới màng xương cá thể hóa, đồng thời nhấn mạnh rằng những kết quả này cần được xác nhận bằng các nghiên cứu thực nghiệm và lâm sàng.

6. Phân tích lâm sàng

Nghiên cứu này cung cấp những dữ liệu có giá trị về vai trò của các thông số thiết kế trong hiệu quả cơ sinh học của implant dưới màng xương được cá thể hóa. Kết quả cho thấy hiệu suất cơ học của hệ thống không chỉ phụ thuộc vào đặc tính của vật liệu sinh học mà còn chịu ảnh hưởng đáng kể từ hình học của implant và thiết kế hệ thống cố định. Chỉ với những thay đổi tương đối nhỏ về độ dày của khung implant hoặc đường kính vít cố định, cách thức truyền lực nhai giữa implant, xương nâng đỡ và phục hình đã thay đổi rõ rệt.

Việc tăng độ dày của khung implant giúp nâng cao độ cứng của toàn bộ hệ thống và giảm mức biến dạng khi chịu tải chức năng. Xét trên phương diện cơ sinh học, hiện tượng này có thể góp phần phân bố lực đồng đều hơn và hạn chế sự hình thành các vùng tập trung ứng suất tại xương quanh implant. Tương tự, việc sử dụng vít cố định có đường kính lớn hơn cũng cải thiện khả năng phân bố tải trọng tại các vị trí neo giữ, từ đó làm giảm ứng suất cục bộ trong mô xương. Tuy nhiên, những kết quả này không nên được hiểu là bằng chứng về tỷ lệ thành công lâm sàng cao hơn, vì nghiên cứu không đánh giá quá trình tích hợp xương (osseointegration), tái cấu trúc xương hay tuổi thọ lâu dài của implant.

Một điểm đáng chú ý của nghiên cứu là đặc tính cơ học của CFR-PEEK gia cường 60% sợi carbon. Kết quả mô phỏng cho thấy vật liệu này có khả năng giảm tải trọng truyền sang mô xương trong khi vẫn duy trì độ ổn định cơ học cao cho toàn bộ cấu trúc. Tuy nhiên, ưu điểm này đồng thời dẫn đến sự gia tăng ứng suất trong chính implant và khung kim loại của phục hình. Điều này cho thấy việc thiết kế implant cá thể hóa cần cân bằng giữa độ cứng của vật liệu, hình học của implant và sự phân bố tải trọng, thay vì chỉ tập trung giảm ứng suất tại một thành phần riêng lẻ.

Cần lưu ý rằng các kết quả phải được diễn giải một cách thận trọng. Mô hình phần tử hữu hạn được xây dựng từ dữ liệu giải phẫu của một bệnh nhân duy nhất, đồng thời giả định rằng các vật liệu và mô sinh học có tính đồng nhất, đẳng hướng và đàn hồi tuyến tính. Những yếu tố sinh học quan trọng như tái cấu trúc xương, chất lượng xương ở từng cá thể, quá trình tích hợp xương và tác động của tải trọng lặp lại theo thời gian đều chưa được đưa vào mô hình. Vì vậy, nghiên cứu này chủ yếu cung cấp bằng chứng cơ sinh học tiền lâm sàng và chưa đủ cơ sở để đưa ra các khuyến cáo điều trị trong thực hành lâm sàng.

7. Ứng dụng lâm sàng

Các kết quả của nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn đối với việc thiết kế implant dưới màng xương cá thể hóa dành cho những bệnh nhân bị tiêu xương hàm trên nghiêm trọng, ở những trường hợp mà implant nội xương thông thường hoặc các kỹ thuật ghép xương mở rộng không còn là lựa chọn khả thi.

Trong quy trình điều trị kỹ thuật số hoàn chỉnh kết hợp chụp CT, thiết kế CAD/CAM và chế tạo implant theo từng bệnh nhân, độ dày của khung implant và đường kính vít cố định nổi lên như những thông số thiết kế quan trọng có thể ảnh hưởng đến hiệu quả cơ sinh học của toàn bộ hệ thống. Những dữ liệu từ nghiên cứu này có thể hỗ trợ các bác sĩ và kỹ sư trong quá trình tối ưu hóa thiết kế implant nhằm đạt được sự phân bố lực chức năng cân bằng hơn.

Tuy nhiên, các tác giả không đề xuất một quy trình điều trị cụ thể cũng như không xác định một cấu hình implant tối ưu để áp dụng trong thực hành thường quy. Do đó, các kết quả nên được xem là bằng chứng tiền lâm sàng về mặt cơ sinh học, cần tiếp tục được xác nhận bằng các nghiên cứu thực nghiệm và thử nghiệm lâm sàng trước khi được áp dụng rộng rãi trong điều trị cấy ghép nha khoa.

8. Mức độ bằng chứng, hạn chế và tính minh bạch

Nghiên cứu này là một nghiên cứu tiền lâm sàng in silico sử dụng phân tích phần tử hữu hạn ba chiều (Finite Element Analysis – FEA). Mặc dù phương pháp này được sử dụng rộng rãi để đánh giá đặc tính cơ sinh học của các hệ thống implant trong điều kiện được kiểm soát, mức độ bằng chứng vẫn chỉ ở giai đoạn tiền lâm sàng. Do đó, các kết quả không thể được sử dụng để dự đoán trực tiếp hiệu quả điều trị, tỷ lệ tồn tại của implant hay kết quả lâm sàng ở bệnh nhân.

Về mặt phương pháp luận, nghiên cứu có nhiều điểm mạnh đáng chú ý. Mô hình ba chiều được xây dựng từ dữ liệu chụp cắt lớp vi tính của một bệnh nhân bị tiêu xương hàm trên nghiêm trọng. Bốn cấu hình implant khác nhau được so sánh dưới ba điều kiện tải trọng có ý nghĩa lâm sàng. Ngoài ra, nhóm nghiên cứu còn thực hiện phân tích hội tụ lưới (mesh convergence analysis) nhằm nâng cao độ chính xác và độ tin cậy của các mô phỏng số.

Tuy nhiên, khi diễn giải các kết quả cần xem xét một số hạn chế quan trọng. Toàn bộ mô hình được xây dựng dựa trên dữ liệu giải phẫu của một bệnh nhân duy nhất, làm hạn chế khả năng khái quát hóa cho các nhóm bệnh nhân khác. Bên cạnh đó, xương và các vật liệu được giả định là đồng nhất, đẳng hướng và đàn hồi tuyến tính, trong khi mô sinh học thực tế có đặc tính phức tạp hơn nhiều. Các quá trình sinh học như tích hợp xương (osseointegration), tái cấu trúc xương, sự khác biệt về chất lượng xương giữa các cá thể cũng như ảnh hưởng của tải trọng chức năng kéo dài đều không được đưa vào mô hình. Vì vậy, các tác giả nhấn mạnh rằng những kết quả này chỉ phản ánh đặc tính cơ sinh học của mô hình mô phỏng và cần được kiểm chứng thêm bằng các nghiên cứu thực nghiệm cũng như thử nghiệm lâm sàng.

Về tính minh bạch khoa học, bài báo cho biết nghiên cứu đã được phê duyệt bởi hội đồng đạo đức và bệnh nhân đã ký văn bản đồng ý cho phép sử dụng dữ liệu chụp CT. Trong phần thông tin được cung cấp, không ghi nhận xung đột lợi ích hoặc mối quan hệ tài chính với các nhà sản xuất hệ thống implant nha khoa.

9. Những điểm chính của nghiên cứu

• Loại nghiên cứu: Nghiên cứu tiền lâm sàng in silico sử dụng phân tích phần tử hữu hạn ba chiều (FEA).
• Mức độ bằng chứng: Nghiên cứu mô phỏng tính toán ở giai đoạn tiền lâm sàng.
• Đối tượng nghiên cứu: Mô hình giải phẫu cá thể hóa của một bệnh nhân bị tiêu xương hàm trên nghiêm trọng (Cawood và Howell độ V).
• Số lượng bệnh nhân: 1.
• Các cấu hình implant được đánh giá: Bốn mô hình kết hợp hai mức độ dày của khung implant (1,0 mm và 1,5 mm) với hai đường kính vít cố định (1,5 mm và 2,0 mm).
• Thời gian theo dõi: Không áp dụng.
• Tiêu chí đánh giá chính: Ảnh hưởng của độ dày khung implant và đường kính vít đến sự phân bố ứng suất và độ dịch chuyển tổng thể của hệ thống.
• Kết quả nổi bật: Tăng độ dày của khung implant và tăng đường kính vít giúp giảm ứng suất truyền đến xương và cải thiện độ ổn định cơ học, nhưng đồng thời làm tăng ứng suất trong implant và khung kim loại của phục hình.
• Kết luận khoa học: Hình học của implant, đường kính vít cố định và độ cứng của vật liệu CFR-PEEK có ảnh hưởng đáng kể đến đặc tính cơ sinh học của implant dưới màng xương được cá thể hóa.
• Hạn chế chính: Mô hình chỉ dựa trên một bệnh nhân, sử dụng các giả định đơn giản về đặc tính vật liệu và chưa có xác nhận bằng nghiên cứu thực nghiệm hoặc lâm sàng.

10. Ý nghĩa khoa học

Nghiên cứu này đóng góp thêm bằng chứng khoa học trong lĩnh vực implant dưới màng xương được cá thể hóa, khi đồng thời đánh giá hai thông số thiết kế ít được nghiên cứu kết hợp trước đây là độ dày của khung implant và đường kính vít cố định. Kết quả cho thấy hiệu quả cơ sinh học của implant không chỉ phụ thuộc vào đặc tính của vật liệu mà còn chịu ảnh hưởng đáng kể bởi hình học của cấu trúc và cách thức truyền tải lực chức năng trong toàn bộ hệ thống implant.

Nghiên cứu cũng cung cấp thêm dữ liệu về tiềm năng ứng dụng của CFR-PEEK gia cường 60% sợi carbon trong chế tạo implant dưới màng xương theo thiết kế cá thể hóa. Các mô phỏng cho thấy vật liệu này có khả năng giảm ứng suất truyền đến xương quanh implant đồng thời vẫn duy trì độ ổn định cơ học cao. Tuy nhiên, kết quả cũng nhấn mạnh rằng việc tối ưu hóa cơ sinh học chỉ có thể đạt được khi xem xét đồng thời cả đặc tính vật liệu và thiết kế hình học của implant.

Mặc dù chưa chứng minh được hiệu quả điều trị trên lâm sàng, nghiên cứu đã cung cấp các dữ liệu định lượng quan trọng phục vụ cho việc phát triển các implant được thiết kế bằng quy trình kỹ thuật số trong tương lai. Đồng thời, đây cũng là nền tảng khoa học cho các nghiên cứu thực nghiệm và thử nghiệm lâm sàng nhằm xác định liệu những ưu điểm cơ sinh học quan sát được trong mô phỏng có thể chuyển thành lợi ích thực sự đối với bệnh nhân hay không.

11. Kết luận biên tập

Nghiên cứu tiền lâm sàng sử dụng phân tích phần tử hữu hạn ba chiều này cho thấy độ dày của khung implant và đường kính vít cố định là hai yếu tố quyết định đến đặc tính cơ sinh học của implant dưới màng xương được chế tạo từ CFR-PEEK. Các mô phỏng cho thấy việc tăng độ dày của cấu trúc và sử dụng vít có đường kính lớn hơn giúp cải thiện độ ổn định cơ học của hệ thống và giảm ứng suất truyền sang mô xương, mặc dù đồng thời làm tăng ứng suất tập trung trong chính implant và khung kim loại của phục hình. Những kết quả này mang lại cơ sở khoa học quan trọng cho việc tối ưu hóa thiết kế implant cá thể hóa trong kỷ nguyên nha khoa số. Tuy nhiên, do chỉ dựa trên mô hình tính toán, các kết luận cần được xác nhận bằng các nghiên cứu thực nghiệm và thử nghiệm lâm sàng trước khi có thể áp dụng rộng rãi trong thực hành implant nha khoa.