Cải tiến thiết kế cấu trúc implant dưới màng xương được chế tạo bằng công nghệ sản xuất bồi đắp thông qua tối ưu hóa tô-pô dựa trên phân tích phần tử hữu hạn

Alberto Carnicero, Andrés Peláez, Andrés Restoy-Lozano, Isaías Jacquott, Ricardo Perera

Full text link: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34321582/

Cải tiến thiết kế cấu trúc implant dưới màng xương được chế tạo bằng công nghệ sản xuất bồi đắp thông qua tối ưu hóa tô-pô dựa trên phân tích phần tử hữu hạn

1. Thông tin tài liệu khoa học

• Tiêu đề nghiên cứu: Cải tiến thiết kế cấu trúc implant dưới màng xương được chế tạo bằng công nghệ sản xuất bồi đắp thông qua tối ưu hóa tô-pô dựa trên phân tích phần tử hữu hạn
• Tác giả: Alberto Carnicero, Andrés Peláez, Andrés Restoy-Lozano, Isaías Jacquott, Ricardo Perera
• Tạp chí khoa học: Scientific Reports
• Năm xuất bản: 2021
• DOI: 10.1038/s41598-021-94980-1

2. Bối cảnh khoa học

Phục hồi chức năng cho bệnh nhân bị tiêu xương hàm trên nghiêm trọng vẫn là một trong những thách thức lớn của cấy ghép nha khoa hiện đại. Ở những bệnh nhân mất răng toàn bộ kéo dài, tình trạng tiêu xương ổ răng tiến triển có thể khiến việc đặt implant nha khoa thông thường trở nên không khả thi nếu không thực hiện các thủ thuật tái tạo xương phức tạp.

Mặc dù ghép xương và các kỹ thuật tăng thể tích xương đã được ứng dụng rộng rãi, những phương pháp này thường làm tăng thời gian điều trị, chi phí và mức độ xâm lấn phẫu thuật. Sự phát triển của công nghệ thiết kế kỹ thuật số, quy trình CAD/CAM và sản xuất bồi đắp bằng kim loại đã thúc đẩy sự quan tâm trở lại đối với implant dưới màng xương cá thể hóa.

Các cấu trúc implant được thiết kế riêng theo giải phẫu của từng bệnh nhân có thể trở thành một lựa chọn thay thế trong các trường hợp tiêu xương hàm trên nặng. Tuy nhiên, để đảm bảo hiệu quả lâm sàng tiềm năng, việc tối ưu hóa đặc tính cơ sinh học của implant là yếu tố then chốt nhằm cân bằng giữa độ bền cơ học, khả năng sản xuất và mức độ xâm lấn phẫu thuật.

3. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của nghiên cứu là phát triển và đánh giá một thiết kế implant dưới màng xương cá thể hóa được sản xuất bằng công nghệ in 3D kim loại dành cho bệnh nhân bị tiêu xương hàm trên nghiêm trọng.

Các tác giả hướng tới việc giảm khối lượng vật liệu sử dụng, giảm số lượng vít cố định cần thiết, đơn giản hóa quy trình phẫu thuật và hạ chi phí sản xuất, đồng thời vẫn duy trì khả năng chịu lực cơ học phù hợp dưới các điều kiện tải trọng nhai khác nhau.

4. Phương pháp nghiên cứu

Đây là một nghiên cứu tiền lâm sàng về cơ sinh học, sử dụng phân tích phần tử hữu hạn (Finite Element Analysis – FEA) kết hợp với tối ưu hóa tô-pô.

Mô hình tham chiếu được xây dựng từ một implant dưới màng xương cá thể hóa đã được sử dụng trong điều trị một bệnh nhân bị teo xương hàm trên nặng. Hình học của implant được tái tạo từ dữ liệu chụp cắt lớp vi tính (CT) và chuyển đổi thành mô hình ba chiều để tiến hành mô phỏng số.

Vật liệu được sử dụng là hợp kim titan Ti6Al4V, nổi tiếng với khả năng tương thích sinh học và độ bền cơ học cao. Quá trình tối ưu hóa được thực hiện theo hai giai đoạn bằng phương pháp SIMP (Solid Isotropic Material with Penalization).

Năm kịch bản tải trọng khác nhau đã được mô phỏng, bao gồm lực nhai thông thường, lực nhai tới hạn và các tình huống mất một phần khả năng cố định của implant. Các tiêu chí đánh giá chính gồm phân bố ứng suất Von Mises, độ bền mỏi và tính toàn vẹn cấu trúc của implant.

Nghiên cứu không bao gồm theo dõi lâm sàng hoặc đánh giá kết quả điều trị trên bệnh nhân.

5. Kết quả chính

Phân tích mô hình ban đầu cho thấy nhiều vùng có thể được giảm vật liệu mà không ảnh hưởng đáng kể đến độ ổn định cơ học tổng thể của cấu trúc implant.

Sau giai đoạn tối ưu hóa đầu tiên, thể tích implant giảm 18,56% so với thiết kế gốc. Giai đoạn tối ưu hóa thứ hai tiếp tục giúp giảm thêm 11,21%.

Tổng cộng, thiết kế cuối cùng đạt mức giảm thể tích 27,68% so với mô hình ban đầu.

Ngoài việc giảm lượng titan sử dụng, thiết kế mới còn cho phép loại bỏ hai vít cố định phía trên vốn cần thiết trong cấu trúc ban đầu. Mặc dù số lượng vật liệu và điểm neo giữ giảm đáng kể, các mô phỏng cho thấy implant vẫn duy trì khả năng chịu lực phù hợp trong tất cả các trường hợp tải trọng được khảo sát.

Trong điều kiện nhai tiêu chuẩn, ứng suất Von Mises lớn nhất của mô hình tối ưu đạt 199,51 MPa, thấp hơn ngưỡng giới hạn mỏi 200 MPa được xác định trong nghiên cứu. Các kịch bản tải trọng nghiêm trọng hơn hoặc mất một phần hệ thống cố định cũng không ghi nhận dấu hiệu mất ổn định cấu trúc của implant.

6. Phân tích lâm sàng

Nghiên cứu này minh họa tiềm năng của các công cụ kỹ thuật số và mô phỏng cơ học trong việc phát triển các giải pháp implant cá thể hóa cho những trường hợp tiêu xương hàm trên nghiêm trọng. Điểm trọng tâm của công trình không phải là đánh giá hiệu quả điều trị trên bệnh nhân mà là xác nhận tính khả thi của một chiến lược thiết kế mới.

Kết quả cho thấy tối ưu hóa tô-pô có thể làm giảm đáng kể lượng vật liệu titan cần thiết trong khi vẫn duy trì các đặc tính cơ học theo mô hình tính toán. Về mặt phẫu thuật, một cấu trúc nhỏ gọn hơn với ít điểm cố định hơn có thể giúp đơn giản hóa quy trình đặt implant và giảm mức độ can thiệp vào mô cứng và mô mềm.

Tuy nhiên, cần lưu ý rằng những lợi ích này hiện chỉ được chứng minh thông qua mô phỏng số. Nghiên cứu không đánh giá tỷ lệ sống còn của implant, mức độ tích hợp xương, các biến chứng sinh học hoặc cơ học, kết quả phục hình hay mức độ hài lòng của bệnh nhân.

Do đó, các kết luận nên được hiểu là bằng chứng về tính khả thi về mặt cơ sinh học của thiết kế được tối ưu hóa, thay vì bằng chứng lâm sàng về hiệu quả điều trị.

7. Ứng dụng lâm sàng

Các kết quả của nghiên cứu có thể hữu ích trong các tình huống sau:

• Phục hồi implant cho bệnh nhân mất răng toàn bộ kèm tiêu xương hàm trên nghiêm trọng.
• Các trường hợp không phù hợp hoặc không mong muốn thực hiện ghép xương quy mô lớn.
• Thiết kế implant dưới màng xương cá thể hóa dựa trên dữ liệu giải phẫu riêng của bệnh nhân.
• Lập kế hoạch điều trị implant bằng quy trình kỹ thuật số.
• Ứng dụng công nghệ CAD/CAM trong phục hình implant nâng cao.
• Sản xuất implant titan bằng công nghệ in 3D kim loại.
• Tái tạo vùng hàm mặt phức tạp đòi hỏi giải pháp điều trị cá thể hóa.

Do đây là nghiên cứu mô phỏng, các ứng dụng lâm sàng thực tế cần được xác nhận thêm bằng các nghiên cứu lâm sàng chuyên biệt.

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

Nghiên cứu này thuộc nhóm nghiên cứu tiền lâm sàng về cơ sinh học tính toán. Vì vậy, mức độ bằng chứng lâm sàng được xem là còn hạn chế.

Các kết quả dựa trên mô hình toán học và các giả định liên quan đến lực nhai, điều kiện cố định và đặc tính vật liệu. Không có thử nghiệm lâm sàng, theo dõi dài hạn hoặc so sánh trực tiếp với các phương pháp điều trị khác.

Các tác giả cũng nhấn mạnh rằng những nguyên tắc thiết kế được trình bày cần được điều chỉnh theo đặc điểm giải phẫu riêng của từng bệnh nhân và có thể tiếp tục được tối ưu hóa thêm.

Về tính minh bạch khoa học, các tác giả tuyên bố không có xung đột lợi ích.

Hạn chế quan trọng nhất của nghiên cứu là thiếu dữ liệu xác nhận lâm sàng đối với các kết quả thu được từ mô phỏng.

9. Những điểm nổi bật của nghiên cứu

• Loại nghiên cứu: Nghiên cứu tiền lâm sàng sử dụng phân tích phần tử hữu hạn và tối ưu hóa tô-pô.
• Mức độ bằng chứng: Thấp đến trung bình về mặt lâm sàng.
• Quần thể hoặc số nghiên cứu được phân tích: Không được nêu rõ trong tài liệu cung cấp.
• Số lượng bệnh nhân hoặc implant: Mô hình implant cá thể hóa dựa trên một trường hợp thực tế; số lượng cụ thể không được báo cáo.
• Thời gian theo dõi: Không được nêu trong tài liệu cung cấp.
• Tiêu chí đánh giá chính: Hiệu suất cơ học và khả năng chống mỏi của implant dưới màng xương được tối ưu hóa.
• Kết quả chính: Giảm tổng thể tích cấu trúc 27,68% trong khi vẫn duy trì các yêu cầu cơ học đã đặt ra.
• Kết luận khoa học: Tối ưu hóa tô-pô kết hợp với sản xuất bồi đắp có thể cải thiện thiết kế implant dưới màng xương cá thể hóa, đồng thời giảm vật liệu và số điểm cố định cần thiết.
• Hạn chế chính: Nghiên cứu chỉ dựa trên mô phỏng máy tính và chưa được xác nhận bằng dữ liệu lâm sàng.

10. Tác động khoa học

Nghiên cứu này đóng góp vào xu hướng phát triển của implant nha khoa kỹ thuật số và các giải pháp phục hồi cá thể hóa dành cho bệnh nhân bị tiêu xương nghiêm trọng. Giá trị nổi bật của công trình nằm ở việc kết hợp phân tích phần tử hữu hạn, tối ưu hóa tô-pô và công nghệ sản xuất bồi đắp trong cùng một quy trình phát triển implant.

Việc giảm đáng kể thể tích cấu trúc mà vẫn duy trì hiệu suất cơ học dự đoán cho thấy tiềm năng của các phương pháp kỹ thuật hiện đại trong việc nâng cao hiệu quả thiết kế implant. Ngoài ra, nghiên cứu còn cung cấp một khung phương pháp luận có thể được áp dụng cho các nghiên cứu tương lai về implant cá thể hóa và tái tạo hàm mặt phức tạp.

Mặc dù chưa cung cấp bằng chứng lâm sàng trực tiếp, công trình này góp phần củng cố vai trò ngày càng quan trọng của công nghệ in 3D và kỹ thuật số trong lĩnh vực implant nha khoa hiện đại.

11. Kết luận biên tập

Nghiên cứu cho thấy tối ưu hóa tô-pô dựa trên phân tích phần tử hữu hạn là một phương pháp đầy triển vọng để cải thiện thiết kế của các implant dưới màng xương được sản xuất bằng công nghệ in 3D kim loại. Việc giảm đáng kể khối lượng cấu trúc và số lượng điểm cố định đã đạt được mà không làm suy giảm hiệu suất cơ học dự kiến trong các mô phỏng. Dù vẫn còn ở giai đoạn tiền lâm sàng, công trình này tạo nền tảng quan trọng cho các nghiên cứu lâm sàng trong tương lai nhằm đánh giá giá trị thực tiễn của các thiết kế implant cá thể hóa dành cho bệnh nhân bị tiêu xương hàm trên nghiêm trọng.