Phân tích phần tử hữu hạn đối với các implant dưới màng xương chịu tải chức năng bằng mô hình thực tế mô phỏng tình trạng teo xương hàm nghiêm trọng

Gerardo Pellegrino, Maryia Karaban, Veronica Scalchi, Marco Urbani, Amerigo Giudice, Carlo Barausse, Pietro Felice.

Full text link: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39846694/

Phân tích phần tử hữu hạn đối với các implant dưới màng xương chịu tải chức năng bằng mô hình thực tế mô phỏng tình trạng teo xương hàm nghiêm trọng

1. Thông tin tài liệu khoa học

• Tiêu đề nghiên cứu: Finite Element Analysis of Functionally Loaded Subperiosteal Implants Evaluated on a Realistic Model Reproducing Severe Atrophic Jaws
• Tác giả: Gerardo Pellegrino, Maryia Karaban, Veronica Scalchi, Marco Urbani, Amerigo Giudice, Carlo Barausse và Pietro Felice.
• Tạp chí khoa học: Methods and Protocols.
• Năm xuất bản:
• DOI:3390/mps8010008.

2. Bối cảnh khoa học

Phục hồi chức năng bằng implant cho bệnh nhân bị tiêu xương hàm trên hoặc hàm dưới mức độ nặng 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 các implant nội xương thông thường, việc điều trị thường đòi hỏi các thủ thuật tái tạo xương phức tạp như ghép xương, nâng xoang hàm hoặc tái tạo xương có hướng dẫn. Mặc dù các kỹ thuật này đã chứng minh hiệu quả lâm sàng, chúng thường đi kèm với mức độ xâm lấn cao hơn, thời gian điều trị kéo dài và nguy cơ biến chứng lớn hơn.

Implant dưới màng xương được thiết kế riêng cho từng bệnh nhân hiện đang trở thành một giải pháp thay thế quan trọng cho những trường hợp tiêu xương hàm nghiêm trọng. Sự phát triển của chẩn đoán hình ảnh ba chiều, lập kế hoạch điều trị kỹ thuật số, công nghệ CAD/CAM và sản xuất bồi đắp bằng titan cho phép chế tạo các implant phù hợp chính xác với giải phẫu của từng bệnh nhân và được cố định vào xương bằng các vít neo vỏ xương. Tuy nhiên, hiện vẫn còn thiếu các bằng chứng về ảnh hưởng của thiết kế implant đối với sự phân bố lực chức năng cũng như hành vi cơ sinh học của toàn bộ hệ thống implant – xương.

Trong bối cảnh đó, các tác giả đã sử dụng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (Finite Element Analysis – FEA) để đánh giá đặc tính cơ sinh học của nhiều cấu hình implant dưới màng xương cá thể hóa khác nhau. Mục tiêu là xác định những đặc điểm thiết kế giúp phân bố lực nhai đồng đều hơn và giảm các vùng tập trung ứng suất trong xương vỏ.

3. Mục tiêu của nghiên cứu

Mục tiêu chính của nghiên cứu là đánh giá hành vi cơ sinh học của các implant dưới màng xương được thiết kế riêng cho từng bệnh nhân trong điều trị tình trạng teo xương hàm trên và hàm dưới nghiêm trọng bằng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (Finite Element Analysis – FEA). Các tác giả đã phân tích ảnh hưởng của nhiều yếu tố thiết kế khác nhau, bao gồm số lượng và vị trí của các vít cố định vào xương vỏ, phạm vi bao phủ của khung implant cũng như sự hiện diện hoặc không có các thanh nối giữa hai nửa implant, đối với sự phân bố ứng suất trong cả implant và mô xương nâng đỡ.

Ngoài ra, nghiên cứu còn hướng đến việc xác định những cấu hình thiết kế có khả năng tối ưu hóa quá trình truyền lực nhai và giảm các vùng tập trung ứng suất tại xương vỏ. Qua đó, nhóm nghiên cứu mong muốn xây dựng các nguyên tắc cơ sinh học phục vụ cho việc phát triển các implant dưới màng xương cá thể hóa có hiệu quả hơn trong điều trị bệnh nhân bị teo xương hàm nghiêm trọng.

4. Phương pháp nghiên cứu

Đây là một nghiên cứu tiền lâm sàng sử dụng mô phỏng số dựa trên phương pháp phân tích phần tử hữu hạn. Nghiên cứu không bao gồm bệnh nhân và không đánh giá bất kỳ kết quả điều trị lâm sàng nào. Phân tích được thực hiện trên các mô hình ba chiều của một hàm trên và một hàm dưới bị teo xương nghiêm trọng, được tái tạo từ dữ liệu chẩn đoán hình ảnh DICOM. Sau khi phân đoạn các cấu trúc giải phẫu, nhiều thiết kế implant dưới màng xương cá thể hóa đã được xây dựng và điều chỉnh tuần tự nhằm đánh giá ảnh hưởng của từng thay đổi thiết kế đến đặc tính cơ sinh học của toàn bộ hệ thống implant – xương.

Các mô hình số bao gồm xương vỏ, xương xốp, implant titan, vít cố định và cấu trúc phục hình. Tất cả các vật liệu đều được giả định có tính chất đàn hồi tuyến tính và đẳng hướng theo các thông số đã được công bố trong y văn. Mối tiếp xúc giữa implant, vít và xương được mô phỏng dưới dạng liên kết cứng hoặc tiếp xúc có ma sát tùy theo đặc điểm của từng bề mặt tương tác. Để nâng cao độ chính xác của phép tính, các tác giả sử dụng lưới phần tử tứ diện có mật độ cao, đặc biệt được tinh chỉnh tại những vùng dự kiến xuất hiện ứng suất lớn.

Để mô phỏng các điều kiện chịu tải chức năng khác nhau trong quá trình nhai, năm kịch bản tải tĩnh riêng biệt đã được xây dựng. Trong tất cả các mô hình, một lực thẳng đứng 500 N được áp dụng. Giá trị 50 MPa tại xương vỏ được sử dụng như một ngưỡng tham chiếu nhằm xác định các vùng có nguy cơ chịu ứng suất cơ học cao. Nhiều cấu hình implant khác nhau (V0 đến V6 đối với hàm trên và các biến thể tương ứng đối với hàm dưới) được so sánh một cách có hệ thống để đánh giá ảnh hưởng của từng thay đổi thiết kế đến sự phân bố ứng suất trong implant và xương nâng đỡ.

5. Kết quả chính

Các mô phỏng bằng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn cho thấy cả thiết kế của implant và cách thức chịu tải chức năng đều có ảnh hưởng đáng kể đến hành vi cơ sinh học của toàn bộ phức hợp implant – xương. Ở cả hàm trên và hàm dưới, nồng độ ứng suất cao nhất được ghi nhận trong điều kiện chịu tải một bên ở vùng răng trước (Kịch bản tải số 3), trong khi việc phân bố lực nhai lên nhiều điểm nâng đỡ hơn giúp ứng suất được phân tán đồng đều hơn trong cả implant và xương nâng đỡ.

Những điều chỉnh liên tiếp trong thiết kế implant đã cải thiện đáng kể hiệu quả cơ sinh học của hệ thống. Việc bổ sung các vít cố định vào xương vỏ ở vùng phía sau (Mô hình V1) giúp giảm tải cho các điểm neo phía trước và tạo ra sự phân bố lực cân bằng hơn trên toàn bộ cấu trúc implant. Khi thay đổi hướng đặt các vít phía sau theo hướng tiền đình (Mô hình V2), kết quả cơ sinh học thu được tương tự nhưng không mang lại lợi ích rõ rệt so với cấu hình trước đó.

Tại vùng trước của hàm trên, việc di chuyển vị trí các vít cố định đến mỏm trán của xương hàm trên (Mô hình V4) cho hiệu quả tốt hơn so với việc chỉ tăng số lượng vít phía trước (Mô hình V3). Thay đổi này làm giảm các vùng tập trung ứng suất quanh các điểm cố định và cải thiện sự truyền tải lực chức năng qua implant. Kết quả cho thấy vị trí đặt vít cố định có ý nghĩa cơ sinh học quan trọng hơn so với việc chỉ tăng số lượng vít.

Trong điều kiện chịu tải bất lợi nhất, ứng suất kéo quanh một số vít cố định tại xương vỏ vượt quá ngưỡng tham chiếu 50 MPa, cho thấy đây có thể là những vùng chịu tải cơ học cao. Ngược lại, ứng suất tối đa ghi nhận trong cấu trúc implant bằng titan vẫn thấp hơn giới hạn chảy của vật liệu và đạt khoảng 500 MPa, chứng tỏ implant vẫn duy trì được mức độ an toàn cơ học trong các điều kiện mô phỏng.

Một phát hiện đáng chú ý khác là các thanh nối giữa hai nửa implant chỉ có ảnh hưởng rất hạn chế đến sự phân bố ứng suất chung của toàn bộ hệ thống. Theo kết quả mô phỏng, chính cấu trúc phục hình đã cung cấp đủ độ cứng để ổn định hệ thống, do đó các thanh nối chỉ chịu một phần rất nhỏ tải trọng cơ học. Hiện tượng này được ghi nhận ở cả mô hình hàm trên và hàm dưới.

6. Phân tích lâm sàng

Mặc dù nghiên cứu này không bao gồm dữ liệu điều trị trên bệnh nhân và không đánh giá kết quả lâm sàng, nhưng nó cung cấp những thông tin quan trọng cho quá trình thiết kế implant dưới màng xương cá thể hóa. Các mô phỏng cho thấy ngay cả những thay đổi tương đối nhỏ về hình dạng implant cũng có thể ảnh hưởng đáng kể đến cách lực nhai được truyền từ implant sang xương nâng đỡ. Điều này nhấn mạnh vai trò của việc tối ưu hóa thiết kế dựa trên nguyên lý cơ sinh học ngay từ giai đoạn lập kế hoạch kỹ thuật số.

Một trong những kết quả có ý nghĩa nhất là vai trò của các vít cố định vào xương vỏ. Phân tích cho thấy việc lựa chọn vị trí đặt vít hợp lý có ảnh hưởng lớn hơn việc đơn thuần tăng số lượng vít. Việc bổ sung các điểm neo ở vùng phía sau kết hợp với việc thay đổi vị trí các vít phía trước đã giúp phân bố lực đồng đều hơn và giảm các vùng tập trung ứng suất tại xương vỏ.

Nghiên cứu cũng xác định rằng tải chức năng một bên ở vùng răng trước là tình huống cơ sinh học bất lợi nhất. Phát hiện này có thể mang lại giá trị thực tiễn trong quá trình lập kế hoạch kỹ thuật số cho implant dưới màng xương cá thể hóa, vì nó cho phép tối ưu hóa thiết kế nhằm đáp ứng những điều kiện chịu tải khắc nghiệt nhất có thể xảy ra trong quá trình ăn nhai.

Một kết quả đáng quan tâm khác là ảnh hưởng hạn chế của các thanh nối giữa hai nửa implant đối với độ cứng tổng thể của hệ thống. Theo mô hình số, cấu trúc phục hình đã cung cấp đủ độ ổn định cơ học, khiến vai trò của các thanh nối trở nên không đáng kể. Tuy nhiên, kết luận này chỉ phản ánh kết quả của mô phỏng máy tính và không nên được diễn giải như một khuyến cáo lâm sàng về việc loại bỏ các thành phần này trong thực hành.

Giống như mọi nghiên cứu sử dụng phân tích phần tử hữu hạn, công trình này cũng có những hạn chế nhất định. Mô hình tính toán không thể mô phỏng các quá trình sinh học như tích hợp xương (osseointegration), tái cấu trúc xương, sự khác biệt giải phẫu giữa các cá thể, phản ứng của mô mềm hay hiện tượng mỏi vật liệu theo thời gian. Vì vậy, các kết quả chỉ phản ánh hành vi cơ học của hệ thống implant trong điều kiện mô phỏng được kiểm soát và không thể chuyển trực tiếp thành bằng chứng về hiệu quả lâm sàng.

Nhìn chung, nghiên cứu khẳng định rằng phân tích phần tử hữu hạn là một công cụ có giá trị trong việc phát triển và tối ưu hóa implant dưới màng xương cá thể hóa. Việc xác định sớm các điểm yếu về cơ sinh học ngay trong giai đoạn thiết kế có thể góp phần tạo ra những implant an toàn hơn, hiệu quả hơn và phù hợp hơn đối với bệnh nhân bị teo xương hàm nghiêm trọng.

7. Ứng dụng lâm sàng

Kết quả của nghiên cứu này chủ yếu có giá trị trong giai đoạn lập kế hoạch kỹ thuật số và thiết kế các implant dưới màng xương cá thể hóa dành cho bệnh nhân bị teo xương hàm nghiêm trọng. Các mô phỏng cho thấy việc tối ưu hóa hình dạng của implant và vị trí đặt các vít cố định vào xương vỏ có thể cải thiện đáng kể sự phân bố lực chức năng trước khi implant được chế tạo, góp phần tạo ra các cấu trúc có đặc tính cơ sinh học tối ưu hơn.

Những phát hiện này đặc biệt phù hợp với quy trình điều trị kỹ thuật số hiện đại, kết hợp giữa chẩn đoán hình ảnh ba chiều, lập kế hoạch điều trị trên máy tính, công nghệ CAD/CAM và sản xuất bồi đắp để chế tạo implant titan theo từng bệnh nhân. Các dữ liệu thu được có thể hỗ trợ bác sĩ cấy ghép nha khoa, phẫu thuật viên răng hàm mặt, bác sĩ phục hình và kỹ sư y sinh trong việc phát triển các giải pháp điều trị cá thể hóa cho những bệnh nhân có thể tích xương còn lại quá ít để đặt implant nội xương thông thường hoặc thực hiện các kỹ thuật tái tạo xương phức tạp.

Ở góc độ nghiên cứu và phát triển công nghệ, công trình cũng khẳng định vai trò của phân tích phần tử hữu hạn như một công cụ đánh giá cơ sinh học trong giai đoạn thiết kế implant. Việc xác định sớm các vùng có nguy cơ tập trung ứng suất cao cho phép điều chỉnh cấu trúc implant trước khi sản xuất, từ đó giảm nguy cơ lựa chọn những thiết kế có đặc tính cơ học chưa tối ưu.

Tuy nhiên, các ứng dụng này chỉ giới hạn trong lĩnh vực thiết kế và tối ưu hóa cơ sinh học. Nghiên cứu không đánh giá quá trình tích hợp xương, tỷ lệ sống còn của implant, độ ổn định của phục hình hay tần suất các biến chứng sinh học và cơ học. Vì vậy, các kết quả không thể được xem là bằng chứng trực tiếp cho hiệu quả lâm sàng của các thiết kế implant được đề xuất.

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

Đây là một nghiên cứu tiền lâm sàng dựa trên mô phỏng số bằng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn. Mặc dù phương pháp này cho phép đánh giá rất chi tiết hành vi cơ học của implant và xương nâng đỡ, nhưng mức độ bằng chứng khoa học vẫn thấp hơn so với các nghiên cứu lâm sàng tiến cứu, thử nghiệm ngẫu nhiên có đối chứng hoặc các tổng quan hệ thống.

Điểm mạnh nổi bật của nghiên cứu là việc sử dụng các mô hình giải phẫu ba chiều có tính hiện thực cao, so sánh có hệ thống nhiều cấu hình implant khác nhau và áp dụng các điều kiện chịu tải chức năng được chuẩn hóa. Nhờ đó, ảnh hưởng của từng thay đổi trong thiết kế implant đối với sự phân bố ứng suất có thể được đánh giá một cách khách quan.

Tuy nhiên, nghiên cứu cũng tồn tại những hạn chế vốn có của các mô hình mô phỏng số. Các tính toán được thực hiện dựa trên những giả định đơn giản hóa về đặc tính cơ học của vật liệu, điều kiện tiếp xúc giữa implant và xương cũng như các mô hình chịu tải. Những quá trình sinh học phức tạp như tích hợp xương, tái cấu trúc xương, sự khác biệt giữa các cá thể, phản ứng của mô mềm hay hiện tượng mỏi vật liệu theo thời gian đều không được mô phỏng.

Hạn chế lớn nhất của nghiên cứu là không có xác nhận lâm sàng. Không có bệnh nhân nào được điều trị, đồng thời nghiên cứu cũng không đánh giá tỷ lệ sống còn của implant, các biến chứng sinh học, biến chứng phục hình hay kết quả điều trị dài hạn. Do đó, các kết luận chỉ nên được xem là bằng chứng cơ sinh học phục vụ cho việc tối ưu hóa thiết kế implant, chứ không phải là bằng chứng về hiệu quả điều trị trên lâm sàng.

Về tính minh bạch khoa học, các tác giả công bố rằng một số thành viên trong nhóm nghiên cứu có liên kết với BTK Dental, một công ty phát triển các implant cá thể hóa. Mối liên hệ này được khai báo rõ ràng trong bài báo và cần được cân nhắc khi diễn giải kết quả. Tuy nhiên, dựa trên các thông tin được trình bày trong nghiên cứu, không có dấu hiệu cho thấy mối quan hệ này đã ảnh hưởng đến phương pháp nghiên cứu hoặc quá trình phân tích dữ liệu.

9. Những điểm nổi bật của nghiên cứu

• Loại nghiên cứu: Nghiên cứu tiền lâm sàng sử dụng phân tích phần tử hữu hạn (Finite Element Analysis – FEA).
• Mức độ bằng chứng: Nghiên cứu cơ sinh học dựa trên mô phỏng máy tính.
• Mô hình nghiên cứu: Các mô hình ba chiều có độ chân thực cao của hàm trên và hàm dưới bị teo xương nghiêm trọng.
• Số lượng bệnh nhân: Không có bệnh nhân tham gia.
• Các cấu hình được đánh giá: Nhiều thiết kế implant dưới màng xương cá thể hóa (V0 đến V6 đối với hàm trên và các biến thể tương ứng đối với hàm dưới).
• Thời gian theo dõi: Không áp dụng.
• Tiêu chí đánh giá chính: Phân tích sự phân bố ứng suất trong implant và xương vỏ dưới các điều kiện chịu tải chức năng khác nhau.
• Kết quả quan trọng nhất: Hình dạng implant và vị trí chiến lược của các vít cố định vào xương vỏ ảnh hưởng đến sự phân bố lực nhiều hơn việc chỉ tăng số lượng vít. Tải một bên ở vùng răng trước là tình huống cơ sinh học bất lợi nhất.
• Kết luận khoa học: Phân tích phần tử hữu hạn là công cụ hiệu quả để tối ưu hóa thiết kế cơ sinh học của các implant dưới màng xương cá thể hóa trong điều trị teo xương hàm nghiêm trọng.
• Các hạn chế chính: Nghiên cứu hoàn toàn dựa trên mô phỏng số, không có xác nhận lâm sàng và không đánh giá các quá trình sinh học hoặc kết quả điều trị dài hạn.

10. Giá trị khoa học

Nghiên cứu này đóng góp đáng kể vào hiểu biết về cơ sinh học của các implant dưới màng xương cá thể hóa thông qua việc so sánh có hệ thống nhiều chiến lược thiết kế khác nhau trên các mô hình giải phẫu ba chiều có độ chân thực cao. Thay vì đánh giá trực tiếp hiệu quả điều trị lâm sàng, nghiên cứu tập trung vào những nguyên lý cơ học nền tảng có thể định hướng quá trình phát triển các implant cá thể hóa trong tương lai.

Các kết quả cho thấy sự phân bố ứng suất phụ thuộc chủ yếu vào hình dạng implant và vị trí chiến lược của các vít cố định vào xương vỏ hơn là việc tăng số lượng điểm neo. Phát hiện này cung cấp cơ sở khoa học khách quan cho việc tối ưu hóa các thiết kế implant cá thể hóa và nhấn mạnh vai trò quan trọng của kỹ thuật cơ sinh học trong sự phát triển của implant nha khoa hiện đại.

Nghiên cứu cũng làm nổi bật vai trò ngày càng quan trọng của công nghệ số trong implant nha khoa. Việc kết hợp chẩn đoán hình ảnh ba chiều, lập kế hoạch điều trị kỹ thuật số, công nghệ CAD/CAM, sản xuất bồi đắp và mô phỏng số cho phép phát triển các implant phù hợp với giải phẫu từng bệnh nhân, đồng thời đánh giá trước đặc tính cơ học của chúng trước khi chế tạo.

Một kết quả đáng chú ý khác là ảnh hưởng tương đối nhỏ của các thanh nối giữa hai nửa implant khi cấu trúc phục hình đã cung cấp đủ độ cứng cho toàn bộ hệ thống. Mặc dù quan sát này vẫn cần được xác nhận bằng các nghiên cứu lâm sàng, nó có thể mở ra những hướng cải tiến mới trong thiết kế implant dưới màng xương.

Nhìn chung, nghiên cứu khẳng định vai trò ngày càng quan trọng của phân tích phần tử hữu hạn như một công cụ nghiên cứu và phát triển trong implant nha khoa cá thể hóa. Tuy nhiên, vẫn cần có các nghiên cứu lâm sàng tiến cứu để xác định liệu những ưu điểm cơ sinh học được quan sát trong mô phỏng có thực sự giúp cải thiện tỷ lệ sống còn của implant, độ ổn định phục hình và kết quả điều trị ở bệnh nhân bị teo xương hàm nghiêm trọng hay không.

11. Kết luận biên tập

Nghiên cứu tiền lâm sàng này cho thấy phân tích phần tử hữu hạn là một công cụ có giá trị trong việc thiết kế và tối ưu hóa các implant dưới màng xương cá thể hóa dành cho bệnh nhân bị teo xương hàm nghiêm trọng. Các mô phỏng chứng minh rằng việc tối ưu hóa hình dạng implant và đặc biệt là vị trí của các vít cố định vào xương vỏ có thể cải thiện đáng kể sự phân bố lực chức năng và giảm các vùng tập trung ứng suất cục bộ.

Mặc dù những kết quả này chưa thể được xem là bằng chứng trực tiếp về hiệu quả lâm sàng vượt trội, chúng cung cấp nền tảng cơ sinh học vững chắc cho việc phát triển các thế hệ implant dưới màng xương cá thể hóa trong tương lai. Nghiên cứu cũng khẳng định vai trò ngày càng quan trọng của lập kế hoạch kỹ thuật số và mô phỏng số trong implant nha khoa hiện đại, góp phần phát triển các phương pháp điều trị ngày càng chính xác, cá thể hóa và có khả năng dự đoán cao hơn.

Việc xác nhận đầy đủ giá trị lâm sàng của các cải tiến này sẽ cần đến các nghiên cứu tiến cứu với thời gian theo dõi dài hạn nhằm xác định liệu những lợi ích cơ sinh học quan sát được trong mô phỏng có thực sự chuyển thành tỷ lệ sống còn của implant cao hơn, ít biến chứng sinh học và phục hình hơn, cũng như kết quả điều trị tốt hơn ở bệnh nhân bị teo xương hàm nặng hay không.