Phân tích phần tử hữu hạn về đặc tính cơ sinh học của các implant dưới màng xương được thiết kế kỹ thuật số bằng titan, PEEK cải tiến và PEKK trong phục hồi xương hàm trên tiêu xương

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

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

Phân tích phần tử hữu hạn về đặc tính cơ sinh học của các implant dưới màng xương được thiết kế kỹ thuật số bằng titan, PEEK cải tiến và PEKK trong phục hồi xương hàm trên tiêu xương

1. Thông tin tài liệu khoa học

• Tiêu đề bài báo: Biomechanical effects of digitally constructed titanium, modified polyetheretherketone, and polyetherketoneketone subperiosteal implants on atrophied maxilla: a finite element analysis.
• Tác giả: Mohammed A. El-Sawy, Basin El-Khatib, Hesham S. Borg, Mohamed T. Khater.
• Tạp chí: BMC Oral Health
• Năm xuất bản: 2025.
• DOI: 10.1186/s12903-025-06426-z.

2. Bối cảnh khoa học

Phục hồi chức năng bằng implant ở bệnh nhân bị tiêu xương hàm trên nghiêm trọng vẫn là một trong những thách thức lớn nhất của implant nha khoa hiện đại. Khi thể tích xương còn lại không đủ để đặt implant nội xương theo phương pháp thông thường, bác sĩ thường phải áp dụng các kỹ thuật tái tạo phức tạp như ghép xương, nâng xoang hàm hoặc sử dụng implant gò má. Mặc dù các phương pháp này đã mở rộng đáng kể chỉ định điều trị, chúng thường đi kèm với mức độ xâm lấn cao hơn, thời gian điều trị kéo dài và nguy cơ biến chứng sau phẫu thuật lớn hơn.

Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ lập kế hoạch điều trị kỹ thuật số, CAD/CAM và sản xuất bồi đắp (additive manufacturing) đã làm sống lại sự quan tâm đối với implant dưới màng xương được thiết kế riêng cho từng bệnh nhân. Khác với các thiết kế truyền thống trước đây, implant hiện đại được thiết kế hoàn toàn trên môi trường số và chế tạo với độ chính xác cao theo hình thái giải phẫu của từng cá thể. Điều này tạo ra một lựa chọn điều trị đầy hứa hẹn cho những bệnh nhân bị tiêu xương hàm trên nghiêm trọng, không phù hợp với các phương pháp cấy ghép nội xương thông thường.

Trong bối cảnh đó, việc lựa chọn vật liệu chế tạo implant trở thành yếu tố quyết định đến hiệu quả cơ sinh học của toàn bộ hệ thống phục hình. Titan vẫn được xem là vật liệu tiêu chuẩn nhờ đặc tính cơ học ưu việt và hiệu quả lâm sàng đã được chứng minh qua nhiều thập kỷ. Song song với đó, các polymer hiệu năng cao như PEEK cải tiến (BioHPP) và PEKK ngày càng thu hút sự quan tâm do có mô đun đàn hồi gần với xương vỏ hơn. Nghiên cứu này được thực hiện nhằm đánh giá ảnh hưởng của các vật liệu này đến sự phân bố ứng suất trong xương hàm trên bị tiêu dưới các điều kiện tải chức năng.

3. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của nghiên cứu là đánh giá ảnh hưởng cơ sinh học của các vật liệu khác nhau được sử dụng cho cả khung implant dưới màng xương và cấu trúc phục hình ở bệnh nhân bị tiêu xương hàm trên nghiêm trọng.

Thông qua phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (Finite Element Analysis – FEA), các tác giả đã so sánh titan, PEEK cải tiến và PEKK trong chín tổ hợp vật liệu khác nhau, đồng thời đánh giá ảnh hưởng của từng tổ hợp đến sự phân bố ứng suất trong xương nâng đỡ, vít cố định, lớp xi măng gắn và các thành phần phục hình dưới các điều kiện tải được xem là có ý nghĩa lâm sàng.

4. Phương pháp nghiên cứu

Đây là một nghiên cứu tiền lâm sàng sử dụng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (Finite Element Analysis – FEA) nhằm đánh giá đặc tính cơ sinh học của implant dưới màng xương được thiết kế theo từng bệnh nhân. Mô hình ba chiều của một xương hàm trên bị tiêu được xây dựng từ dữ liệu chụp cắt lớp vi tính (CT), sau đó được xử lý thông qua quy trình thiết kế CAD hoàn toàn kỹ thuật số và phân tích bằng phần mềm ANSYS. Độ tin cậy của mô hình số được kiểm chứng bằng cách so sánh với các nghiên cứu FEA đã được công bố trước đó.

Implant dưới màng xương cá thể hóa được cố định bằng 12 vít mini bằng titan có đường kính 2 mm, với chiều dài 5 mm, 7 mm và 9 mm, được lựa chọn phù hợp với đặc điểm giải phẫu của xương hàm trên. Cả khung implant và cấu trúc phục hình đều được mô phỏng bằng titan, PEEK cải tiến (BioHPP) và PEKK, tạo thành 9 tổ hợp vật liệu khác nhau để so sánh về mặt cơ sinh học.

Ba điều kiện tải chức năng được mô phỏng gồm:

• tải thẳng đứng hai bên vùng răng sau với lực 200 N;
• tải chéo hai bên vùng răng sau với lực 100 N, nghiêng 30°;
• tải thẳng đứng vùng răng trước với lực 150 N, tác động lên các răng cửa.

Các thông số được phân tích bao gồm ứng suất Von Mises, ứng suất chính và độ dịch chuyển của implant, phục hình và mô xương xung quanh.

5. Kết quả chính

Các mô phỏng bằng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn cho thấy có sự khác biệt rõ rệt về đặc tính cơ sinh học giữa các vật liệu được đánh giá. Trong tất cả các kịch bản chịu tải, implant dưới màng xương chế tạo bằng titan thể hiện hiệu quả cơ sinh học tốt nhất, với khả năng giảm truyền ứng suất đến xương nâng đỡ và các vít cố định tốt hơn so với các vật liệu polymer. Ưu thế này đặc biệt rõ ràng khi tải được đặt lên vùng răng trước – tình huống được xác định là điều kiện cơ học bất lợi nhất trong nghiên cứu.

Giá trị ứng suất trong mô xương thấp nhất luôn được ghi nhận ở các mô hình sử dụng khung implant bằng titan. PEEK cải tiến tạo ra nồng độ ứng suất cao nhất trong xương, trong khi PEKK có giá trị trung gian. Khi mô phỏng tải thẳng đứng lên vùng răng cửa, titan là vật liệu duy nhất duy trì ứng suất trong xương dưới ngưỡng sinh lý được các tác giả đề cập, trong khi cả hai vật liệu polymer đều tạo ra các giá trị cao hơn đáng kể.

Xu hướng tương tự cũng được ghi nhận tại lớp xi măng gắn. Các cấu hình sử dụng titan tạo ra mức ứng suất thấp nhất dưới cả tải vùng răng sau và vùng răng trước, trong khi PEEK cải tiến tạo ra giá trị cao nhất. Theo các tác giả, tải ở vùng răng trước là điều kiện bất lợi nhất đối với giao diện xi măng và có thể làm tăng nguy cơ bong phục hình khi sử dụng các vật liệu có độ cứng thấp hơn.

Điều đáng chú ý là titan lại tạo ra mức ứng suất nội tại cao nhất ngay trong chính cấu trúc phục hình. Tuy nhiên, điều này không được xem là bất lợi mà phản ánh độ cứng rất cao của vật liệu. Nhờ khả năng hấp thụ phần lớn tải chức năng, titan giúp giảm lượng lực truyền đến xương, lớp xi măng và các vít cố định. Ngược lại, PEEK cải tiến và PEKK, mặc dù có khả năng biến dạng và hấp thụ năng lượng tốt hơn do mô đun đàn hồi thấp hơn, lại truyền lực nhai đến các cấu trúc nâng đỡ nhiều hơn.

Ứng suất ghi nhận tại các vít mini bằng titan đều nằm trong giới hạn an toàn ở mọi điều kiện tải được mô phỏng. Mặc dù các cấu hình sử dụng vật liệu polymer làm tăng ứng suất lên vít cố định, đặc biệt trong điều kiện tải vùng răng trước, các giá trị này vẫn thấp hơn giới hạn cơ học được chấp nhận đối với titan. Ngoài ra, tất cả các mô hình đều cho thấy mức biến dạng nằm trong giới hạn sinh lý của mô hình nghiên cứu, không xuất hiện dấu hiệu nguy cơ hỏng cấu trúc dưới các điều kiện tải được khảo sát.

6. Phân tích lâm sàng

Nghiên cứu này đóng góp đáng kể vào việc hiểu rõ hơn đặc tính cơ sinh học của các implant dưới màng xương cá thể hóa được chế tạo bằng quy trình kỹ thuật số – một lĩnh vực đang phát triển mạnh trong implant nha khoa hiện đại. Khác với nhiều nghiên cứu trước đây chỉ tập trung vào từng thành phần riêng lẻ của hệ thống implant, các tác giả đã đánh giá đồng thời ảnh hưởng của vật liệu dùng cho cả khung implant dưới màng xương và cấu trúc phục hình, từ đó cung cấp cái nhìn toàn diện hơn về hành vi cơ học của toàn bộ hệ thống phục hồi.

Kết quả cho thấy độ cứng của vật liệu là yếu tố quyết định trong việc phân bố tải trọng cơ học. Titan thể hiện hiệu quả tối ưu khi hấp thụ phần lớn ứng suất trong chính cấu trúc của implant, đồng thời giảm đáng kể lực truyền đến xương nâng đỡ, vít cố định và lớp xi măng. Xét dưới góc độ cơ sinh học, đây là đặc tính có lợi vì việc bảo vệ các mô sinh học quan trọng hơn nhiều so với việc giảm ứng suất nội tại trong một vật liệu kim loại có độ bền cơ học rất cao.

PEEK cải tiến và PEKK lại thể hiện cơ chế khác biệt. Mô đun đàn hồi thấp hơn giúp chúng có khả năng biến dạng và hấp thụ năng lượng tốt hơn, điều vốn được xem là một ưu điểm tiềm năng. Tuy nhiên, các mô phỏng cho thấy chính đặc tính linh hoạt này cũng làm tăng sự truyền ứng suất đến xương nâng đỡ và các thành phần cố định, đặc biệt dưới tải vùng răng trước – nơi xuất hiện chủ yếu các lực uốn. Những phát hiện này cho thấy các polymer hiệu năng cao không nên được xem là sự thay thế trực tiếp cho titan mà cần được lựa chọn dựa trên yêu cầu chức năng của từng trường hợp lâm sàng cụ thể.

Các tác giả cũng nhấn mạnh rằng những kết luận trên cần được diễn giải trong bối cảnh các giới hạn vốn có của mô hình mô phỏng. Phân tích phần tử hữu hạn có thể mô tả rất chính xác sự phân bố ứng suất nhưng không phản ánh được các quá trình sinh học như tái cấu trúc xương, tích hợp xương (osseointegration), sự khác biệt về chất lượng xương giữa các bệnh nhân, các thói quen cận chức năng hoặc sự thay đổi đặc tính vật liệu theo thời gian. Vì vậy, kết quả của nghiên cứu nên được xem như một công cụ hỗ trợ tối ưu hóa thiết kế và lập kế hoạch điều trị, chứ chưa phải bằng chứng lâm sàng khẳng định ưu thế tuyệt đối của bất kỳ vật liệu nào.

7. Ứng dụng lâm sàng

Kết quả của nghiên cứu có thể hỗ trợ các bác sĩ trong quá trình lập kế hoạch kỹ thuật số cho phục hồi bằng implant dưới màng xương cá thể hóa ở bệnh nhân bị tiêu xương hàm trên nghiêm trọng. Dựa trên các phân tích cơ sinh học, titan vẫn là vật liệu được ưu tiên lựa chọn trong những trường hợp dự kiến chịu lực nhai lớn, phục hồi cố định toàn hàm hoặc có răng thật ở hàm đối diện. Khả năng hạn chế truyền lực đến xương và các thành phần cố định giúp titan mang lại mức độ an toàn và tính dự đoán cao hơn trong các tình huống này.

PEKK và PEEK cải tiến có thể là những lựa chọn thay thế trong các chỉ định được lựa chọn cẩn thận, đặc biệt ở bệnh nhân có lực nhai thấp, phục hình toàn hàm tháo lắp ở hàm đối diện hoặc một số trường hợp phục hồi vùng răng trước. Tuy nhiên, các tác giả nhấn mạnh rằng những gợi ý này chỉ dựa trên kết quả mô phỏng bằng máy tính và cần được xác nhận bằng các nghiên cứu thực nghiệm cũng như các thử nghiệm lâm sàng tiến cứu trước khi có thể áp dụng rộng rãi trong thực hành implant nha khoa.

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

Nghiên cứu này là một nghiên cứu tiền lâm sàng sử dụng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (Finite Element Analysis – FEA). Mặc dù FEA được công nhận rộng rãi là một công cụ đáng tin cậy để đánh giá đặc tính cơ học của các hệ thống implant, phương pháp này không thể thay thế các nghiên cứu lâm sàng trên bệnh nhân. Mô phỏng số cho phép phân tích rất chi tiết sự phân bố ứng suất trong các điều kiện tiêu chuẩn hóa, nhưng không thể dự đoán trực tiếp tỷ lệ tồn tại của implant, đáp ứng sinh học của mô hay hiệu quả điều trị lâu dài. Vì vậy, các kết quả của nghiên cứu cần được xem như bằng chứng cơ sinh học mang tính lý thuyết, có giá trị hỗ trợ thiết kế implant và lựa chọn vật liệu, chứ chưa phải bằng chứng lâm sàng khẳng định ưu thế của bất kỳ vật liệu nào.

Các tác giả cũng chỉ ra một số hạn chế quan trọng của nghiên cứu. Mô hình tính toán được xây dựng dựa trên một trường hợp xương hàm trên tiêu xương duy nhất, do đó khả năng khái quát hóa kết quả cho toàn bộ quần thể bệnh nhân còn hạn chế. Ngoài ra, tất cả các vật liệu đều được giả định là đẳng hướng, đồng nhất và đàn hồi tuyến tính, trong khi đặc tính cơ học thực tế của xương và các polymer hiệu năng cao phức tạp hơn nhiều. Đây là giả định phổ biến trong các nghiên cứu FEA nhưng vẫn làm giảm khả năng phản ánh hoàn toàn điều kiện sinh học thực tế.

Một hạn chế khác là nghiên cứu chỉ mô phỏng các tải tĩnh. Các yếu tố như mỏi vật liệu, tải nhai lặp lại, quá trình tái cấu trúc xương, tích hợp xương (osseointegration), các thói quen cận chức năng hay sự khác biệt về chất lượng xương giữa các cá thể đều không được đưa vào mô hình. Đồng thời, các kết quả thu được chưa được xác nhận bằng thí nghiệm trong phòng thí nghiệm hoặc các nghiên cứu lâm sàng tiến cứu. Do đó, cần có thêm các nghiên cứu thực nghiệm và lâm sàng để kiểm chứng các kết luận của công trình này.

Về tính minh bạch khoa học, các tác giả tuyên bố không có xung đột lợi ích. Việc xuất bản theo hình thức truy cập mở được hỗ trợ bởi Science, Technology & Innovation Funding Authority (STDF) phối hợp với Egyptian Knowledge Bank (EKB). Đồng thời, nhóm nghiên cứu khẳng định rằng công trình không nhận nguồn tài trợ nghiên cứu chuyên biệt từ các cơ quan nhà nước, doanh nghiệp tư nhân hoặc các tổ chức phi lợi nhuận.

9. Những điểm chính 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 hình mô phỏng bằng máy tính.
• Mô hình nghiên cứu: Mô hình ba chiều của một xương hàm trên tiêu xương được xây dựng từ dữ liệu chụp CT.
• Số lượng bệnh nhân: Một mô hình giải phẫu duy nhất được sử dụng để mô phỏng.
• Số cấu hình vật liệu được đánh giá: Chín tổ hợp vật liệu gồm titan, PEEK cải tiến (BioHPP) và PEKK.
• Thời gian theo dõi: Không áp dụng.
• Tiêu chí đánh giá chính: Phân bố ứng suất trong xương, vít cố định, lớp xi măng và các thành phần implant – phục hình dưới các điều kiện tải khác nhau.
• Kết quả nổi bật: Titan thể hiện đặc tính cơ sinh học tối ưu nhất, giúp giảm đáng kể ứng suất truyền đến xương và các thành phần cố định.
• Kết luận của nghiên cứu: Titan tiếp tục là vật liệu tham chiếu cho implant dưới màng xương cá thể hóa, trong khi PEKK và PEEK cải tiến có thể là lựa chọn thay thế trong các chỉ định lâm sàng được lựa chọn cẩn thận.
• Các hạn chế chính: Chỉ sử dụng một mô hình giải phẫu, đơn giản hóa đặc tính vật liệu, mô phỏng tải tĩnh và chưa có xác nhận bằng nghiên cứu thực nghiệm hoặc lâm sàng.

10. Ý nghĩa khoa học

Nghiên cứu này đóng góp quan trọng cho lĩnh vực implant dưới màng xương cá thể hóa được thiết kế bằng công nghệ số. Trong khi phần lớn các nghiên cứu trước đây chỉ tập trung vào từng vật liệu hoặc từng thành phần riêng lẻ của hệ thống implant, công trình này đánh giá đồng thời ảnh hưởng của vật liệu sử dụng cho cả khung implant dưới màng xương và cấu trúc phục hình đối với hành vi cơ sinh học của toàn bộ hệ thống. Cách tiếp cận này giúp hiểu rõ hơn mối liên hệ giữa đặc tính vật liệu và sự phân bố ứng suất trong các phục hình implant phức tạp.

Kết quả nghiên cứu tiếp tục khẳng định titan là vật liệu tiêu chuẩn cho các implant dưới màng xương cá thể hóa trong điều trị tiêu xương hàm trên nghiêm trọng. Đồng thời, nghiên cứu cũng mở rộng hiểu biết về đặc tính cơ sinh học của các vật liệu tiên tiến như PEEK cải tiến và PEKK. Thay vì xem chúng là vật liệu thay thế trực tiếp cho titan, các tác giả cho thấy việc sử dụng các polymer này cần được cân nhắc dựa trên mức độ tải chức năng và đặc điểm của từng bệnh nhân. Điều này phù hợp với xu hướng phát triển của implant nha khoa kỹ thuật số theo hướng điều trị cá thể hóa.

Ngoài ra, nghiên cứu cũng nhấn mạnh nhu cầu cần có thêm các nghiên cứu trong tương lai. Các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, thử nghiệm mỏi vật liệu, đánh giá sinh học và các nghiên cứu lâm sàng tiến cứu sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc xác định liệu những ưu điểm cơ sinh học quan sát được trong mô phỏng có thực sự chuyển thành hiệu quả lâm sàng và độ bền lâu dài của implant hay không.

11. Kết luận biên tập

Nghiên cứu phân tích phần tử hữu hạn này cung cấp một đánh giá toàn diện về đặc tính cơ sinh học của các implant dưới màng xương được thiết kế kỹ thuật số bằng titan, PEEK cải tiến và PEKK trong điều trị tiêu xương hàm trên nghiêm trọng. Trong phạm vi những giới hạn vốn có của mô hình mô phỏng, titan cho thấy hiệu quả cơ học vượt trội khi liên tục giảm sự truyền ứng suất đến xương nâng đỡ, vít cố định và lớp xi măng. Mặc dù PEEK cải tiến và PEKK là những vật liệu sinh học tiên tiến với nhiều tiềm năng ứng dụng, việc sử dụng rộng rãi trên lâm sàng vẫn cần được xác nhận bằng các nghiên cứu thực nghiệm và các thử nghiệm lâm sàng tiến cứu. Nhìn chung, công trình này là một đóng góp khoa học có giá trị cho sự phát triển của implant nha khoa kỹ thuật số cá thể hóa, đồng thời nhấn mạnh tầm quan trọng của việc lựa chọn vật liệu phù hợp nhằm tối ưu hóa đặc tính cơ sinh học và nâng cao tính tiên lượng của các phục hồi bằng implant dưới màng xương.