Thiết kế và tối ưu hóa một implant dưới màng xương cá thể hóa mới được chế tạo bằng công nghệ sản xuất bồi đắp từ zirconia ổn định bằng yttri

Gunpreet Oberoi, Erik Kornfellner, Daniel Alexander Aigner, Ewald Unger, Martin Schwentenwein, Daniel Bomze, Christoph Staudigl, Dieter Pahr, Francesco Moscato

Full text link: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39084954/

Thiết kế và tối ưu hóa một implant dưới màng xương cá thể hóa mới được chế tạo bằng công nghệ sản xuất bồi đắp từ zirconia ổn định bằng yttri

1. Thông tin tài liệu khoa học

• Tên nghiên cứu: Thiết kế và tối ưu hóa một implant dưới màng xương cá thể hóa mới được chế tạo bằng công nghệ sản xuất bồi đắp từ zirconia ổn định bằng yttri
• Tác giả: Gunpreet Oberoi, Erik Kornfellner, Daniel Alexander Aigner, Ewald Unger, Martin Schwentenwein, Daniel Bomze, Christoph Staudigl, Dieter Pahr, Francesco Moscato
• Tạp chí khoa học: Dental Materials
• Năm xuất bản: 2024
• DOI: 10.1016/j.dental.2024.07.008

2. Bối cảnh khoa học

Phục hồi chức năng cho bệnh nhân mất răng toàn bộ kèm tiêu xương hàm trên nghiêm trọng là một trong những thách thức lớn nhất trong cấy ghép nha khoa hiện đại. Khi thể tích xương còn lại không đủ để đặt implant nội xương theo các phương pháp thông thường, các giải pháp thay thế mang tính cá thể hóa ngày càng được quan tâm.

Sự phát triển của chẩn đoán hình ảnh ba chiều, thiết kế kỹ thuật số, công nghệ CAD/CAM và in 3D đã tạo điều kiện cho việc thiết kế các implant phù hợp với giải phẫu riêng của từng bệnh nhân. Trong bối cảnh đó, implant dưới màng xương đang được nghiên cứu trở lại như một lựa chọn tiềm năng cho các trường hợp tiêu xương nghiêm trọng.

Bên cạnh đó, zirconia ổn định bằng yttri được xem là một vật liệu đầy triển vọng nhờ đặc tính cơ học tốt và khả năng tương thích sinh học cao. Nghiên cứu này kết hợp tối ưu hóa tô-pô, phân tích phần tử hữu hạn và in 3D gốm nhằm phát triển một implant dưới màng xương được thiết kế riêng cho bệnh nhân có tình trạng tiêu xương hàm trên nặng.

3. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của nghiên cứu là thiết kế và tối ưu hóa một implant dưới màng xương dành riêng cho bệnh nhân sử dụng vật liệu zirconia ổn định bằng yttri 3 mol% (3YSZ).

Các tác giả mong muốn đánh giá khả năng ứng dụng phương pháp tối ưu hóa tô-pô để xác định những vùng có thể thay thế vật liệu đặc bằng cấu trúc mạng lưới (lattice) mà vẫn duy trì độ bền cơ học cần thiết. Ngoài ra, nghiên cứu cũng xem xét liệu cách tiếp cận này có thể làm tăng diện tích bề mặt implant và tạo điều kiện thuận lợi hơn cho quá trình tích hợp xương hay không.

4. Phương pháp nghiên cứu

Đây là một nghiên cứu tiền lâm sàng dựa trên thiết kế kỹ thuật số, mô phỏng số và công nghệ sản xuất bồi đắp.

Dữ liệu chụp cắt lớp vi tính (CT) đã được ẩn danh của một bệnh nhân bị tiêu xương hàm trên nghiêm trọng được sử dụng để xây dựng mô hình giải phẫu ba chiều. Từ mô hình này, một implant dưới màng xương cá thể hóa được thiết kế.

Tiếp theo, nhóm nghiên cứu thực hiện phân tích phần tử hữu hạn (Finite Element Analysis – FEA) nhằm đánh giá ứng xử cơ học của implant dưới các điều kiện tải lực khớp cắn khác nhau. Ba tình huống tải lực được mô phỏng bao gồm vùng răng cối phải, vùng răng cửa và vùng răng cối trái.

Kết quả mô phỏng được sử dụng để tiến hành tối ưu hóa tô-pô nhằm xác định các vùng chịu ứng suất thấp. Những khu vực này sau đó được thay thế bằng cấu trúc xốp dạng lattice. Thiết kế tối ưu tiếp tục được đánh giá bằng các mô phỏng cơ học trước khi được chế tạo bằng công nghệ in 3D gốm dựa trên quang trùng hợp từng lớp sử dụng vật liệu 3YSZ.

5. Kết quả chính

Quy trình nghiên cứu đã tạo ra hai phiên bản implant cá thể hóa: một thiết kế đặc hoàn toàn và một thiết kế được tối ưu hóa với cấu trúc lattice tích hợp.

Các mô phỏng cho thấy mô đun đàn hồi Young của zirconia đặc là 205 GPa, trong khi cấu trúc lattice có mô đun đàn hồi hiệu dụng là 83,3 GPa. Ứng suất chính cực đại ghi nhận được là 61,14 MPa ở phần vật liệu đặc và 278,63 MPa ở cấu trúc lattice.

Theo các tác giả, những giá trị này vẫn thấp hơn đáng kể so với độ bền phá hủy của vật liệu được báo cáo là 940 MPa. Trong điều kiện mô phỏng, implant có khả năng chịu được lực nhai từ 125 đến 250 N trên mỗi trụ phục hình.

Việc áp dụng tối ưu hóa tô-pô giúp giảm khối lượng implant 13,08% đồng thời tăng diện tích bề mặt lên 208,71%. Thiết kế tối ưu cuối cùng đã được chế tạo thành công bằng công nghệ in 3D gốm và quá trình thiêu kết.

6. Phân tích lâm sàng

Giá trị quan trọng nhất của nghiên cứu nằm ở việc chứng minh tính khả thi của một quy trình phát triển implant cá thể hóa hoàn toàn dựa trên công nghệ số. Công trình này cho thấy dữ liệu hình ảnh y khoa, thiết kế máy tính, mô phỏng cơ học và in 3D có thể được tích hợp trong một quy trình thống nhất nhằm tạo ra các giải pháp phục hồi phù hợp với từng bệnh nhân.

Điểm nổi bật của nghiên cứu là việc sử dụng tối ưu hóa tô-pô như một công cụ thiết kế. Phương pháp này không chỉ nhằm giảm lượng vật liệu sử dụng mà còn giúp xác định những vùng ít chịu tải để thay thế bằng cấu trúc xốp mà không làm suy giảm đáng kể độ ổn định cơ học của implant.

Sự gia tăng đáng kể diện tích bề mặt của implant là một phát hiện đáng chú ý. Về mặt lý thuyết, diện tích tiếp xúc lớn hơn có thể tạo điều kiện thuận lợi cho sự tương tác giữa implant và mô xương. Tuy nhiên, nghiên cứu không trực tiếp đánh giá quá trình tích hợp xương và không cung cấp bằng chứng sinh học xác nhận lợi ích này.

Từ góc độ cơ sinh học, các mô phỏng cho thấy thiết kế tối ưu có khả năng chịu được các tải lực được khảo sát. Dù vậy, các mô hình tính toán không thể tái hiện hoàn toàn môi trường sinh học phức tạp trong khoang miệng cũng như dự đoán chính xác hiệu quả lâm sàng lâu dài.

Do đó, kết quả của nghiên cứu nên được xem là bằng chứng về tính khả thi kỹ thuật hơn là bằng chứng xác nhận hiệu quả điều trị trên lâm sàng.

7. Ứng dụng lâm sàng

Những kết quả của nghiên cứu có thể hữu ích trong các lĩnh vực sau:

• Phục hồi implant cho bệnh nhân tiêu xương hàm trên nghiêm trọng.
• Điều trị bệnh nhân mất răng toàn bộ với thể tích xương hạn chế.
• Thiết kế implant dưới màng xương cá thể hóa.
• Lập kế hoạch cấy ghép kỹ thuật số.
• Ứng dụng quy trình CAD/CAM trong phẫu thuật miệng và hàm mặt.
• Chế tạo implant gốm bằng công nghệ in 3D.
• Tái tạo hàm mặt trong các trường hợp giải phẫu phức tạp.
• Nghiên cứu các bề mặt implant có tiềm năng hỗ trợ tích hợp xương.

Nghiên cứu không cung cấp dữ liệu để khẳng định ưu thế lâm sàng của giải pháp này so với các phương pháp điều trị hiện có.

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

Đây là một nghiên cứu tiền lâm sàng thuộc lĩnh vực kỹ thuật y sinh, chủ yếu dựa trên mô phỏng số và chế tạo thực nghiệm.

Mức độ bằng chứng còn hạn chế do không bao gồm thử nghiệm lâm sàng, dữ liệu theo dõi dài hạn hoặc đánh giá tỷ lệ sống còn của implant.

Các tác giả đã nêu một số hạn chế của nghiên cứu, bao gồm việc không thực hiện phân tích hội tụ lưới tính toán, sử dụng các giả định đơn giản hóa về đặc tính cơ học của xương và sự cần thiết phải xác nhận kết quả bằng các thử nghiệm cơ học thực tế cũng như các nghiên cứu lâm sàng trong tương lai. Ngoài ra, các kịch bản tải lực được mô phỏng chưa phản ánh đầy đủ mọi điều kiện chức năng trong khoang miệng.

Về tính minh bạch, một số tác giả có liên kết với Lithoz GmbH – đơn vị cung cấp công nghệ và vật liệu in gốm được sử dụng trong nghiên cứu. Thông tin này cần được cân nhắc khi diễn giải kết quả.

Nghiên cứu nhận tài trợ từ Ủy ban Châu Âu thông qua chương trình Horizon H2020 trong khuôn khổ dự án INKplant.

9. Những điểm chính của nghiên cứu

• Loại nghiên cứu: Nghiên cứu tiền lâm sàng về thiết kế và mô phỏng cơ sinh học.
• Mức độ bằng chứng: Thấp đến trung bình.
• Đối tượng hoặc dữ liệu nghiên cứu: Mô hình giải phẫu được xây dựng từ dữ liệu CT đã ẩn danh.
• Số lượng bệnh nhân hoặc implant: Một thiết kế implant cá thể hóa.
• Thời gian theo dõi: Không được nêu trong dữ liệu cung cấp.
• Tiêu chí đánh giá chính: Hiệu suất cơ học và tối ưu hóa tô-pô của implant dưới màng xương bằng zirconia.
• Kết quả nổi bật: Giảm khối lượng implant 13,08% và tăng diện tích bề mặt 208,71% trong khi vẫn duy trì mức ứng suất được xem là phù hợp.
• Kết luận khoa học: Tối ưu hóa tô-pô có thể xác định các vùng chịu tải thấp để tích hợp cấu trúc lattice mà không làm ảnh hưởng đáng kể đến độ ổn định cơ học được mô phỏng.
• Hạn chế chính: Chưa có xác nhận lâm sàng và phụ thuộc vào mô hình tính toán.

10. Tác động khoa học

Nghiên cứu này đóng góp vào sự phát triển của lĩnh vực implant nha khoa cá thể hóa được sản xuất bằng công nghệ in 3D. Trong khi phần lớn các nghiên cứu trước đây về implant dưới màng xương tập trung vào vật liệu kim loại, công trình này mở rộng phạm vi nghiên cứu sang zirconia ổn định bằng yttri.

Một điểm đáng chú ý khác là sự kết hợp đồng thời của nhiều công nghệ tiên tiến như hình ảnh y khoa, phân tích phần tử hữu hạn, tối ưu hóa tô-pô và in 3D gốm trong cùng một quy trình phát triển sản phẩm. Điều này cho thấy tiềm năng tạo ra các implant được thiết kế riêng dựa trên cả yếu tố giải phẫu và cơ sinh học.

Ngoài ra, việc sử dụng cấu trúc lattice dựa trên phân bố ứng suất mở ra những hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực implant cá thể hóa. Mặc dù vẫn cần thêm các nghiên cứu thực nghiệm và lâm sàng, công trình này cung cấp nền tảng phương pháp luận quan trọng cho các nghiên cứu tương lai về implant gốm và phục hồi hàm mặt phức tạp.

11. Kết luận biên tập

Nghiên cứu trình bày một phương pháp tiếp cận mới trong thiết kế implant dưới màng xương cá thể hóa dành cho bệnh nhân bị tiêu xương hàm trên nghiêm trọng. Bằng cách kết hợp lập kế hoạch kỹ thuật số, tối ưu hóa tô-pô, mô phỏng cơ sinh học và in 3D gốm, các tác giả đã chứng minh tính khả thi về mặt kỹ thuật của một thế hệ implant zirconia mới. Mặc dù kết quả hiện chỉ giới hạn trong môi trường tiền lâm sàng, nghiên cứu đã cung cấp những dữ liệu có giá trị cho sự phát triển của implant nha khoa cá thể hóa và các ứng dụng sản xuất bồi đắp trong phẫu thuật hàm mặt.