Uwarunkowania materia owe wydolno ci czynno ciowej ca kowitych osiadaj cych protez z bowych

Transkrypt

1 Uwarunkowania materia owe wydolno ci czynno ciowej ca kowitych osiadaj cych protez z bowych Jaros aw mudzki Politechnika l ska, ul. Akademicka 2A, Gliwice, Polska Adres korespondencyjny jaroslaw.zmudzki@polsl.pl Streszczenie Cel: Projektowanie materia ów osiadaj cych protez z bowych natrafia na trudno ci wynikaj ce z braku metody oceny uwarunkowa materia owych wydolno ci czynno ciowej protez. Celem poznawczym pracy by o dokonanie oceny wp ywu w asno ci materia owych protezy osiadaj cej, jak równie naturalnego pod o a b ony luzowej na transmisj obci e eksploatacyjnych. Hipotez pracy by o, e na podstawie bada materia ów w symulowanych warunkach obci e eksploatacyjnych mo liwe jest kszta towanie w asno ci materia ów protez w kryteriach no no ci tkanek. Projekt/metodologia/podej cie: Oryginalne podej cie do zagadnienia bada materia ów polega o na przyj ciu jako podstawy ich oceny, zjawisk przenoszenia obci e eksploatacyjnych w trakcie podstawowych funkcji spe nianych przez protezy w jamie ustnej: funkcji ucia lub u ytkowania spoczynkowego (poza funkcj rozdrabniania pokarmów), które w sposób od siebie niezale ny warunkuj wydolno czynno ciow protezy. Warunki obci e eksploatacyjnych symulowano numerycznie MES w zakresie du ych przemieszcze z uwzgl dnieniem odrywania lub po lizgu dolnej protezy po pod o u b ony luzowej. Osi gni cia: Dobre odwzorowanie obci e eksploatacyjnych pozwoli o na uzyskanie nieosi galnego dotychczas wysokiego poziomu zgodno ci rezultatów analiz numerycznych z obserwacjami klinicznymi. W zobiektywizowanych miarach dyskomfortu bólowego i obci e implantów ocenione zosta y materia y i konstrukcje protez akrylowych twardych, jak równie pod cielanych materia ami o zró nicowanej mi kko ci, a tak e stabilizowanych na dwóch lub jednym implancie za pomoc z czy zró nicowanych pod wzgl dem materia owym. Streszczenie 5

2 Open Access Library Volume 4 (10) 2012 Stwierdzono, e w warunkach u ytkowania spoczynkowego odchy ki technologiczne s przyczyn znacznych obci e b ony luzowej i implantów. Mi kkie materia y pod cielaj ce wykaza y oko o 10-krotnie wi ksz skuteczno do zmniejszania obci e spoczynkowych ni zmniejszania obci e transmitowanych podczas ucia. W warunkach obci e ucia materia y pod cielaj ce wp ywa y korzystnie na 2-3,5 krotne zmniejszenie maksymalnego nacisku, ale i jednocze nie niekorzystnie ze wzgl du na oko o 3-krotne zwi kszenie drogi po lizgu. Ograniczenia bada /zastosowa : Badania wykonano w odniesieniu do niekorzystnych przypadków pod o a dolnych protez, wychodz c naprzeciw pilnej potrzebie polepszenia wydolno ci czynno ciowej w tej grupie przypadków. Przyjmowano liniowo-spr yste izotropowe charakterystyki materia owe ze wzgl du stopie z o ono ci oblicze kontaktu. Praktyczne zastosowania: Projektowane materia owo elastomerowe z cza nada y rozwi zaniom protez nak adowych niedost pn dotychczas jako, polegaj c na mo liwo ci planowania i polepszania cech funkcjonalnych protez zale nie od zastanych indywidualnych warunków posadowienia. Poprzez dobór materia u z cza implantu z protez oraz wprowadzenie funkcjonalnej gradacji spr ysto ci w mi kkiej warstwie pod cielaj cej protez wykazano mo liwo uzyskania rozwi za ta szych i bezpieczniejszych ni dotychczas uznane za standard leczniczy. Z cza elastomerowe nie powodowa y niebezpiecznego stanu obci enia implantu, w tym wyci gania z ko ci, natomiast stabilizowa y protez a do uzyskania kontaktu balansuj cego, nawet przy znacznym jego spó nieniu. Uzyskano pe n kontrol nad dystrybucj obci e pomi dzy implantem oraz pod o em b ony luzowej, w tym kontrol nad strefowym rozdzia em obci e na obszary b ony luzowej. Oryginalno /warto : Sprecyzowane zosta y uniwersalne zasady doboru materia ów i konstrukcji protez w wielostronnych kryteriach wydolno ci czynno ciowej protez, co stanowi podstaw do rozwi zywania problemów projektowania dowolnego typu uzupe nie protetycznych. S owa kluczowe: Materia stomatologiczny; Wydolno ucia; Obci enie implantu; Nacisk; Dyskomfort bólowy Cytowania tej monografii powinny by podane w nast puj cy sposób: J. mudzki, Uwarunkowania materia owe wydolno ci czynno ciowej ca kowitych osiadaj cych protez z bowych, Open Access Library, Volume 4 (10) (2012) J. mudzki

3 Material conditionings of functional efficiency of mucous-borne complete denture Jaros aw mudzki Silesian University of Technology, ul. Akademicka 2A, Gliwice, Polska Corresponding address: Abstract Purpose: The development of materials for the mucous-borne dentures encounters difficulties resulting from the lack of evaluation method for materials conditions related to the dentures mastication efficacy. The aim of this study was to evaluate the influence of the mucous-borne denture and mucous membrane foundation material properties on the transmission of loads. The assumed hypothesis is the possibility to form denture material properties in the aspect of a bio-compatible tissue load bearing capacity. Design/methodology/approach: The attitude towards the studies on materials was based on their evaluation in the aspect of loads transmission phenomena that occur during basic functions played by the dentures in the oral cavity: mastication or resting exploitation (apart from the function of food comminution), which independently influences denture efficacy. The exploitation loads were simulated numerically by means of a Finite Element Method analysis in the range of large displacements that took into account detaching and sliding of the lower denture on the mucous membrane foundation. Findings: The high consistency of the results of numerical analyses and clinical observations was for the first time achieved thanks to the proper representation of exploitation loads. Materials and design of hard acrylic dentures, dentures relined with materials having various softness and dentures retained on a single or on two implants by means of attachments made of various materials were evaluated by objective measures such as pain discomfort and implant s loads. It was proved that the technological inaccuracies are the reason of significant loading of the mucous membrane and implants during resting exploitation. The soft relining materials showed approximately ten times higher effectiveness in reducing resting loading than Abstract 7

4 Open Access Library Volume 4 (10) 2012 the loads transmitted during mastication. Relining materials also influenced reduction of the maximal load by app % under mastication loads whereas they increased slide by app. 300%. Research limitations/implications: The study was conducted in relation to the unfavorable cases of the lower dentures foundation in order to address the need to increase dentures efficacy for such patients. The linear-elastic isotropic materials characteristics were assumed due to the complex contact calculations. Practical implications: The designed material for elastomer attachments gave new higher quality to overdentures, based on the possibility of planning and improving dentures functional characteristics depending on the individual foundation conditions. The choice of the implant attachment material and introduction of the functional elasticity gradation in the soft layer that relines the denture proves the possibility of achieving less expensive and safer solutions than those perceived as standard till now. The elastomer attachments did not create the dangerous loading state for implants including pulling off the bone, but they stabilized the denture until the balancing contact was achieved, even if it was really late. The achieved complete control of loads distribution between the implants and mucous membrane foundation including the control over distribution of loads between particular zones of the mucous membrane. Originality/value: The universal methods of choosing dentures material and construction were defined precisely in the aspect of multiple denture efficacy criteria, which constitutes a base for solving design issues of any type of prosthetic restoration. Keywords: Denture material; Mastication efficiency; Implant loading; Pressure; Pain discomfort Reference to this paper should be given in the following way: J. mudzki, Material conditionings of functional efficiency of mucous-borne complete denture, Open Access Library, Volume 4 (10) (2012) (in Polish). 8 J. mudzki

5 1. Wprowadzenie Wypalona skorupa tworzy Kszta t glinianej misy, Ale jej u yteczno Jest w miejscu pustym. (Lao Tsy DROGA ) Wies awowi Chladkowi Proteza z bowa jest wytworem technicznym i definiowana jest jako urz dzenie mechaniczne, które ma za zadanie odbudow funkcji jamy ustnej utraconych wskutek bezz bia [1]. Powinna by dobrodziejstwem dla pacjenta, pozwalaj c mu na normaln egzystencj [1]. Generalnie efekty leczenia protetycznego ocenia si w kategorii sukcesu klinicznego, gdy proteza spe nia cechy funkcjonalne i spotyka si z akceptacj ze strony pacjenta [1-3]. W leczeniu ca kowitego bezz bia najszersze zastosowanie znajduj najbardziej ekonomiczne protezy, zwane do luzowymi lub osiadaj cymi [4-6], ze wzgl du na wykorzystanie podparcia na b onie luzowej pod o a protetycznego. Wi kszo zasad doboru i kszta towania cech funkcjonalnych protez zosta o ustalonych ju w latach , kiedy protetyk po roku 1940 zrewolucjonizowa o zastosowanie do wykonawstwa protez polimetakrylanu metylu [7]. Rozwój i doskonalenie materia ów, technologii wytwarzania [8, 9] oraz metod rejestracji kontaktów zwarciowych [10, 11] trwaj ce nieomal wiek, niestety w niewielkim stopniu wp yn y na zwi kszenie powodzenia leczenia protezami osiadaj cymi. Podstawow przyczyn niepowodze jest niedostatek cech funkcjonalnych, okre lany niewydolno ci czynno ciow, któr definiuje si jako sum wp ywów czynników biologicznych, technicznych i materia owych uk adu [1, 4, 12-14]. Niewydolno czynno ciowa protez osiadaj cych staje si przyczyn powa nych utrudnie w yciu zawodowym i osobistym. Problemy z rozdrabnianiem pokarmu (niewydolno ucia) utrudniaj ycie codzienne i kontakty towarzyskie, natomiast s abe utrzymanie protezy na pod o u (s aba retencja i stabilizacja) w trakcie czynno ci mowy czy mimiki eliminuje osoby z ycia towarzyskiego i aktywno ci zawodowej. Cz sto, na skutek odczu dyskomfortu wyst puje ca kowite niepowodzenie leczenia, za jakie nale y uzna pos ugiwanie si protezami wy cznie w celach estetycznych. U cz ci pacjentów istniej przeciwwskazania do leczenia implantologicznego ze wzgl du na ogólny stan zdrowia [15]. U ytkownicy protez staraj si przezwyci y ograniczenia w funkcjonowaniu jamy ustnej. 1. Wprowadzenie 9

6 Open Access Library Volume 4 (10) 2012 Powszechnie uciekaj si do stosowania preparatów adhezyjnych, których sta e stosowanie mo e powodowa wiele dzia a ubocznych [1]. Bior c pod uwag coraz ni szy wiek i liczb osób dotkni tych bezz biem nale y podkre li wag problemu i jego wymiar spo eczny [16]. Bezz bie dotyka w cz ci krajów europejskich ponad 70 % osób starszych, na kontynencie Ameryki P n % [17]. Chocia przejawy niepo danego oddzia ywania protez i implantów na organizm znajduj si w obszarze zainteresowania nauk medycznych, to ustalenie zale no ci przyczynowo-skutkowych pomi dzy w asno ciami materia owymi protez a ich cechami funkcjonalnymi znajduje si w obszarze nauk technicznych [18-29]. Ostatnio, zainteresowanie o rodków badawczych zosta o ukierunkowane na metody rekonstrukcji uz bienia z wykorzystaniem implantów i materia ów wysokiej estetyki [30-34]. Wymienione metody rekonstrukcji uz bienia stanowi dla in ynierii stomatologicznej pole do spektakularnych sukcesów, które w g ównej mierze bazuj na zastosowaniach komputerowej nauki o materia ach, zw aszcza na prognozowaniu no no ci naturalnego tworzywa tkanek podpieraj cych protezy. Ju samo ustalenie zwi zków pomi dzy w asno ciami naturalnego tworzywa tkanek, wynikaj cymi z indywidualnych cech struktury czy wewn trznych procesów biologicznych, a zdolno ci do pe nienia okre lonych funkcji, wpisuje si w obszar in ynierii materia owej [19, 20, 35-39]. W obszarze zainteresowania in ynierii materia owej znajduj si w asno ci biobójcze, które daje si polepsza poprzez domieszkowanie nanocz stkami, zw aszcza srebra, co w przypadku materia ów pracuj cych w rodowisku jamy ustnej ma szczególne znaczenie w ze wzgl du flor bakteryjn i powszechne grzybice [40-47]. W g ównym nurcie bada nad biomateria ami znajduj si prace obejmuj ce w asno ci warstw tlenkowych uzyskiwanych na stopach tytanu [48], warstw po azotowaniu [49-51] lub domieszkowania tlenków krzemu metod zol- el [52] lub tlenku aluminium celem polepszania odporno ci korozyjnej [53, 54]. W przypadkach znacznych zaników ko ci wyrostków z bodo owych niezast pione s materia y ko ciotwórcze [55-58], których podstaw zastosowania jest poznanie w asno ci mechanicznych warunkuj cych biozgodn wspó prac z tkankami [18, 59-63]. Zazwyczaj, w warunkach eksploatacji materia y stomatologiczne wraz z tkankami tworz uk ady warstwowe, których funkcjonalno determinuj w asno ci po czenia pomi dzy poszczególnymi warstwami [23, 34, 64-66]. Do szczególnie nara onych na zniszczenie i zu ycie nale y warstwa wierzchnia [29, 67-72]. Dzi ki rozwojowi metod tomografii komputerowej [30] w asno ci mechaniczne struktur kostnych wspó pracuj cych z implantami mog ju by oceniane w skali mikroskopowej w powi zaniu z cechami mikrostruktury [73]. 10 J. mudzki

7 W przypadku wykorzystania podparcia na z bach w asnych, powszechnie dost pne s metody oceny zakresu ich przemieszcze [74]. Do interesuj cych osi gni komputerowej nauki o materia ach nale y zaliczy zastosowanie technologii laserowego selektywnego spiekania metali do produkcji implantów z gradacj modu u spr ysto ci na rednicy [75]. Stopniowe zmniejszanie modu u spr ysto ci w kierunku zewn trznych warstw pozwala na uzyskanie bardziej fizjologicznego rozk adu napr e w tkance kostnej przylegaj cej do implantu, co determinuje cechy funkcjonalne protez. W przypadku projektowania materia owego najbardziej popularnych protez osiadaj cych napotyka si na powa n przeszkod. Brakuje dostatecznie cis ego (fizykalnego) opisu funkcjonowania protez, który pozwala by na ocen efektów wprowadzania zmian materia- owych. Po dane w asno ci u ytkowe materia ów pozostaj zatem nieznane, szczególnie w odniesieniu do zastanych osobniczych warunków pracy. Dzia anie protez osiadaj cych jest zwi zane ze znacznymi przemieszczeniami (ruchomo ci ) protez wzgl dem pod o a, towarzysz cych uciu oraz pozosta ym czynno ciom jamy ustnej. W zakresie du ych przemieszcze funkcjonuj równie rozwi zania dolnych protez osiadaj cych, stabilizowanych za pomoc implantów (protezy nak adowe overdentures utrzymywane na dwóch implantach) [76-78]. Do wiadczenia ostatnich dwóch dekad pokaza y, e protezy tego typu nie wykazuj po danej niezawodno ci dzia ania. Jednak, ze wzgl du na niskie ryzyko utraty implantów z ko ci uchwy zosta y uznane za standard w przypadku bezz bia uchwy [78, 79]. Najistotniejszym elementem tego typu protezy jest sposób jej przy czenia do implantów (z cze). Literatura tematu obfituje w próby oceny cech funkcjonalnych materia ów i protez. Jednak e, problematyka materia owa koncentruje si g ównie na obserwacjach zu ycia i uszkodze, na podstawie których trudno sformu owa ogólne wnioski dotycz ce projektowania materia owego. Badania biomechaniczne, koncentruj ce si na ocenach porównawczych transmisji obci e okluzyjnych dla znanych i powszechnie stosowanych rozwi za z czy, nie przyczyniaj si do istotnego zwi kszenia niezawodno ci protez i poprawy ich wydolno ci czynno ciowej. Wyj tek stanowi prace, w których proponuje si stosowanie na z cza tworzyw silikonowych [80, 81]. Skuteczno wymienionych silikonowych z czy do zmniejszenia obci e implantów stabilizuj cych protezy by a ju analizowana w pracach [82, 83] na podstawie komputerowych symulacji z wykorzystaniem Metody Elementów Sko czonych (MES). MES jest jednym z narz dzi obliczeniowych wykorzystywanych w komputerowej nauce o materia ach, które pozwala na poznanie rozk adu warto ci poszukiwanej wielko ci fizycznej wewn trz struktur 1. Wprowadzenie 11

8 Open Access Library Volume 4 (10) 2012 uk adu, kiedy stopie z o ono ci uniemo liwia wykonanie oblicze analitycznych, natomiast przeprowadzenie bada pomiarowych jest utrudnione lub niemo liwe. W przypadku braku znajomo ci wielko ci fizycznych w uk adzie zostaje si skazanym na badania o charakterze statystyczno-obserwacyjnym, które wskazuj zale no ci korelacyjne, ale nie zale no ci przyczynowo-skutkowe. MES jest w przypadku uk adów ywych zazwyczaj jedynym narz dziem zdobywania wiedzy niezb dnej do rozwi zywania problemów materia owych i konstrukcyjnych [84-89]. Badania symulacyjne materia owych uwarunkowa funkcjonowania uk adów ywych wymagaj przyj cia poprawnych za o e modelowych. W przypadku z o onych uk adów konieczne s liczne za o enia upraszczaj ce [28], bez których wykonanie eksperymentów modelowych i uzyskanie jakichkolwiek odpowiedzi by oby cz sto niemo liwe. U ywaj c modelowego opisu przyrody, warto mie na uwadze s owa Richarda Feynmana: Du o bardziej interesuj ce jest y w niewiedzy, ni posiada odpowiedzi, które mog by b dne. O poprawno ci modeli i mo liwo ci ich zastosowania decyduje poziom zgodno ci z wynikami pomiarów na modelach fizycznych, a przede wszystkim z obserwacjami klinicznymi lub danymi pomiarowymi z uk adów ywych, je eli takie s dost pne. Jak wskazuje dotychczasowe do wiadczenie [23-28, 35, 36, 82-89], w tym w asne Autora [90-96], istnieje mo liwo uzyskania dobrej zgodno ci wyników modelowania MES z wynikami bada laboratoryjnych i obserwacjami klinicznymi, szczególnie w przypadku prognozowania stanu naturalnego tworzywa kostnego. W przypadku protez z bowych zaznacza si konieczno rozwini cia dotychczasowych ocen poza in ynierskie analizy ograniczone do porówna obci e implantów i otaczaj cej tkanki kostnej [97]. Podj ta tematyka badawcza wychodzi naprzeciw nierozwi zanym od lat problemom protetyki stomatologicznej oraz spo ecznemu zapotrzebowaniu na poprawnie funkcjonuj ce, i jednocze nie ekonomiczne, rozwi zania protez z bowych [4, 5, 98]. Zagadnienie projektowania w asno ci tworzyw i w konsekwencji technologii wytwarzania dóbr powszechnego u ytku wpisuje si w paradygmat in ynierii materia owej [99]. Szczególne znaczenie zyska o projektowanie materia owe produktów, w którym mniej istotny jest rodzaj u ytego materia u, natomiast istot stanowi jego funkcjonalno [99]. Prac ukierunkowano na problematyk oceny i kszta towania w asno ci materia owych protez, maj cych fundamentalne znaczenie ze wzgl du na wype niane funkcje u ytkowe [1-5]. Oryginalne podej cie polega o na uwzgl dnieniu w ocenie materia ów protez warunków obci e eksploatacyjnych, pozostaj cych dotychczas poza poznaniem, natomiast decyduj cych o wydolno ci czynno ciowej. 12 J. mudzki

9 Celem poznawczym pracy by o dokonanie oceny wp ywu w asno ci materia owych protezy osiadaj cej, jak równie naturalnego tworzywa pod o a b ony luzowej na zjawiska transmisji obci e eksploatacyjnych. Wobec sprecyzowanego celu poznawczego wysuni to hipotez badawcz, w której za o ono, e mo liwe jest kszta towanie w asno ci materia ów protez w kryteriach no no ci tkanek. Weryfikacji hipotezy badawczej dokonano na podstawie bada materia owych protez w symulowanych warunkach obci e eksploatacyjnych. Na podstawie wyników bada sprecyzowane zosta y zasady projektowania w asno ci u ytkowych materia ów i konstrukcji protez w wielostronnych kryteriach wydolno ci czynno ciowej protez. Hipotez badawcz weryfikowano w toku realizacji utylitarnego celu pracy. Projektowane materia owo elastomerowe z cza nada y rozwi zaniom protez nak adowych niedost pn dotychczas jako, polegaj c na mo liwo ci planowania i polepszania cech funkcjonalnych protez zale nie od zastanych indywidualnych warunków posadowienia. Poprzez dobór materia u z czy implantów z protez oraz wprowadzenie funkcjonalnej gradacji spr ysto ci w mi kkiej warstwie pod cielaj cej protez uzyskano pe n kontrol nad dystrybucj obci e pomi dzy implanty oraz pod o e b ony luzowej, w tym kontrol nad strefowym rozdzia em obci e na obszary b ony luzowej. Uniwersalno metodologii oceny wydolno ci czynno- ciowej protez zosta a sprawdzona dla wyró nionego czynnika biomechanicznego, za który przyj to oddzia ywanie si j zyka na efekt stabilizacji protezy na pod o u. Uniwersalne zasady prowadzenia eksperymentu numerycznego oraz interpretacji wyników mog stanowi podstaw i zach t do rozwi zywania dalszych zada praktycznych oczekuj cych na in ynierów i protetyków. 1. Wprowadzenie 13