Ocena wybranych właściwości mechanicznych połączenia kładkowego wspartego na dwóch implantach badanie wstępne*

Transkrypt

1 PROTET. STOMATOL., 2013, LXIII, 6, Ocena wybranych właściwości mechanicznych połączenia kładkowego wspartego na dwóch implantach badanie wstępne* Analysis of some mechanical proprieties of bar-connection supported on two implants: A preliminary examination* Małgorzata Idzior-Haufa 1, Wiesław Hędzelek 1, Szymon Rzątowski 1, Przemysław Gajdus 1, Michał Rychlik 2 1 Klinika Protetyki Uniwersytetu Medycznego im. K. Marcinkowskiego w Poznaniu Kierownik: prof. dr hab. W. Hędzelek 2 Zakład Metod Projektowania Maszyn Politechniki Poznańskiej Kierownik: prof. dr hab. inż. M. Morzyński HASŁA INDEKSOWE: kładka, implant, obciążenie, żuchwa KEY WORDS: bar, implant, load, mandible Streszczenie Wstęp. Zespolenia kładkowe, obok zatrzasków, są najczęściej wykorzystywanym typem elementów precyzyjnych dla zapewnienia protezie całkowitej odpowiedniej siły utrzymania na podłożu. Znajomość charakterystyki mechanicznej tego rodzaju zaczepów jest niezbędnym warunkiem racjonalnego doboru kształtu belki w zależności od sytuacji klinicznej, pozwalając na osiągnięcie długotrwałego sukcesu terapeutycznego. Cel pracy. Celem pracy była ocena in vitro odkształceń belki wspartej na dwóch implantach pod wpływem obciążenia siłami o różnych wartościach i kierunkach. Materiał i metody. Do badania przygotowano model bezzębnej żuchwy na podstawie formy firmy FRASACO, z wprowadzonymi dwoma implantami o długości 14 mm i średnicy 4 mm, firmy OSTEOPLANT, które umieszczono w okolicy kłów. Wykonano suprastrukturę protetyczną o Summary Introduction. Bar and ball attachments are precise elements most frequently used to provide complete denture with proper stabilization and retention. Knowledge of mechanical properties of these attachments plays a very important role in selecting correct bar shape in different clinical situations. Aim of the study. The aim of this study was to analyse in vitro the stress distribution, strain and displacement of the bar supported on two implants in edentulous mandible loaded with forces of different values and directions. Method and materials. The model of edentulous mandible with two Osteoplant Hex implants, deep symmetrically in the canine region was made with use of FRASACO form. The suprastructure of restoration with the keyhole section ((VKS-vsp, Bredent) was cast from the Ivoclar 4ALL dental alloy. The model was reconstructed digitally, * Praca prezentowana na XXIX Naukowo-Szkoleniowej Konferencji Sekcji Protetyki PTS, września 2011 Zakopane. 441

2 M. Idzior-Haufa i inni przekroju w kształcie dziurki od klucza (VKS-vsp, Bredent). Model poddano serii symulacji komputerowych z wykorzystaniem metody elementów skończonych (MES). Metoda ta umożliwia ocenę rozkładu sił wewnętrznych badanego obiektu pod wpływem działania obciążeń zewnętrznych. Przyłożono siły o wartościach 20, 100, 200 i 500N pod kątem 0 o, 45 o i 90 o w stosunku do długiej osi wszczepu. Te wartości sił odpowiadają przeciętnym i maksymalnym obciążeniom zwarcia zębów. Wyniki. Otrzymane wyniki poddano analizie a rezultaty przedstawiono graficznie w postaci tabel i wykresów. Najbardziej niekorzystne dla zespolenia kładkowego były siły poprzeczne. Wnioski. Naprężenie, odkształcenie i przemieszenie belki zależą nie tylko od wartości, ale też od kierunku siły obciążającej. following the ScanIP (SimpleWare) programme. The geometry and material properties of metal elements were qualified on the basis of the catalogue and monitoring measurement. Parameters of the thickness of mucous membrane, compact and spongy bone were determined according to the methods described in the literature. The introduced model is to be used for numerical analysis. The mechanical properties were recorded under loading of 20, 100, 200 and 500N at an angle of 0 o, 45 o and 90 o. Results. The analysis of the obtained results revealed that horizontal loads are the least favourable for the system. Conclusions. The stress distribution, strain and displacement of the bar depend not only on the value, but also on the direction of the loading. Wstęp Poprawę stabilizacji i retencji protez ruchomych można uzyskać stosując implanty lub precyzyjne elementy retencyjne, takie jak kładki, zatrzaski, korony teleskopowe i magnesy (1-3). Zespolenia kładkowe, obok zatrzasków, są najczęściej wykorzystywanym typem elementów precyzyjnych, które zapewniają protezie całkowitej odpowiednią siłę utrzymania na podłożu. W praktyce klinicznej stosuje się kilka rodzajów kładek różniących się profilem i wielkością. Ze względu na kształt przekroju kładki połączenia te można podzielić na: okrągłe, owalne, równoległe i nietypowe. Ze względu na kształt połączenia filarów między implantami na: proste (2 implanty), łamane (większa ilość implantów) i nietypowe (V kształt lub półokrągłe). Poszczególne typy różnią się od siebie zakresem swobody ruchu, jaki posiada oparta na nich proteza overdenture. Do najczęściej stosowanych połączeń kładkowych należą: kładka Doldera o przekroju owalnym, której sztywna struktura warunkuje rozmieszczenie jej między filarami w linii prostej; kładka Hadera o przekroju poprzecznym w kształcie dziurki od klucza, który zapewnia podcień retencyjny dla matrycy typu jeźdźca wykonanej z tworzyw sztucznych; kładka Ackermanna o przekroju owalnym lub okrągłym, której struktura umożliwia wyprofilowanie jej zgodnie z kształtem wyrostka zębodołowego (4). Znajomość charakterystyki mechanicznej tego rodzaju zaczepów jest niezbędnym warunkiem racjonalnego doboru kształtu belki w zależności od sytuacji klinicznej, co pozwala na osiągnięcie długotrwałego sukcesu terapeutycznego. Dla przeprowadzenia analizy zakresu ruchu zachodzącego w obrębie elementu retencyjnego wymagane jest poznanie charakterystyki mechanicznej i zmęczeniowej każdej z części składowych. Cel pracy Celem pracy była ocena in vitro naprężeń, odkształceń i przemieszczeń belki wspartej na dwóch implantach pod wpływem obciążenia siłami o różnych wartościach i kierunkach. 442 PROTETYKA STOMATOLOGICZNA, 2013, LXIII, 6

3 Implantoprotetyka Metody badania Do badania przygotowano model bezzębnej żuchwy wykonany z formy firmy FRASACO, z wprowadzonymi dwoma implantami w okolicy kłów (ryc. 1). Zastosowano wszczepy dwuczęściowe Osteoplant Hex, o długości 14 mm i średnicy 4 mm połączone z filarami antyrotacyjnymi wykonanymi z tytanu o średnicy 4,6 mm (5, 6). Filar protetyczny został umocowany w części chirurgicznej implantu przy pomocy śruby łącznikowej wykonanej ze stopu tytanowo-glinowo-wanadowego. Wykonano suprastrukturę protetyczną o przekroju w kształcie dziurki od klucza (VKS-vsp, Bredent), przy zastosowaniu metalu Ivoclar 4ALL. Model poddano badaniu za pomocą tomografii komputerowej. Na podstawie CT zrekonstruowano model w oparciu o program ScanIP firmy SimpleWare. Opracowanie obrazu CT obejmowało segmentację fragmentów i rekonstrukcję geometrii. Następnie wykonano skanowanie przestrzenne trójwymiarowe modelu skanerem ScanBright firmy SmartTech o rozdzielczości skanowania 0,05 mm. Jest to skaner optyczny wykorzystujący metodę projekcji światła strukturalnego. Model skanowano z kilku kierunków 3D i uzyskano geometrię w okolicy implantów. Kolejnym etapem było nałożenie danych z CT i ze skanera 3D i połączenie ich w jeden model, aby tworzyły powierzchniową siatkę trójkątów (poligonów) oraz generowanie modelu powierzchniowego NURBS, (kompatybilny z systemami CAD). Elementy metalowe (implanty, kładka) dają w obrazie CT i ze skanera artefakt świetlny w postaci rozbłysku, co powoduje, że granica obiektu jest niewyraźna. Elementy te modelowano w programie SolidWorks i Rhinoceros na podstawie danych katalogowych i pomiarów kontrolnych. Rozstaw wypozycjonowano z obrazu CT, skanera i pomiarów kontrolnych. Do scalenia wyników wykorzystano program GeomagicStudio (oprogramowanie Ryc. 1. Model żuchwy z dwoma implantami połączonymi belką. do inżynierii odwrotnej) z opcją łączenia danych trójwymiarowych i uzyskano model w pełni parametryczny (skala i wymiary zgodne z oryginałem). Końcowa wartość błędu rekonstrukcji geometrii (modelu 3D) nie przekroczyła 0,3 mm. Parametry określające grubość błony śluzowej, kość zbitą i gąbczastą zostały określone zgodnie z danymi literaturowymi. Dla błony śluzowej przyjęto grubość równą 1,5 mm. Dla kości korowej przyjęto moduł Younga E = 17 GPa; dla kości gąbczastej E = 600 MPa; przy współczynnikach Poissona równych w obydwu przypadkach ν = 0,3 (7). Przygotowany model zapakowano do modułu obliczeniowego MES. Metoda elementów skończonych umożliwia ocenę rozkładu sił wewnętrznych badanego obiektu pod wpływem działania obciążeń zewnętrznych. Analizę wytrzymałościową przeprowadzono w programie SolidWorks, solderem jest Cosmos. Poszczególne elementy poddano dyskretyzacji, czyli podziałowi na elementy, przypisano własności materiałowe zgodnie z wytycznymi i wprowadzono warunki brzegowe i obciążenia. Przyłożono siły o wartościach 20, 100, 200 i 500N pod kątem 0 o, 45 o i 90 o w stosunku PROTETYKA STOMATOLOGICZNA, 2013, LXIII, 6 443

4 M. Idzior-Haufa i inni do długiej osi wszczepu (7-9). Te wartości sił odpowiadają przeciętnym i maksymalnym obciążeniom zwarcia zębów: 20N przeciętna siła stosowana przy rozdrabnianiu pokarmów, 200N maksymalna siła notowana w trakcie żucia oraz 500N maksymalna siła zgryzu. Ponadto na podstawie danych literaturowych zastosowano obciążenie siłą 100N (7, 9). W pierwszym przypadku siły przyłożono w linii pośrodkowej, w drugim przypadku siły działały w okolicy siekacza centralnego żuchwy i w trzecim w miejscu mocowania śruby implantu. Na granicy poszczególnych elementów zastosowano połączenia kontaktowe. W obciążanych elementach konstrukcyjnych występują dwa stany: stan naprężenia (powszechnie siła obciążająca podzielona przez pole przekroju elementu, np. implantu) oraz stan odkształcenia, czyli deformacja, zmiana geometrii elementu. Połączenie tych stanów wzorem matematycznym tworzy tzw. model matematyczny np. sprężystość (10-12). Zbadano naprężenia zredukowane wg von Misesa, odkształcenia równoważne i przemieszczenia w trzech kierunkach XYZ i wypadkowe. Uzyskane wyniki poddano analizie a rezultaty przedstawiono graficznie w postaci tabel i wykresów (tab. I, ryc. 2, 3, 4). Wyniki i ich omówienie Przemieszczenie to zmiana położenia dowolnego punktu, czyli różnica między końcowym położeniem a początkowym, np. wydłużenie, T a b e l a I. Rozkład odkształceń równoważnych przy obciążaniu poszczególnymi siłami Odkształcenie równoważne max Siła obciążająca w linii pośrodkowej na siekaczu centralnym w osi długiej implantu 0 o 20N 0, , , N 0, , , N 0, , , N 0, , , o 20N 0, , , N 0, , , N 0, , , N 0, , , o 20N 0, , , N 0, , , N 0, , , N 0, , , PROTETYKA STOMATOLOGICZNA, 2013, LXIII, 6

5 Implantoprotetyka Ryc. 2. Przemieszczenia w funkcji wartości siły działającej w linii pośrodkowej. Ryc. 3. Przemieszczenia w funkcji wartości siły działającej na wysokości siekacza centralnego. Ryc. 4. Przemieszczenia w funkcji wartości siły działającej w miejscu mocowania śruby implantu. ugięcie, kąt skręcenia. Jednostką jego są metry [m] lub stopnie [ o ] (10-12). Rozkład przemieszczeń przy obciążeniu poszczególnymi siłami działającymi w linii pośrodkowej i w okolicy siekacza centralnego żuchwy przedstawia się na podobnym poziomie i został zobrazowany na rycinach 1 i 2. W trzecim przypadku, gdy siła przyłożona została w miejscu mocowania śruby implantu widoczne są wyraźnie mniejsze przemieszczenia niezależnie od wartości siły i kąta obciążenia (ryc. 4). Najmniej korzystne dla układu są siły działające pod kątem 90 o i dla tej siły o wartości 500N przyłożonej w linii pośrodkowej i w okolicy siekacza centralnego żuchwy odnotowano największe przemieszczenia (odpowiednio 1,77 i 1,73 mm). Obciążeniom poprzecznym w układzie stomatognatycznym odpowiadają obciążenia generowane przy ruchach artykulacyjnych oraz parafunkcjach. Uzyskane wartości przemieszczenia są znaczne, ale należy pamiętać, że zawierają one też wartość przemieszczenia implantów. Należy również uwzględnić, że przemieszczenia te powstały pod wpływem działania obciążenia o wartości krytycznej. Najmniejsze przemieszczenia natomiast były widoczne dla działania siły 20N przyłożonej pod kątem 0 o w miejscu mocowania śruby implantu (0,001mm). Rozkłady naprężeń uzyskane w wyniku symulacji komputerowych zobrazowano przy pomocy map konturowych. Do oceny naprężeń wykorzystano zmodyfikowane kryterium von Misesa, według którego materiał ulegnie zniszczeniu, gdy wartość naprężenia zredukowanego przekroczy wartość wytrzymałości tego materiału na rozciąganie (13). Do zaprezentowania wyników wybrano przypadki dla obciążenia siłą 200N (ryc. 5). Obciążenie siłą pionową 200N generuje stosunkowo niewielkie naprężenia we wszystkich punktach układu. Dla linii pośrodkowej i siekacza centralnego wartość minimalna wynosi odpowiednio 0, N/m 2 i 0, N/m 2, w osi długiej implantu natomiast jest mniejsza i wynosi 0, N/m 2. Dla siły pionowej obciążenia przenoszone są wyłącznie PROTETYKA STOMATOLOGICZNA, 2013, LXIII, 6 445

6 M. Idzior-Haufa i inni a) w linii pośrodkowej b) na wysokości siekacza centralnego c) w miejscu mocowania śruby implantu. Ryc. 5. Rozkład naprężeń dla obciążenia siłą 200 N. poprzez filar, co chroni śrubę filarową przed przeciążeniem. Badania potwierdzają, że najmniej korzystne są obciążenia skośne i poprzeczne. Naprężenia minimalne powstające przy obciążeniu siłą 200N pod kątem 45 o w linii pośrodkowej i siekacza centralnego wynoszą odpowiednio 0, N/m 2 i 0, N/m 2, natomiast w okolicy implantu są mniejsze i wynoszą 0, N/m 2. Największe naprężenia w badanym układzie zanotowano dla sił porzecznych w linii pośrodkowej i siekacza centralnego (odpowiednio 0, N/m 2 i 0, N/m 2 ). W okolicy implantu natomiast nastąpił tylko niewielki wzrost naprężeń w stosunku do sił skośnych (0, N/m 2 ). Odkształcenie, albo odkształcenie względne, to stosunek przemieszczenia do wymiarów początkowych, np. dla rozciągania l 0 długość początkowa l k długość końcowa Jest to wielkość bezwymiarowa (lub w%) (10-12). Wyniki odkształceń przy obciążaniu kolejnych elementów układu poszczególnymi siłami podano w tabeli I. Najmniejsze odkształcenie odnotowano dla pionowego obciążenia siłą 20N działającego w osi długiej implantu, 446 PROTETYKA STOMATOLOGICZNA, 2013, LXIII, 6

7 Implantoprotetyka które wynosiło 0,0004. Ponadto, niezależnie od kąta działania tej siły we wszystkich punktach stwierdzono niewielkie odkształcenia, od 0,001 do 0,004. Największe odkształcenia układu zaobserwowano przy obciążeniu siłą 500N działającą pod kątem 90 o w linii pośrodkowej (0,122), czyli w miejscu największego oddalenia od implantów. Badania pokazują, że najbardziej stabilnym elementem układu jest połączenie implantu z filarem. Niekorzystne dla tej okolicy są obciążenia nieosiowe, które w rezultacie mogą stać się przyczyną odkręcania śruby filarowej oraz mikropęknięć w miejscach karbów (8). Najmniej korzystne dla układu są siły poprzeczne, które przy maksymalnych wartościach obciążenia (500N) powodują powstawanie znacznych przemieszczeń i odkształceń w miejscach najbardziej oddalonych od implantów. Nie pozostaje to bez znaczenia również dla naprężeń generowanych w układzie (wartość max naprężenia zredukowanego dla układu: 6,61379E+09 N/m 2 ). Dyskusja Wielu klinicystów uważa połączenia kładkowe za najlepsze spośród elementów precyzyjnych. Belki zapewniają protezom overdenture najwyższą retencję i stabilizację oraz warunkują rozkład sił zgodny z osią wszczepów (14). Assuncao i wsp. (9) w swoich badaniach porównywał rozkład naprężeń pomiędzy protezą overdenture wspartą na dwóch wszczepach połączonych belką oraz protezą overdenture wspartą na dwóch nie zblokowanych wszczepach. Modele przygotowano przy pomocy programu AutoCAD. Ocena prowadzona była przy użyciu oprogramowania Ansys, działano pionową siłą o wartości 100N, skierowaną na lewy pierwszy ząb trzonowy. Wyniki pokazały, że w protezie overdenture wspartej na dwóch wszczepach połączonych belką występują mniejsze naprężenia niż w przypadku, gdy jest ona wsparta na dwóch nie zblokowanych implantach. Na rozkład naprężeń ma również wpływ liczba implantów, na których osadzona jest kładka. Sadowski i wsp. porównywali protezy overdenture wsparte na belkach zakotwiczonych na dwóch lub trzech implantach. We wszystkich grupach uzyskano niewielkie obciążenie wszczepów, jednak najbardziej jednolity rozkład naprężeń uzyskano w przypadku protez plunger-retained wspartych na dwóch implantach (15). Dla prawidłowego rozkładu sił istotną rolę odgrywa też odpowiednie zakotwiczenie implantów w kości. Federick i wsp. przeprowadził badania, w których oceniał obciążenie wszczepów w zależności od ich równoległej implantacji. Stworzył on dwa modele, w jednym umieścił dwa implanty równolegle do linii pośrodkowej, w drugim implanty zostały umieszczone rozbieżnie, pod kątem 17 o do linii pośrodkowej. Badania potwierdziły, że preferowane jest równoległe rozmieszczenie implantów, przy którym obserwowane są mniejsze naprężenia (16). Istotnym problemem pojawiającym się w przypadku stosowania protez overdenture jest zużycie elementów precyzyjnych, co wiąże się z utratą retencji (17). Przyczyną może być tutaj mała odporność tytanu na ścieranie. Za średni czas użytkowania matrycy polimerowej przyjmuje się 1-2 lata. Badania Gotfredsena (18) pokazały, iż w ciągu trzech lat od osadzenia protez wspartych na belkach wymiana matryc dla przywrócenia retencji była konieczna w 73% przypadków. W sytuacji częściowego starcia powierzchni metalowej belki na skutek kontaktu z metalową patrycą typu jeździec lub kontaktu z tworzywem akrylowym, można zastosować założenie matrycy polimerowej o zmniejszonej elastyczności (19). PROTETYKA STOMATOLOGICZNA, 2013, LXIII, 6 447

8 M. Idzior-Haufa i inni Podsumowanie Badanie ma charakter wstępny. Kluczowe będzie przeprowadzenie dalszych doświadczeń dla określenia optymalnego rozwiązania w zakresie kształtu belki i ilości implantów w zależności od wartości i kierunku sił działających w układzie. Zastanawiające, że przy wartościach maksymalnego obciążenia zanotowano przemieszczenie najbardziej stabilnego elementu w układzie (belki). Zasadnicze będzie ustalenie wpływu powtarzającego się, cyklicznego obciążenia na przemieszczenie poszczególnych składowych elementu retencyjnego. Szczególną trudność może sprawić ustalenie parametrów mechanicznych podłoża protetycznego. Autorzy w tym zakresie planują oprzeć się na informacjach literaturowych. Wnioski 1. Naprężenie, odkształcenie i przemieszenie belki zależą nie tylko od wartości, ale też od kierunku siły obciążającej. 2. Potwierdzono, że najmniej korzystne są siły poprzeczne. 3. Patryca najmniej przemieszcza się w okolicy implantu. 4. Największe przemieszczenia występują w obrębie środka przy obciążeniu poprzecznym. Piśmiennictwo 1. Hędzelek W., Muszalski B., Plewik J.: Stosowanie zatrzasków ASC 52 w leczeniu protetycznym. Protet. Stomatol., 2002, LI, 4, Hędzelek W., Rzątowski Sz.: Wykorzystanie precyzyjnych elementów prefabrykowanych dla uzyskania optymalnego prowadzenia protezy ruchomej. Protet. Stomatol., 2006, LVI, 3, Machnikowski I., Gładkowski J., Siedlecki M., Feder T.: Zastosowanie precyzyjnych elementów retencyjnych u pacjentów z rozległymi brakami zębowymi. Protet. Stomatol., 2002, LII, 6, Koczorowski R., Brożek R., Hemerling M.: Wykorzystanie elementów precyzyjnych w leczeniu implantoprotetycznym. Dent. Med. Probl., 2006, 43, 3, Misch C.E.: Contemporary implant dentistry. Mosby St. Louis Zagalak R., Hędzelek W., Sokalski J.: Leczenie protetyczne z zastosowaniem systemu implantologicznego Osteoplant. Protet. Stomatol., 2001, 5, Baszkiewicz J., Chladek G., Chladek W., Czerwik I., Kasperski J., Krupa D., Łukomska- Szymańska M., Margielewicz J., Sajewicz E., Sokołowski J., Wnukiewicz J., Wnukiewicz W., Zbomirska-Wnukiewicz B., Żmudzki J.: Biomateriały i mechanika w stomatologii, eksperyment naukowy, Polskie Towarzystwo Inżynierii Medycznej. Zabrze Zagalak R.: Ocena właściwości mechanicznych dwuczęściowych wszczepów stomatologicznych Osteoplant. Rozprawa doktorska, Poznań, Assuncao W. G., Tabata L. F., Barao V. A. R., Rocha E. P.: Comparison of stress distribution between complete denture and implant-retained overdenture-2d FEA. J. Oral Rehabil., 2008, 35, Kurowski R., Niezgodziński M.: Wytrzymałość materiałów, PWN, W-wa Jakubowicz A., Orłoś Z.: Wytrz. mat., WNT, W-wa Kowalewski Z.: Podstawy wytrz. mat. Wyd. Politechniki Warszawskiej, W-wa Dejak B.: Wpływ kształtu i wielkości ceramicznych uzupełnień koronowych na wytężenie zębów trzonowych w oparciu o metodę elementów skończonych. Protet. Stomatol., 2008, LVIII, 2, Pietruski J., Pietruska M., Stokowska W., Pattarelli M.: Protezy overdenture wybra- 448 PROTETYKA STOMATOLOGICZNA, 2013, LXIII, 6

9 Implantoprotetyka ne możliwości zastosowania w rehabilitacji narządu żucia. Czas. Stomat., 2001, 54, Sadowsky S. J., Caputo A. A.: Stress transfer of four mandibular implant overdenture cantilever design. J. Prosthet. Dent., 2004 Oct, vol. 92, no. 4, Federick D. R., Caputo A. A.: Effects of overdenture retention designs and implant orientations on load transfer characteristics. J. Prosthet. Dent., 1996, 76, Rzątowski Sz.: Analiza wartości siły retencji zewnątrz koronowych precyzyjnych elementów utrzymujących. Rozprawa na stopień doktora nauk med., Poznań Gotfredsen K.: Implant supported overdentures the Copenhagen experience. J. Dent., 1997, 25, supl., Choy E., Reimer D.: Laboratory processing of housing-retained attachments for implant- -supported overdentures. J. Prosthet. Dent., 2001, 85, Zaakceptowano do druku: 26.IX.2013 r. Adres autorów: Poznań, ul. Bukowska 70. Zarząd Główny PTS PROTETYKA STOMATOLOGICZNA, 2013, LXIII, 6 449