Rozpoznanie biomechaniki protez overdentures mocowanych do pojedynczego implantu*

PROTET. STOMATOL., 2010, LX, 1, 22-27 Rozpoznanie biomechaniki protez overdentures mocowanych do pojedynczego implantu* Identification of biomechanics related to single implant-retained tissue-supported dentures Jarosław Żmudzki, Wiesław Chladek Katedra Technologii Materiałów, Politechnika Śląska Kierownik Katedry: prof. dr hab. inż. J. Śleziona HASŁA INDEKSOWE: overdenture, pojedynczy implant, złącze, biomechanika, siła, obciążenie KEY WORDS: overdenture, single implant, attachment, biomechanics, force, load Streszczenie Cel pracy. Znane są możliwości wykorzystania pojedynczego implantu do zamocowania dolnych protez całkowitych (OPI). Choć wstępne wyniki badań klinicznych OPI są obiecujące, to konieczne jest dokładne rozpoznanie biomechaniki tego typu rozwiązań. Materiał i metody. W pracy, przy użyciu MES, poddano analizie rozkład obciążeń okluzyjnych na obszar podparcia błony śluzowej oraz złącze mocujące protezę do pojedynczego implantu. Analizowano najbardziej rozpowszechniony typ złączy zezwalających na rotację wokół punktu zamocowania Wyniki. Największy poziom, najbardziej niebezpiecznych, bocznych obciążeń złączy wynosi około 50 N, w przypadku działania 100 N skośnej siły żucia na trzonowcach. W rozwiązaniach OPI występuje pełna swoboda przemieszczeń obrotowych, w odróżnieniu od zamocowania do dwóch implantów, gdzie swoboda rotacji w płaszczyźnie poziomej zostaje zablokowana i ograniczona do ruchu zawiasowego. Wnioski. W OPI możliwe jest zwiększenie wykorzystania podparcia na stokach bezzębnych wyrostków, jednak kontrola poziomu obciążeń implantów nie jest możliwa bez innowacyjności w zasadach działania złączy. Summary Aim of the study. There are commonly known possibilities of using single implant in order to retain lower complete dentures (SID). Although the results of primary SID clinical tests are very promising, it is necessary to identify thoroughly the biomechanics of this type of solutions. Material and methods. In this study, the distribution of occlusal loads in the supporting zone of mucous membrane and the attachment retaining the denture to a single implant was analysed with use of FEM. The most common type of attachments allowing for rotation was analysed. Results. The highest level of the most dangerous lateral load on attachments is about 50N, when the oblique chewing force on molars accounts for 100N. When applying SID solutions, there is freedom of rotational movements, contrary to a two-implant retained denture, when the freedom of rotational movements in horizontal plane is limited to a hinge movement. Conclusions. OPI enables a more extensive use of supporting at slopes of edentulous ridges, however, the control of implant load level is not possible without modifying the principles of attachment functioning. *Badania realizowane dzięki wsparciu finansowemu MNiSW projektu badawczego N N518 425636. 22

Protezy overdenture Wprowadzenie Zastosowanie pojedynczego implantu do utrzymania protez nakładowych (overdentures) pozwala na znaczne obniżenie kosztów leczenia. Rezultaty badań klinicznych tego typu rozwiązań są obiecujące [1-3]. Jednak rozpoznanie biomechaniki, które powinno stanowić podstawę stosowania rozwiązań implantologicznych, jest bardzo słabe. W dotychczas przedstawionych badaniach biomechanicznych in vitro [4], przyjęto modelowy schemat obciążenia protezy wyłącznie pionowymi siłami zgryzowymi, przez co uzyskane wartości obciążeń złączy i implantów nie mogą odwzorowywać występujących w rzeczywistości [5, 6]. Analizy transmisji obciążeń zgryzowych można dokonać innymi narzędziami inżynierskimi, do których należą symulacje komputerowe oparte o metody modelowania numerycznego, np. metodą elementów skończonych MES. Cel pracy Za cel pracy przyjęto wyznaczenie na drodze modelowej analizy MES obciążeń, jakie przejmuje złącze mocujące dolną protezę do pojedynczego implantu, w przypadku przenoszenia realnych skośnych sił okluzyjnych towarzyszących żuciu. Metodyka Ryc. 1. Warunki analizy modelowej MES protezy overdenture mocowanej centralnie do pojedynczego implantu P. Warunki analizy modelowej MES biomechaniki protez typu overdenture z centralnie wprowadzonym pojedynczym implantem (OPI) zobrazowano na ryc. 1. Zrezygnowano z dokładnego odwzorowania kształtu zębów, co dla przedmiotowych badań jest zbędne, a znacznie zwiększa rozmiar analizy numerycznej. Do analizy wybrano przypadek podłoża kostnego z silnie atroficznymi wyrostkami i płaskimi stokami, gdzie ze względu na małą powierzchnię oporową występują maksymalne obciążenia. Przyjęto stały kształt bezzębnych wyrostków oraz niezmienny układ warstw, jak przedstawiono na przekroju na ryc. 1. Cały model został sztywno podparty u dołu kości żuchwy. Założono sytuację całkowitego przyleganie protezy na powierzchni śluzówkowej, która w znacznej mierze odzwierciedla stabilne żucie. Założenie takie znajduje uzasadnienie, gdyż w chwili utraty przylegania protezy, pacjent wyczuwający brak jej stabilności natychmiast zaprzestaje nagryzania. Dla uproszczenia procedur obliczeniowych dla wszystkich struktur układu przyjęto liniowo sprężyste charakterystyki mechaniczne. Przyjęto przeciętnie cechy sprężyste błony [6, 7], opisane modułem Younga E = 3 MPa, a jej nieściśliwość w pewnym zakresie odwzorowano wysokim współczynnikiem Poisson`a ν = 0,49. Dla kości przyjęto moduł Younga E = 17 GPa; dla kości gąbczastej E = 600 MPa; przy współczynnikach Poisson`a równych w obydwu przypadkach ν = 0,3. Cechy materiałowe protezy opisano danymi E = 2000 MPa oraz ν = 0,3. W tej pracy zaproponowano odmienne podejście do warunków brzegowych modelu, pozwalające na wyznaczenie sił obciążających podpory implantologiczne bez konieczności konstruowania dość złożonego układu zamocowania wespół z konstrukcją implantologiczną. W miejscu zamocowania protezy do implantu wprowadzono więzy kierunkowe, które ograniczają swobodę przemieszczeń protezy zgodnie z zasadami działania złącza. Analizie poddano najbardziej rozpowszechnione typy złączy samodzielnych, w których umożliwiona jest swoboda rotacji wokół punktu zamocowania. Obciążenia złączy, jako reakcje w założonych więzach, analizowano dla szczególnych przypadków sił zgryzowych o wartości 100N. Symulowano PROTETYKA STOMATOLOGICZNA, 2010, LX, 1 23

J. Żmudzki, W. Chladek obciążenia towarzyszące żuciu, kiedy proteza jest nie tylko dociskana do podłoża, ale dodatkowo wymuszone zostaje jej przesunięcie w poziomie, w wyniku którego mogą się zwiększać poziome składowe sił obciążających złącza. W strefie trzonowców przyjęto siłę zgryzową skierowaną bocznie pod kątem 45 stopni ku policzkowi w płaszczyźnie czołowej (FTB); następnie, jako drugi przypadek, siłę skierowaną pod kątem 45 doprzednio w płaszczyźnie strzałkowej (FTP). Analizowano również zachowanie protezy przy przesunięciu obciążenia w strefę przedtrzonowców (odpowiednio FPB oraz FPP), a także przy obciążeniu na siekaczach siłą skierowaną pod kątem 45 doprzednio (FS). Dodatkowo wyznaczono obciążenia złączy przy założeniu, że siły zgryzowe skierowane są wyłącznie wertykalnie: w strefie trzonowców (FTW) oraz na siekaczach (FSW). Wyniki Na ryc. 2 przedstawione zostały wartości sił przejmowanych przez pojedyncze złącze dla analizowanych wariantów sił okluzyjnych. Dla sił bocznych (czyli poprzecznych do osi implantu w płaszczyźnie poziomej XY ) wywołujących zginanie implantu, podano bezwzględne wartości wypadkowej sił bocznych. Wartości składowej osiowej Ryc. 2. Obciążenia osiowe i boczne złącza mocującego protezę overdenture do pojedynczego implantu dla analizowanych przypadków działania sił okluzyjnych. Z podano z rozróżnieniem na ujemne wartości skutkujące naciskiem w kość oraz dodatnie wartości powodujące ciągnięcie w górę, czyli dążące do otwarcia złącza w chwili osiągnięcia wartości siły limitowanej retencją złącza. Dyskusja Rozpoznanie biomechaniki protez mocowanych do pojedynczego implantu ogranicza się do jednej pracy badawczej opartej na pomiarach na modelu fizycznym [4]. W badaniach tych wykazano, że pod względem obciążeń podparcia implantologicznego rozwiązanie z pojedynczym implantem nie odbiega od standardów wyznaczanych rozwiązaniom z dwoma implantami. Porównania dokonano jednak przy założeniu dominującej roli pionowych sił okluzyjnych. Warunki obciążenia siłami okluzyjnymi mają podstawowe znaczenie co do poziomu otrzymanych reakcji podpór implantologicznych, które stanowią wyznacznik ryzyka niepowodzenia klinicznego. Zginanie i lewarowanie implantu w kości [5, 6, 8-14], które wywołują siły poprzeczne, jest nieporównywalnie bardziej niebezpieczne niż obciążenia osiowe. W przedstawianej tutaj pracy uwzględnione zostały składowe poziome sił okluzyjnych, których kierunki w rzeczywistych warunkach są znacznie odchylone od pionu. Wartości reakcji wyznaczone przy działaniu pionowych sił okluzyjnych są nieporównywalnie mniejsze niż przy działaniu sił skośnych (ryc. 2). Wyniki badań wskazują jednoznacznie, że wartości obciążeń złączy w przypadku przyjęcia wyłącznie pionowych sił okluzyjnych są znacznie niedoszacowane [5, 6, 14]. W świetle przeprowadzonych analiz, dla rozwiązania OPI przy działaniu jednostronnych obciążeń okluzyjnych obciążenie podparcia implantologicznego jest mniejsze niż dla protez overdentures na dwóch implantach (ODI) [14]. Na pozór mogłoby się wydawać, że w przypadku dwóch podpór obciążenia okluzyjne powinny się rozkładać pomiędzy podpory, zapewniając niższe obciążenia kości. Takiej sytuacji można się tylko spodziewać w przypadku działania sił pomiędzy podporami, czyli w strefie siekaczy. Wiadomo jednak, że dla protez osiadających w strefie tej w zasadzie można wykluczyć działanie wysokich wartości naci- 24 PROTETYKA STOMATOLOGICZNA, 2010, LX, 1

Protezy overdenture sków okluzyjnych lub co najwyżej przyjąć je jako zjawisko bardzo rzadkie. Dla kompletności analizy taki przypadek ujęto w przedstawianej pracy. Najistotniejsze dla obciążeń implantów jest jednak zachowanie protezy podczas działania skośnych sił żucia. Różnice pomiędzy rozwiązaniami OPI i ODI są dostrzegalne bez uciekania się do analiz wytrzymałościowych. Proteza zamocowana do dwóch złączy nie może wykorzystać pełnej swobody rotacji w złączach, tak eksponowanej przez producentów systemów zamocowań. W przypadku dwóch podpór przegubowych ruch w płaszczyźnie poziomej zostaje zablokowany. Ruchomość protezy ogranicza się do obrotu względem osi wyznaczonej przez punkty zamocowań, czyli do ruchu zawiasowego. W trakcie osiadania protezy siła okluzyjna generuje momenty, które skutkują znacznymi wartościami zarówno poziomych reakcji zginających filar, jak i pionowych, wypinających złącze po stronie balansującej. W przypadku jednej podpory ruch obrotowy w złączu nie jest zablokowany, co sprzyja zwiększeniu wykorzystania podparcia powierzchni stoków bezzębnych wyrostków i efektywnemu obniżeniu reakcji na implancie. Tym samym jednak, znacznie zwiększa się ruchomość protezy. Czy zatem wydaje się uzasadnione podejmowanie wysiłków, zmierzających do odciążenia tkanki kostnej wokół implantów? Przecież utrzymanie implantów w kości żuchwy dla ODI sięga i tak prawie 100%. W tej sytuacji, brak bocznej ruchomości zdaje się być przewagą ODI i dyskredytować rozwiązanie OPI, jako znacznie gorsze po względem stabilizacji. Zdawać by się mogło, że za rozwiązaniem OPI mogą przemawiać jedynie racje ekonomiczne. Jednak z drugiej strony, zastanawiające są wyniki kliniczne [1, 3]. W ocenie pacjentów walory użytkowe OPI nie ustępują znacząco ODI. Jednak porównywanie ocen, które w pewnym stopniu wynikają ze subiektywizmu, może się wydawać dyskusyjne. Przecież pacjentom brak odniesienia do stabilniejszych ODI. Dla pacjentów borykających się wcześniej z niedogodnościami użytkowymi protez tradycyjnych, OPI musi stanowić skok jakościowy. Niemniej, należy zwrócić uwagę, że tak wysokie oceny dla OPI znajdują również uzasadnienie w biomechanice. Odciążenie implantów w OPI to nie tylko mniejsze obciążenia tkanki kostnej. Zmniejszają się także siły destabilizacji złącza. Szczególne w trakcie jednostronnego kontaktu z kęsem pokarmowym, kiedy proteza narażona jest na największe ryzyko destabilizacji. Zatem w OPI dzięki zmniejszeniu sił otwierających złącze, zwiększają się możliwości stabilnego przylegania protezy do podłoża. W ODI, powyżej przedstawione niekorzystne działanie dźwigni sił zgryzowych powoduje, że złącze po stronie balansującej będzie ulegać wypięciu przy znacznie mniejszych naciskach zgryzowych niż w OPI. Paradoksalnie zatem w OPI, pomimo większej ruchomości powierzchni okluzyjnej, którą przyjmuje się za miarę stabilizacji protezy, efektywność jednostronnego rozdrabniania pokarmów nie musi spadać, lecz jak wskazują wyniki obliczeń, powinna być większa. Na ostateczny obraz kliniczny nakłada się jednak jeszcze szereg dodatkowych czynników. Wydolność żucia zależy od zachowania protezy w fazie obustronnego miażdżenia pokarmu. Tutaj, wyczuwalna boczna ruchomość skrzydeł w OPI, może u znacznej części pacjentów skutkować zmniejszeniem nacisków okluzyjnych i przez to wydolności żucia, jaką mogliby osiągnąć posługując się ODI. Należy również zwrócić uwagę, że wydolność żucia w znaczącej mierze zależy od przeciwdziałania odrywaniu i unoszeniu protezy sklejonej pokarmem w trakcie odwodzenia. Możliwości przeciwdziałania tym efektom w OPI nie zostały dotychczas obiektywnie rozpoznane. Kolejnym czynnikiem, który bezpośrednio wpływa zarówno na wydolność żucia jak i zadowolenie pacjenta, to odczucia bólowe i urazy błony śluzowej. Tutaj z kolei, wyniki kliniczne wskazują jednoznacznie, że OPI są wolne od urazów tkanek miękkich podłoża [1, 3], które nagminnie towarzyszą użytkowaniu ODI. Znów wydawałoby się, że paradoks: przecież w OPI obciążenie jest właśnie w większym stopniu dystrybuowane w kierunku tkanek miękkich podłoża, ze względu na mniejszy udział implantów w przenoszeniu obciążeń. Paradoks ten jednak wyjaśnia fakt, że w OPI podłoże zostaje wykorzystane w sposób znacznie bardziej równomierny. Tymczasem w ODI niezależnie od kierunku działania sił okluzyjnych, ze względu na wymuszony ruch zawiasowy, zostają obciążone stale te same obszary podłoża. Ponadto w ODI, do powstawania urazów przyczynia się mniejsza tolerancja dla niedokładności pozycjonowania mocowań. Niedokładności skutkują stałym PROTETYKA STOMATOLOGICZNA, 2010, LX, 1 25

J. Żmudzki, W. Chladek uciskiem błony śluzowej, czy też stałym przeciążaniem wybranych obszarów. Na zakończenie warto powrócić jeszcze do problemu obciążenia implantów i otaczającej tkanki kostnej. Przeciążenia w aktualnie stosowanych systemach zamocowań [14] generują powszechne problemy mechaniczne, które znajdują przełożenie ekonomiczne. Powodzenie kliniczne w utrzymaniu implantów w żuchwie jest bardzo wysokie, jednak lejkowate ubytki przyszyjkowe informują o efektach przeciążeniowych kości korowej. Zmniejszenie przeciążenia strefy przyszyjkowej pozwala oczekiwać zmniejszenia ryzyka utraty implantów przy potencjalnie mniej korzystnych warunkach podłoża kostnego, nawet obecnie uznawanych za niedostateczne dla przeprowadzenia leczenia implantologicznego. OPI okazuje się pod tym względem przedstawiać większe możliwości. Jednakże gwarancją kilkukrotnego zmniejszenia obciążeń implantu okazuje się innowacyjność w zakresie samych mechanizmów działania systemów zamocowań, które zapewniają znacznie lepsze wykorzystanie podparcia śluzówkowego [11-13, 15, 16] oraz kontrolę obciążeń podparcia implantologicznego, w sposób dotychczas niedostępny w rozwiązaniach komercyjnych. Rozwiązania ODI zostały zaakceptowane jako standard leczenia bezzębia żuchwy w oparciu o liczne doświadczenia kliniczne. Pomimo kilkunastoletniego okresu, jaki upłynął od pierwszych klinicznych prób rozwiązań OPI, jak na razie materiał kliniczny jest zbyt ubogi, by proteza utrzymywana na pojedynczym implancie mogła zostać przyjęta jako standard postępowania implantologicznego. Dotychczasowe testy kliniczne wymagają dalszych ilościowych ocen w powyżej przedstawionych kryteriach biomechanicznych, bez których nie wiadomo na ile rezygnacja z opcji dwóch implantów może być alternatywą uzasadnioną nie tylko ekonomicznie. Pozostaje oczekiwać, że szerokie grono mniej zamożnych pacjentów będzie stanowić czynnik motywujący do szerszego klinicznego sprawdzenia innowacyjnych rozwiązań. Podsumowanie Protezy overdentures mocowane do pojedynczego implantu cechuje pełna swoboda ruchów obrotowych względem pojedynczej podpory, która pozwala na zmniejszenie jej obciążenia poprzez lepsze wykorzystanie podparcia śluzówkowego niż w przypadku mocowania do dwu implantów. Wyniki analizy biomechanicznej pozwalają na uzasadnienie wysokiego poziomu oceny klinicznej, jaki w dotychczas prezentowanych w piśmiennictwie badaniach uzyskały rozwiązania z pojedynczym implantem, porównywalnego z poziomem oceny dla rozwiązań na dwóch implantach. Jednak powszechnie stosowane systemy złączy nie pozwalają na kontrolę poziomu obciążeń implantów, którą zapewniają nowatorskie rozwiązania zamocowań, działające na odmiennych niż dotychczas zasadach. Piśmiennictwo 1. Cordioli G., Majzoub Z., Castagna S.: Mandibular overdentures anchored to single implants: A fiveyear prospective study. J. Prosthet. Dent., 1997, 78, 159-65. 2. Krennmair G., Ulm C.: The symphyseal singletooth implant for anchorage of a mandibular complete denture in geriatric patients: a clinical report. Int. J. Oral Maxillofac. Implants., 2001, 16, 1, 98-104. 3. Liddelow G. J., Henry P. J.: A prospective study of immediately loaded single implant-retained mandibular overdentures: Preliminary one-year results. J. Prosthet. Dent., 2007, 97, 126-137. 4. Maeda Y., Horisaka M., Yagi K.: Biomechanical rationale for a single implant-retained mandibular overdenture: an in vitro study. Clin. Oral Impl. Res., 19, 3, 271-275. 5. Kenney R, Richards M. W.: Photoelastic stress patterns produced by implant-retained overdentures. J. Prosthet. Dent., 1998, 80, 559-564. 6. Chun H. J., Park D. N., Han C. H., Heo S. J., Heo M. S., Koak J. Y.: Stress distributions in maxillary bone surrounding overdenture implants with different overdenture attachments. J. Oral. Rehabil. 2005, 32, 3, 193-205. 7. Chowdhary R., Lekha K., Patil N. P.: Two-dimensional finite element analysis of stresses developed in the supporting tissues under complete dentures using teeth with different cusp angulations. Gerodont., 2008, 25, 3, 155-61. 8. Van Oosterwyck H., Duyck J, Vander Sloten J., Van 26 PROTETYKA STOMATOLOGICZNA, 2010, LX, 1

Protezy overdenture der Perre G., De Cooman M., Lievens S., Puers R., Naert I.: The influence of bone mechanical properties and implant fixation upon bone loading around oral implants. Clin. Oral Impl. Res. 1998, 9, 407 418. 9. Szmukler-Moncler S., Salama H., Reingewirtz Y., Dubruille J. H.: Timing of loading and effect of micromotion on bone-dental implant interface: review of experimental literature. J. Biomed. Mater. Res. 1998, 43, 192-203. 10. Mericske-Stern R.: Three-dimensional force measurements with mandibular overdentures connected to implants by ball-shaped retentive anchors. A clinical study. Int. J. Oral Maxillofac. Implants., 1998, 13, 1, 36-43. 11. Chladek W., Chladek G., Lipski T., Margielewicz J., Żmudzki J.: Biomechaniczne problemy w konstruowaniu implantologicznego systemu stabilizacji protez całkowitych. Wyd. Pol. Śl. Seria Monografie Nr 152, Gliwice 2008, 215. 12. Chladek W., Majewski S., Żmudzki J., Krukowska J.: The mechanical conditions of the functionality of chosen implant dentures constructions model investigations. Implantoprotetyka, 2003, 2, 3 10. 13. Żmudzki J., Chladek W.: Elastic silicone matrices as a tool for load relief in overdenture implants. Acta. Bioeng. Biomech., 2008, 10, 4, 1-8. 14. Żmudzki J., Chladek W.: Analiza obciążeń złączy mocujących całkowite dolne protezy do dwóch implantów. VIII Konferencja Biomateriały i Mechanika w Stomatologii. Ustroń 23-26.10.2008, Twój Przegląd Stomatologiczny; wyd. spec., Katowice 2008, 249-255. 15. Chladek W., Chladek G., Żmudzki J.: Zgł. Pat. (2005). Złącze z nasadką na filar implantologiczny stabilizujące całkowite dośluzowe protezy zębowe. P 375662. 16. Chladek W., Wrzuś-Wieliński M.: Możliwości wykorzystania podścielenia jako złączki redukującej sztywność układu implantoproteza wszczep. III Sympozjum Eksperyment i metody poznawcze w stomatologii. Ustroń 5-7 października 2007r. Nowoczesny Technik Dentystyczny. Wydanie specjalne 2007, 36-40. Zaakceptowano do druku: 10.XII.2009 r. Adres autorów: 40-019 Katowice, ul. Krasińskiego 8. Zarząd Główny PTS 2010. PROTETYKA STOMATOLOGICZNA, 2010, LX, 1 27