СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ИМПЛАНТАТОВ ИЗ TI GRADE 4 И Y-TZP МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

COMPARATIVE ANALYSIS OF THE STRESS-STRAIN STATE OF TI GRADE 4 AND Y-TZP IMPLANTS USING THE FINITE ELEMENT METHOD

Peretyagin Pavel Yurievich

Cand. Tech. Sci, Moscow State Technological University "STANKIN", Russian University of Medicine, Russia, Moscow

Mozhaev Alexander Alexandrovich

PhD student, Moscow State Technological University "STANKIN", Russian University of Medicine, Russia, Moscow

Naumenko Petr Alexeyevich

PhD student, Moscow State Technological University "STANKIN", Russian University of Medicine, Russia, Moscow

Medeltsev Anton Alexandrovich

PhD student, Moscow State Technological University "STANKIN", Russia, Moscow

Аннотация. Целью исследования является сравнительный анализ механических свойств дентальных имплантатов из титана Grade 4 и диоксида циркония (Y-TZP) методом конечных элементов для оптимизации выбора системы. Численное моделирование выполнено в программе Fusion 360 (Nastran) на основе 3D-модели при нагрузке 250 Н. Результаты показали, что Y-TZP имплантаты обеспечивают деформации в 2,6–4 раза меньше, чем титановые, при сопоставимом уровне максимальных напряжений. Наибольшая концентрация напряжений локализуется в шейке имплантата. Конечно-элементный анализ позволяет персонализировать выбор имплантационной системы и повысить качество восстановления функции зубочелюстной системы.

Abstract. The aim of the study is to conduct a comparative analysis of the mechanical properties of dental implants made of Grade 4 titanium and zirconium dioxide (Y-TZP) using the finite element method to optimize the choice of system. Numerical modeling was performed in Fusion 360 (Nastran) based on a 3D model under a load of 250 N. The results showed that Y-TZP implants provide 2.6–4 times less deformation than titanium implants at a comparable level of maximum stress. The highest stress concentration is localized in the implant neck. Finite element analysis allows for the personalization of the implant system selection and improves the quality of the restoration of the dentoalveolar system function.

Ключевые слова: дентальная имплантология; Ti grade 4; Y-TZP; Метод конечных элементов.

Keywords: dental implantology; Ti grade 4; Y-TZP; Finite element method .

1. Введение

Одним из наиболее эффективных методов восстановления утраченных зубов, является дентальная имплантация. Благодаря остеоинтеграции, имплантология позволяет равномерно рассеивать функциональные нагрузки, обеспечивая восстановление работоспособности зубочелюстной системы. Выбор материала для имплантата остается ключевым фактором, влияющим на эстетику и функциональность. На протяжении последних десятилетий титановые имплантаты считаются золотым стандартом, благодаря превосходной биосовместимости, коррозионной стойкости, механической прочности и хорошо исследованной остеоинтеграции с показателями успешности более 95% процентов [10]. Так, в исследовании Сисилиа и др. [11] на выборке в 1500 пациентов и с имплантатами, была установлена низкая распространенность аллергических реакций на титан, около 0,6%. Потенциальный вред титановых систем связан не только с риском возникновения аллергических реакций [8], но и с возможностью возникновения гальванических токов, опасных для здоровья пациента [1]. Важно отметить, что из-за растущих требований к эстетике, серый металлический оттенок имплантата так же является недостатком в глазах пациентов.

Альтернативой титану стоит назвать циркониевый имплантаты на основе стабилизированного иттрием диоксида циркония (Y-TZP). Диоксид циркония и является наиболее распространенным материалом для керамических реставраций благодаря оптимальному сочетанию механических и эстетических свойств [13]. Они обладают отличительной биоинертностью, естественным белым цветом и высокой прочностью. Однако данный материал обладает более высоким модулем упругости по сравнению с титаном (210 ГПа против 110 ГПа у титана). Несоответствие механических свойств материала имплантата и костной ткани может привести к эффекту экранирования напряжений (stress shielding), вызывающему резорбцию кости [14]. При данном эффекте имплантат берет на себя основную жевательную нагрузку, что лишает окружающую костную ткань необходимого механического стимулирования и может вызывать её резорбцию [7].

Прямое экспериментальное исследование процессов остеоинтеграции и последующее распределение жевательных нагрузок ограничено высокой стоимостью, сложностью воспроизведения биомеханических условий и невозможность выполнения неразрушающего анализа внутренних напряжений. Так же экспериментальные исследования не способны учитывать особенности пациента, что исключает персонализированный подход. В связи с этими метод конечных элементов (МКЭ) является эффективным инструментом для моделирования поведения имплантатов в условиях физиологических нагрузок.

МКЭ позволяет оценить влияние материала имплантата на состояние периимплатной кости, а современные CAD/CAM системы способны создавать высокоточные модели с возможностью повторения реальной геометрии челюсти [3] [15].

Целью данной работы является проведение сравнительного конечно-элементного анализа биомеханического поведения циркониевых и титановых имплантатов в системе нагружения имплантат-абатмент-реставрация при  нагружении, оценка распределения напряжений при нагружения. В рамках исследования также проводится апробация методики МКЭ-анализа на основе 3D-модели зуба, полученной методом сканирования. Полученные данные могут стать основой для разработки персонализированных подходов к выбору оптимальных имплантационных систем для каждого конкретного пациента

2. Материалы и методы.

В работе [2] проводился опрос действующих стоматологов, согласно данным предоставленным автором работы более 80% респондентов скептически относятся к клиническому использованию керамических имплантатов из-за сомнений в их прочности. Одним из методов предотвращения данной проблемы может быть тестирование моделей с помощью МКЭ. Основываясь на результатах, симуляции станет возможным оптимально выбирать материал с учетом индивидуальности каждого пациента, посредством составление объемной модели челюстей. Исследования последних лет показывают, что циркониевые имплантаты, ввиду высокого модуля юнга, показывают отличную от титановых имплантатов модель распределения внутренних напряжений. Аналогичные результаты получены Martinez-Mondragon и соавт., которые продемонстрировали, что циркониевые имплантаты генерируют меньшие деформации в системе, но требуют тщательного подбора в зависимости от качества кости [9]. Исследование Izgi и соавт. показало, что циркониевые имплантаты могут быть биомеханически целесообразной альтернативой в эстетически значимых зонах переднего отдела верхней челюсти [6]. В то же время мета-анализ Morena и соавт. не выявил клинически значимых различий между циркониевыми и титановыми имплантатами по основным показателям успешности [10].

Для расчетов будет использоваться программа Fusion 360 с модулем simulation с решателем на основе ядра Nastran. При проведении симуляции будет использована система имплантат-абатмент-реставрации зуба (рис. 1 а).

Кортикальная и губчатая кость не повторяют геометрию десны пациента, являются упрощенными фигурами с характеристиками костей. Коронка смоделирована с помощью технологии 3д сканирования.

Рисунок 1. 3D модель используемая в симуляции: 1 – коронка, 2 – абатмент, 3 – имплантат

Для исследования используется нагрузка в 250 Н, распределенная по трем областям (рис. 2). В рамках данной работы вектор нагрузки установлен в перпендикулярное положение относительно отверстия имплантата. Свойства материалов используемых при расчете указаны в таблице 1.

Рисунок 2. Область нагрузки с вектором приложенной силы

Параметры сетки: количество элементов - 1197924, количество узлов 1741426.

Таблица 1

Свойства материалов использованные в исследовании

3. Результаты

При исследовании системы с имплантатом из Ti grade 4 Максимальное напряжение по Мизесу достигало 22.062 МПа в кортикальной кости и 9.517 МПа в губчатой кости. Существенная концентрация нагрузки формируется у шейки имплантата (рис. 3а). Максимальная деформация отмечается так же в области шейки и достигает 0.008 мм (рис. 3б).

Рисунок 3. Результаты симуляции при системе с имплантатом из Ti grade 4: а) внутренние напряжения в кортикальной и губчатой кости б) смещения в кортикальной и губчатой кости

Результаты анализа показывают, что в самом имплантате возникают максимальные напряжения величиной 28,538 МПа и смещения от 0,006 мм до 0,008 мм (рисунок 4). Распределение напряжений носит неравномерный характер. Их максимум локализован в наиболее тонкостенной зоне, являющейся первичной областью восприятия нагрузки. Также наблюдается градиент напряжений — их величина снижается по направлению от верхней части имплантата к нижней.

Рисунок 4. Результаты нагрузки системы с имплантатом из Ti grade 4: а) внутренние напряжения в имплантате б) смещения в имплантате

В сравнении с Ti Grade 4 системы с имплантатом из Y-TZP демонстрируют сопоставимый уровень напряжений в костной ткани (22,08 МПа для кортикальной кости и 9,451 МПа для губчатой кости), в свою очередь максимальное значение смещения в кортикальной и губчатой кости меньше в 2,6 раз чем при использовании ранее рассмотренного аналога.

Рисунок 5. Результаты симуляции при системе с имплантатом из Ti grade 4: а) внутренние напряжения в кортикальной и губчатой кости б) смещения в кортикальной и губчатой кости

Керамический имплантат характеризуется наибольшим значением напряжения (41,863 МПа), при этом величина максимальных смещений не превышает 0,002, что составляет четырехкратное снижение по сравнению с системой на основе Ti grade 4 (рис. 6).

Рисунок 6. Результаты нагрузки системы с имплантатом из Y-TZP: а) внутренние напряжения в имплантате б) смещения в имплантате

Вывод

Проведенный сравнительный анализ механических свойств имплантатов из Ti grade 4 и Y-TZP показывает, что при зарегистрированных уровнях максимальных напряжений (до 41,863 МПа по Мизесу для системы с Y-TZP и до 28,538 МПа для системы с Ti grade 4) оба материала работают с большим запасом своих предельных характеристик. Так предел прочности для титана составляет 480 МПа, а предел прочности Y-TZP составляет 900 МПа при изгибе и 500 Мпа при растяжении. При выполнении исследования с приложением нагрузки в 250 Н в вертикальном направлении можно говорить об исключении риска разрушения как металлической, так и керамической конструкции.

Стоить отметить, что при одинаковых нагрузка, имплантаты из Y-TZP показывают более высокую жесткость, демонстрируя уменьшения деформаций в 2,6–4 раза в сравнение с аналогами, что снижает возможность повреждений в переимплантных тканях. Однако характер концентрации напряжений может говорить о возможности зарождения микротрещин при нагрузках, превышающих предел прочности. Для исключения риска необходимо проводить анализ с помощью МКЭ для каждого пациента индивидуально. В результате применения метода конечных элементов с использованием 3D моделей зубов пациента возможно составление плана лечения с учетом распределения нагрузок, рассчитанных на основе индивидуальной анатомии челюсти и зубов пациента, что обеспечивает оптимальное решение в выборе имплантата и минимизирует риск его разрушения.

Данное исследование было профинансировано Министерством здравоохранения Российской Федерации, номер гранта 056-00041-23-00.