Изучение влияния горизонтальной нагрузки на ортодонтические микроимплантаты, способные нести функцию временной опоры провизорных ортопедических конструкций

Полный текст

АКТУАЛЬНОСТЬ

В настоящее время в современной стоматологической практике широко используются ортодонтические имплантаты. Их активное применение обусловлено обеспечением функции неподвижной опоры, что позволяет использовать имплантаты для перемещения зубов и их групп [1–10].

Ранее нами было описано, что помимо функции неподвижной опоры для перемещения зубов ортодонтические имплантаты могут выполнять функцию временной опоры провизорных ортопедических коронок у пациентов с частичной потерей зубов. Подобное использование позволяет во время ортодонтического лечения перед протезированием решить важнейшую задачувосстановления целостности зубного ряда и, как следствие, устранения травматической окклюзии и восстановления функции жевания на период ортодонтического лечения [11].

Однако использование традиционных ортодонтических имплантатов в качестве временной опоры провизорных коронок имеет ряд недостатков. Нам приходилось сталкиваться со следующими проблемами: сложности при лабораторном изготовлении коронок, нарушение фиксации коронок, необходимость в дополнительной реставрации базиса коронок после изготовления. Перечисленные проблемы обусловлены тем, что наддесневая часть традиционных ортодонтических имплантатов не предназначена для их использования в качестве опоры временной ортопедической коронки. Исходя из этого, нами была предложена система микроимплантатов, конструкция которых может быть использована в качестве временной опоры провизорной ортопедической конструкции (рис. 1) [12].

 

Рис. 1. Модель разработанного Р.А. Фадеевым и М.А. Чебаном ортодонтического микроимплантата, способного выполнять функцию временной опоры ортопедической конструкции

Fig. 1. Model of the orthodontic microimplant performing the function of a temporary support for an orthopedic structure developed by R.A. Fadeev and M.A. Cheban

 

Ранее нами было исследовано влияние вертикальной нагрузки на ортодонтические имплантаты путем применения математического моделирования методом конечных элементов, в результате которого была доказана безопасность вертикальных нагрузок.

Цель настоящей работы — изучение влияния горизонтальной нагрузки на разработанные нами микроимплантаты с использованием метода конечных элементов.

Метод конечных элементов — это математический способ вычисления физических возможностей материалов и систем в компьютерной среде посредством решения дифференциальных уравнений. В основе метода лежит разделение исследуемого объекта на виртуальные фрагменты заданного размера, через которые производится расчет прочностных характеристик главного объекта [2, 14–16].

При изучении распределения напряжений в области микроимплантатов были поставлены следующие задачи:

1) охарактеризовать картину распределения напряжений при горизонтальной нагрузке на микроимплантат;

2) определить возможные различия в распределении напряжений в костной ткани при наличии только губчатой кости и губчатой кости, покрытой компактной пластинкой;

3) определить зоны микроимплантатов, испытывающие максимальные напряжения.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Для решения поставленных задач были разработаны геометрические модели ортодонтических имплантатов, а также 2 модели костной ткани: первая состояла только из губчатого вещества, вторая — из губчатого вещества и компактной пластинки. Создание 2 экспериментальных моделей костной ткани обусловлено тем, что довольно часто в области отсутствующих зубов на верхней челюсти можно обнаружить преимущественно губчатую кость без выраженного кортикального слоя, в то время как костная ткань на нижней челюсти чаще всего представляет собой губчатую кость, которая окружена выраженной компактной пластинкой.

Использовались следующие параметры костной ткани: толщина компактной пластинки — 1,5 мм, плотность губчатого вещества — 1400 HU по Хаунсфилду, плотность компактной пластинки — 1800 HU по Хаунсфилду [17]. Горизонтальная нагрузка, прикладываемая к микроимплантатам, была равна максимальному уровню силы внутриротовых эластических тяг и составила 1,7 H [18].

На основе моделей ортодонтических имплантатов и костной ткани были созданы 6 групповых геометрических моделей в зависимости от размера имплантата и модели костной ткани. Затем были разработаны конечно-элементные модели исследуемых групп:

• группа 1 — 1-я модель костной ткани и микроимплантат с размером внутренней части 2 × 8 мм (высота резьбы — 6 мм, высота трансгингивальной части — 2 мм);
• группа 2 — 1-я модель костной ткани и микроимплантат с размером внутренней части 2 × 10 мм (высота резьбы — 8 мм, высота трансгингивальной части — 2 мм);
• группа 3 — 1-я модель костной ткани и микроимплантат с размером внутренней части 2 × 12 мм (высота резьбы — 10 мм, высота трансгингивальной части — 2 мм);
• группа 4 — 2-я модель костной ткани и микроимплантат с размером внутренней части 2 × 8 мм (высота резьбы — 6 мм, высота трансгингивальной части — 2 мм);
• группа 5 — 2-я модель костной ткани и микроимплантат с размером внутренней части 2 × 10 мм (высота резьбы — 8 мм, высота трансгингивальной части — 2 мм);
• группа 6 — 2-я модель костной ткани и микроимплантат с размером внутренней части 2 × 12 мм (высота резьбы — 10 мм, высота трансгингивальной части — 2 мм).

Исследование осуществлялось с использованием математического способа моделирования напряженно-деформированных состояний в системе «микроимплантат — окружающая костная ткань» с воспроизведением свойств материала и параметров микроимплантата и окружающей костной ткани методом конечных элементов. Для выполнения анализа были созданы 3D модели микроимплантатов в программе «Компас-3D» (Россия), анализ распределения напряжений проводился в программе «Autodesk Inventor» (США).

Физико-механические характеристики (модуль упругости, коэффициент Пуассона, предел текучести, предел прочности) костной ткани и титана были взяты из специальных литературных источников и представлены в таблице 1 [2, 15, 16, 19, 20].

 

Таблица 1. Физико-механические характеристики костной ткани и титана

Table 1. Physical and mechanical characteristics of the bone tissue and titanium

Материал	Модуль упругости, ГПа	Коэффициент Пуассона	Предел текучести, МПа	Предел прочности, МПа
Компактная пластинка костной ткани	13,70	0,26	–	60
Губчатая кость	1,37	0,30	–	60
Титан	113,80	0,32	880	–

 

РЕЗУЛЬТАТЫ

Ниже представлены результаты изучения распределения напряжений с помощью метода конечных элементов в микроимплантатах и окружающей их костной ткани.

Группа 1 — 1-я модель костной ткани и микроимплантат с размером внутренней части 2 × 8 мм (рис. 2).

 

Рис. 2. Группа 1 — распределение напряжений в микроимплантате (a) и костной ткани (b)

Fig. 2. Group 1: stress distribution in the microimplant (a) and bone tissue (b)

 

Группа 2 — 1-я модель костной ткани и микроимплантат с размером внутренней части 2 × 10 мм (рис. 3).

 

Рис. 3. Группа 2 — распределение напряжений в микроимплантате (а) и костной ткани (b)

Fig. 3. Group 2: stress distribution in the microimplant (a) and bone tissue (b)

 

Группа 3 — первая модель костной ткани и микроимплантат с размером внутренней части 2 × 12 мм (рис. 4).

 

Рис. 4. Группа 3 — распределение напряжений в микроимплантате (а) и костной ткани (b)

Fig. 4. Group 3: stress distribution in the microimplant (a) and bone tissue (b)

 

Группа 4 — 2-я модель костной ткани и микроимплантат с размером внутренней части 2 × 8 мм (рис. 5).

 

Рис. 5. Группа 4 — распределение напряжений в микроимплантате (а) и костной ткани (b)

Fig. 5. Group 4: stress distribution in the microimplant (a) and bone tissue (b)

 

Группа 5 — 2-я модель костной ткани и микроимплантат с размером внутренней части 2 × 10 мм (рис. 6).

 

Рис. 6. Группа 5 — распределение напряжений в микроимплантате (а) и костной ткани (b)

Fig. 6. Group 5: stress distribution in the microimplant (a) and bone tissue (b)

 

Группа 6 — 2-я модель костной ткани и микроимплантат с размером внутренней части 2 × 12 мм (рис. 7).

 

Рис. 7. Группа 6 — распределение напряжений в микроимплантате (а) и костной ткани (b)

Fig. 7. Group 6: stress distribution in the microimplant (a) and bone tissue (b)

 

В таблицах 2, 3 представлены максимальные значения напряжений в микроимплантатах и костной ткани в зависимости от модели костной ткани.

 

Таблица 2. Величина напряжений в первой модели костной ткани (только губчатое вещество)

Table 2. Magnitude of stresses in the first bone tissue model (spongy substance only)

Размер микроимплантата, мм	Максимальное напряжение в микроимплантате, МПа	Максимальное напряжение в костной ткани, МПа
2 × 8	0,204	0,003
2 × 10	0,187	0,004
2 × 12	0,201	0,004

 

Таблица 3. Величина напряжений во второй модели костной ткани (губчатое вещество и компактная пластинка)

Table 3. Magnitude of stresses in the second model of bone tissue (spongy substance and compact plate)

Размер микроимплантата, мм	Максимальное напряжение в микроимплантате, МПа	Максимальное напряжение в костной ткани, МПа
2 × 8	0,211	0,016
2 × 10	0,197	0,019
2 × 12	0,218	0,024

 

В результате оценки характера распределения напряжений при горизонтальной нагрузке на микроимплантат был сделан вывод о том, что максимальные напряжения концентрируются в области наддесневой части конструкции, в этой области они составили от 0,187 до 0,218 МПа. В области внутрикостной и трансгингивальной частей нагрузка распределяется равномерно.

Исследование распределения напряжений в костной ткани показало, что при оказании нагрузки на микроимплантат, установленный только в губчатую кость, наблюдаются равномерные напряжения в кости вдоль всего тела микроимплантата. При исследовании напряжений во второй модели костной ткани отмечается, что компактная пластинка в кости не вызывает аккумулирования напряжений в области данного слоя, напряжения концентрируются преимущественно в губчатой кости вдоль тела микроимплантата.

ВЫВОДЫ

1. Полученный в ходе проведенного анализа уровень напряженно-деформированных состояний позволяет говорить об относительной безопасности горизонтальных нагрузок, которые оказывались на микроимплантаты.
2. Пиковые значения напряжений на микроимплантаты не превышают 0,218 МПа при предельных значениях 880 МПа.
3. При оказании горизонтальной нагрузки на микроимплантат напряжения распределяются преимущественно вокруг губчатой кости, вне зависимости от наличия компактной пластинки. Максимальные значения напряжений в костной ткани оказались не выше 0,024 МПа, что говорит о высоком запасе прочности костной ткани при текущем уровне нагрузок.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. Все авторы внесли существенный вклад в подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией. Личный вклад каждого автора: Р.А. Фадеев — написание и редактирование текста рукописи; М.А. Чебан — сбор материала, анализ полученных данных, написание текста рукописи.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при написании статьи.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Этический комитет. Материал статьи содержит материалы исследований.

ADDITIONAL INFORMATION

Authors’ contribution. All the authors made a significant contribution to the preparation of the article, read and approved the final version before publication. Personal contribution of each author: R.A. Fadeev — writing and editing the text of the manuscript; M.A. Cheban — collecting material, analyzing the data obtained, writing the text of the manuscript.

Funding source. The authors claim that there is no external funding when writing the article.

Competing interests. The authors declare the absence of obvious and potential conflicts of interest related to the publication of this article.

Ethics approval. The material of the article contains research materials.

Об авторах

Роман Александрович Фадеев

Северо-Западный государственный медицинский университет им. И.И. Мечникова; Частное образовательное учреждение дополнительного профессионального образования «СПб ИНСТОМ»; Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого

Email: sobol.rf@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-3467-4479
SPIN-код: 4556-5177

д-р мед. наук

Россия, Санкт-Петербург; Санкт-Петербург; Великий Новгород

Максим Андреевич Чебан

Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого

Автор, ответственный за переписку.
Email: maximcheban97@gmail.com
SPIN-код: 3289-7217

аспирант

Россия, Великий Новгород

Список литературы

Дополнительные файлы