1 Монаков Д.В. 1
1 ФГБОУ ВО «Самарський державний медичний університет» Міністерства охорони здоров'я Російської Федерації
У статті розглянуто питання вибору конструкції дентального імплантату, що забезпечує адекватний розподіл напружень в системі кістка-імплантат і стабільність в умовах атрофії кісткової тканини. На основі методу математичного моделювання та пакету для кінцево-елементного аналізу ANSYS (ANSYS, Inc) побудовано моделі напружено-деформованого стану нижньої щелепи з ознаками атрофії кісткової тканини, що описують розподіл напружень у нижній щелепі при установці дентальних імплантатів трьох видів. Імітували застосування внутрикостного циліндричного, внутрішньокісткової-накісткового імплантатів і внутрикостно-накісткового імплантата з втулкою з нетканого титанового матеріалу з наскрізною пористістю, розробленого автором. На основі отриманих даних зроблено висновок про те, що дентальний імплантат конструкції автора є пріоритетним при ортопедичному лікуванні хворих з відсутністю зубів в умовах атрофії кісткової тканини.
напружено-деформований стан
атрофія кісткової тканини.
1. Архипов А.В. Проблема інтеграції матеріалів при дентальної імплантації, нові хірургічні підходи в складних клінічних ситуаціях (Експериментально-клінічне дослідження) [Текст]: автореф. дис. ... д-ра мед. наук О.В.. Архипов. - М., 2013. - С. 3.
2. байрікі А.І. Особливості протезування з опорою на дентальні імплантати з нетканого титанового матеріалу з наскрізною пористістю: дис. ... канд. мед. наук / О.І. Байрікі. - Самара, 2016. - 144 с.
3. байрікі І.М., Федяєв І.М., Фокеев С.В. Порівняння напружено-деформованого стану кісткової тканини в залежності від внутрикостной частини дентального імплантату // Матеріали XXIII і XXIV Всеукраїнських науково-практичних конференцій. - М., 2010. - С. 112-114.
4. Бегларян В.В. Клініко-експериментальне обгрунтування використання дентальних імплантатів з наскрізною пористістю [Текст]: автореф. дис. ... канд. мед. наук В.В.. Бегларян. - Самара, 2011. - 25 с.
5. гина, Н.В. Патогенетичні механізми порушення амортизується-щей функції періодонта в біомеханічних системах зуб (імплантат) - щелепу і їх практичне значення [Текст]: автореф. дис. ... д-ра мед. наук / Н.В. Гина. - М., 2000. - 50 с.
6. Журулі Г.Н., Олесова В.Н., Магаметханов Ю.М. та ін. Порівняльне тривимірне моделювання напружено-деформованого стану кортикальної кістки нижньої щелепи при навантаженні імплантатів в бічному і фронтальному відділах зубного ряду // Стоматологічний журнал. - 2009. - № 2. - С. 106-107.
7. Куріцин, А.В. Звичайно-елементне моделювання взаємодії гвинтового імплатата з кістковими тканинами щелепного сегмента [Текст] / А.В. Куріцин, В.І. Куцевляк, А.В. Кондратьєв // Вісник проблем біології і медицини. - 2014. - Вип. 2. - Т. 1 (107). - С. 202-205.
8. Матвєєва А.І., Фролов В.А., Гветадзе Р.Ш. з співавт. Вплив параметрів імплантату на напружено-деформований стан кісткової тканини зони імплантації // Стоматологія. - 2010. - №5. - С. 63-65.
9. Нікольський В.Ю., Федяєв І.М. Дентальная імплантологія. - М .: Медичне інформаційне агентство, 2007. - 168 с.
10. Савельєв А.Л. Клініко-функціональне обґрунтування лікування хворих переломами нижньої щелепи з використанням індивідуальних накістковий пластин: дис. ... канд. мед. наук / А.Л. Савельєв. - Самара, 2012. - 184 с.
11. Чумаченко Е.Н., Янушевич О.О., Ігнатьєва Д.І. та ін. Аналіз розподілу навантажень і ймовірності незворотних змін в кісткових тканинах щелепи при ортопедичному лікуванні з використанням внутрішньокісткових дентальних імплантатів // Російський стоматологічний журнал. - 2010. - № 4. - С. 13-14.
Актуальність. Однією з проблем при виборі конструкції дентального імплантату є забезпечення адекватного розподілу напружень в системі кістка-імплантат і фізіологічний стан кісткової тканини. Життєздатність кісткової тканини визначають напруги і деформації, що виникають при установці дентального імплантату [5]. Найбільш сучасним і інформативним віртуальним методом вивчення біомеханіки дентального імплантату є тривимірне многофакторное математичне моделювання напружено-деформованого стану при різних клінічних ситуаціях [8,9,10]. У багатьох роботах вивчаються закономірності біомеханіки внутрішньокісткових дентальних імплантатів, що вводяться в кісткову тканину після видалення зуба, вплив параметрів імплантату на напружено-деформований стан зони імплантації; реакція кісткової тканини, що оточує імплантат, на функціональні навантаження [2,3,6,8,10,11]. Не рідше зустрічаються роботи, в яких за допомогою методів математичного моделювання проводиться оцінка конструкцій знімних протезів, що опираються на імплантати і біологічні тканини порожнини рота, впливу напрямки установки імплантатів на характеристики міцності протезів, розподілу навантажень і ймовірності незворотних змін в кістковій тканині при ортопедичному лікуванні [8 , 11]. Виникаючі напруги в кістковій тканині характеризують дії внутрішніх сил. При жуванні (при фізіологічних навантаженнях) ці сили в зубощелепної системі людини є фізіологічними подразниками, які сприяють функціонуванню та підтримці обмінних процесів в кістковій тканині, підтримують баланс між процесами моделювання та ремоделювання. У разі перевантаження або недостатньою мірою напруги, в кістковій тканині може відбуватися атрофія і резорбція, що веде до переімплантіту. Для успішного функціонування остеоінтегрірованного імплантату в кістки щелепи особливу роль відіграє адекватність передачі навантажувальних сил, до визначальних факторів при цьому ставляться площа прямого контакту і напрямок переданих їй навантажень: чим більше площа, тим значніше розосередження навантаження на кістку [1,2,3].
Наявність пір в ендооссальной частини імплантату сприяє глибинному проростання кісткової тканини в металеву структуру, в результаті чого виникає біологічна фіксація імплантату. Для проростання кістки оптимальним є розмір пір 100-200 мкм [1,2]. У дентальної імплантаті з нетканого титанового імплантату з наскрізною пористістю отримували пори в імплантаті діаметром від 120 до 200 мкм, що склало 70 ± 10% пористості [4]. При навантаженні імплантату в віртуальному режимі отримані результати показників величини і характеру розподілу ділянок з підвищеною напругою в кістковій тканині дозволяють провести високоточну діагностику і планування етапу імплантації та ортопедичних процедур. На етапі розробки імплантату аналіз експериментальної моделі напружено-деформованого стану забезпечує можливість корекції параметрів конструкції імплантату. Мета дослідження. Метою нашої роботи було математичне обґрунтування оптимальної конструкції дентального імплантату, який функціонує в умовах атрофії кісткової тканини. Матеріали та методи. Для вирішення поставленого завдання були використані методи математичного моделювання і пакет для кінцево-елементного аналізу ANSYS (ANSYS, Inc). З позиції механіки деформованого твердого тіла система імплантат-кісткова тканина являє собою неоднорідну тривимірну задачу. Неоднорідність завдання обумовлена тим, що необхідно враховувати відмінність в механічних характеристиках металоконструкцій (дентальний імплантат, накісткового пластина), компактною і губчастої кістки. Якщо властивості металоконструкцій (сталевих або з титанових сплавів) для розглянутих величин навантажень можна прийняти лінійно пружними, то механічні властивості компактної і губчастої кістки тільки наближено можна розглядати як нелінійно пружні. Відновлення вихідної форми після зняття навантаження (властивість пружності) для кісткової тканини відбувається, але з деякою затримкою за часом. Опис напруженого стану твердого тіла в тривимірному випадку відбувається з використанням тензора (або таблиці розміром 3х3) напруг 
(I, j = 1, 2, 3) і деформацій 
(I, j = 1, 2, 3). З 9 компонент тензора тільки 6 є незалежними функціями координат, тобто змінюються від точки до точки. Кожна компонента тензора напружень відповідає величині внутрішніх зусиль в твердому тілі, спрямованих перпендикулярно майданчикам в системі координат XYZ. Рішення подібних за складністю завдань аналітичним способом зустрічає на своєму шляху труднопреодолімие математичні труднощі, у зв'язку з чим використовують чисельні методи, добре розвинені і активно використовуються останнім часом, зокрема метод скінченних елементів (МСЕ). Основна ідея МСЕ полягає в тому, що область завдання на першому етапі розбивається на менші, і рішення обчислюється для кожної ділянки (але так, щоб в проміжних точках рішення збігалися). Побудова геометричної моделі нижньої щелепи вели з використанням коштів, закладених в пакет аналізу ANSYS. Геометричні розміри перетину щелепи, отримані за допомогою комп'ютерної томографії (КТ), з незначною ідеалізацією імпортували в ANSYS і на них вибудовували модель щелепи. На другому етапі було проведено розбиття моделі на кінцеві елементи. Виробляли оптимізацію звичайно-елементної сітки: виконували згущення сітки в областях (зона контакту гвинтів з кістковою тканиною), де можливе значне зміна напруг (концентрація напружень). Було створено кілька моделей (рис.3) з різним ступенем деталізації (від 20 до 200 тис. Елементів), з яких було обрано оптимальна, що складається з 50 тисяч кінцевих елементів, яка дозволяє оперативно проводити кінцево-елементний розрахунок (в пределах1-4 годин ) і в той же час забезпечує прийнятну точність. В ході дослідження були побудовані кінцево-елементні моделі, що описують розподіл напружень у нижній щелепі при установці дентальних імплантатів трьох видів. Звичайно-елементні моделі побудовані на основі даних КТ нижньої щелепи пацієнта з ознаками атрофії кісткової тканини. 3 D моделі включали в себе кортикальну і губчасту кісткові тканини, циліндричний внутрішньокістковий імплантат, циліндричний внутрішньокістковий імплантат і накісткового міні пластину, фіксовану гвинтами, втулку з НТМСП, штифт-розпірку і абатмент. Розміри внутрішньокісткових частин імплантатів склали: діаметр 3,5 мм, довжина 5 мм. На двох моделях імітували застосування внутрикостного циліндричного і внутрикостно-накісткового імплантатів. Моделювали установку імплантатів в проекції відсутніх 6, 7 зубів. На третьої моделі імітували функціонування дентального внутрикостно-накісткового імплантата (ДВНІ) з втулкою з нетканого титанового матеріалу з наскрізною пористістю (НТМСП), розробленого на кафедрі щелепно-лицевої хірургії і стоматології СамГМУ (патент на корисну модель №162614 від 01.06.2016 р) . Після побудови конечноелементной моделі нижньої щелепи задавали фізико-механічні властивості для розглянутих матеріалів, враховуючи, що реологічні співвідношення для біологічних матеріалів носять складний, нелінійний характер. Величину модуля Юнга для кісткової тканини брали рівною 13,7 ГПа, а коефіцієнт Пуассона 0,3 [7]. Після побудови математичної моделі до неї були включені граничні умови і навантаження. Навантаження брали 2-х видів: вертикальна 200 Н і горизонтальна 20 Н. Зазначені величини найбільш часто використовувалися іншими авторами. Вони є усередненими значеннями діючих значень і тому зручні для порівняння. Потім був проведений розрахунок напружено-деформованого стану для трьох варіантів конструкції імплантату: стандартний внутрішньокістковий, внутрішньокісткової-накісткового імплантат і внутрішньокісткової-накісткового імплантат з втулкою з нетканого титанового матеріалу.
Результати дослідження та їх обговорення. В результаті отримано розподіл значень напруг і деформацій як у текстовій, так і в графічній формах. На рис. 1, 2 і 3 наведені види з розглянутих випадків навантаження для величини зусилля в області моляра 200 і 20 Н. Кольори на моделі відповідають знайденим величинам напруг. Нами вивчена загальна картина напружено-деформованого стану кортикального шару, губчатого шару, напруги в області апекса імплантату для трьох варіантів конструкції при вертикальному навантаженні в 200 Н. Максимальні еквівалентні напруги в експерименті в кістковій тканині для внутрішньокісткового циліндричного імплантату склали 5,1Мпа, для внутрікостно- накісткового імплантата 4,6 МПа, для внутрішньокісткової-накісткового імплантата з втулкою з НТМСП 2,8 МПа. При вертикальному навантаженні равнораспределенія напруга в більшій мірі концентрується в області витків імплантату, розташованих в кортикальної кістки. При вертикальному навантаженні відбувається зниження максимальних значень напруг в кінцево-елементних моделях нижньої щелепи при моделюванні установки внутрикостно-накісткового імплантата з втулкою з НТМСП на 45,09% в порівнянні з внутрішньокістковий циліндричним імплантатом і на 39,1% в порівнянні з внутрішньокісткової-накісткового імплантатом за рахунок введення в конструкцію додаткової стабілізуючою накісткової міні пластини і втулки з НТМСП.
Мал. 1. Розподіл інтенсивності напружень у нижній щелепі для вертикальної і горизонтальної навантажень, стандартний внутрішньокістковий імплантат
Мал. 2. Розподіл інтенсивності деформацій в нижній щелепі для горизонтальної та вертикальної навантажень, внутрішньокісткової-накісткового імплантат
Мал. 3. Розподіл інтенсивності напружень у нижній щелепі для горизонтальної та вертикальної навантаження, внутрішньокісткової-накісткового імплантат з втулкою з НТМСП
Крім вертикальної, імплантат ще відчуває і горизонтальну (неосевую) навантаження, яка за даними вітчизняних і зарубіжних дослідників має найбільший вплив на напружено-деформований стан кісткової тканини. Цей факт безпосередньо впливає на вибір конструкції дентального імплантату, а також на планування і конструювання ортопедичної конструкції. При аналізі максимальних напружень в кістковій тканині, що розвиваються при горизонтальній навантаженні, ми розглядали загальну картину напружено-деформованого стану для трьох варіантів конструкції. При дослідженні переміщень при горизонтальній навантаженні 20 Н максимальне значення напруг для внутрішньокісткового циліндричного імплантату склало 1,04 МПа, для внутрішньокісткової-накісткового імплантата 0,87 МПа, для внутрішньокісткової-накісткового імплантата з втулкою з НТМСП 0,48 МПа. Максимальні напруги концентрувалися в витках з протилежного боку прикладеного навантаження. При горизонтальній навантаженні відбувається зниження максимальних значень напруг в кінцево-елементних моделях нижньої щелепи при моделюванні установки внутрикостно-накісткового імплантата з втулкою з НТМСП на 53,8% в порівнянні з внутрішньокістковий циліндричним імплантатом і на 44,8% в порівнянні з внутрішньокісткової-накісткового імплантатом за рахунок введення в конструкцію додаткової стабілізуючою накісткової міні пластини і втулки з НТМСП. В результаті проведеного аналізу видно, що при вертикальній і горизонтальній навантаженні і введенні в конструкцію додаткових елементів, таких як додаткова накісткового пластина і встановлена втулка з НТМСП, знижується напруга в системі в цілому. Циліндр-втулка з НТМСП додатково володіє демпферними властивостями, сприяє проростанню вглиб пір імплантату кісткової тканини. Це дає підставу вважати, що імплантат витримає велику оклюзійну навантаження близьку або рівну нативному зубу, в порівнянні з класичними гвинтовими циліндричними імплантатами, і забезпечить довгострокове, повноцінне функціонування і стабільність імплантату в умовах атрофії кісткової тканини. Ці дослідження дозволили змінити підходи до моделювання конструкції дентального імплантату, який функціонує в умовах атрофії кісткової тканини. Висновки. Використання імплантатів з підтримуючою пластиною і втулкою з нетканого титанового матеріалу призводить до значущого зниження діючих напружень в кістковій тканині щелепи від прикладеного навантаження в умовах атрофії кісткової тканини. З точки зору процесів біомеханіки конструкція дентального внутрикостно-накісткового імплантата з втулкою з НТМСП обгрунтована і може бути пріоритетною при ортопедичному лікуванні хворих з відсутністю зубів в умовах атрофії кісткової тканини.
бібліографічна посилання
Монаков Д.В. АНАЛІЗ НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНОГО СТАНУ СИСТЕМИ ПРИ ВСТАНОВЛЕННЯ дентальної ІМПЛАНТАТІВ РІЗНИХ КОНСТРУКЦІЙ В УМОВАХ атрофії КІСТКОВІЙ ТКАНИНИ нижньої щелепи // Сучасні проблеми науки та освіти. - 2017. - № 1 .;
URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=26141 (дата звернення: 14.06.2019).
Пропонуємо вашій увазі журнали, що видаються у видавництві «Академія природознавства»
(Високий імпакт-фактор РИНЦ, тематика журналів охоплює всі наукові напрямки)
Ru/ru/article/view?