Analisi agli elementi finiti per la definizione della distribuzione degli stress meccanici negli impianti

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1 articolo originale Ricevuto il 27 marzo 2012 Accettato il 7 giugno 2012 Disponibile online 23 luglio 2012 *Autore di riferimento: Francesco Carinci crc@unife.it IMPLANTOLOGIA Analisi agli elementi finiti per la definizione della distribuzione degli stress meccanici negli impianti Tridimensional finite element analysis to detect stress distribution in implants M. Danza a, L. Paracchini b, F. Carinci c, * a Corso di Laurea in Odontoiatria e Protesi Dentaria, Universita degli Studi di Chieti b Libero professionista in Milano c Dipartimento di Discipline Medico-Chirurgiche della Comunicazione e del Comportamento, Sezione di Chirurgia Maxillo-Facciale e Plastica, Universita degli Studi di Ferrara Riassunto Obiettivi. Studiare, mediante l analisi degli elementi finiti (Finite Element Analysis, FEA), una famiglia di impianti a spirale inseriti nella mandibola, collegati con abutment diritti e caricati mediante forze verticali e laterali. Materiali e metodi. E stato valutato il comportamento biomeccanico di un impianto dentale Ultimate (AoN Implants, Grisignano di Zocco, Vicenza) avente dimensioni di 5 x 13 mm con vite di serraggio per l abutment e direttamente sottoposto a carico statico. Risultati. I valori di stress e deformazione dell impianto esaminato sono paragonabili a quelli ottenuti analizzando altri impianti a spirale. Conclusioni. Tali impianti possono essere utilizzati efficacemente nell osso mandibolare. Tuttavia, studi clinici sono essenziali per verificare i risultati riportati. Parole chiave: * Analisi degli elementi finiti * Biomeccanica * Distribuzione dello stress * Impianti a spirale * Osso mandibolare Abstract Objectives. To study a spiral family implant by finite element analysis (FEA) inserted in mandible, connected with straight abutment and loaded with vertical and lateral forces. Materials and methods. The biomechanical behaviour of 5 mm 13 mm Ultimate dental implant (AoN Implants, Grisignano di Zocco, Vicenza, Italy), connecting screw, straight abutment subjected to static loads, in contact with mandibular bone was evaluated by FEA. Results. Stress and strain values of fixture are comparable to those obtained by analyzing different spiral implants. Conclusions. These implants can be used in mandibular bone. However, clinical studies are needed to verify the reported results. Key words: * Finite element analysis * Biomechanics * Stress distribution * Spiral implant * Mandibular bone Introduzione Il comportamento biomeccanico di un impianto dentale osteointegrato svolge un ruolo importante nella sua longevita funzionale all interno dell osso. Per tale ragione, l analisi degli elementi finiti (Finite Element Analysis, FEA) e stata ampiamente utilizzata per prevedere le prestazioni biomeccaniche di vari impianti dentali. Analisi FEA sono state eseguite per varie forme di impianto dentale al fine di studiarne gli effetti sulla distribuzione delle tensioni generate nell osso circostante e di ottimizzare la distribuzione degli stress [1,2]. E stato ampiamente confermato che il riassorbimento osseo crestale e imputabile a meccanismi di infezione batterica. Tuttavia, il sovraccarico da trauma puo costituire un fattore aggravante il riassorbimento osseo [3]. In considerazione di cio, un impianto dentale deve essere progettato in modo da /5 - see front matter Ó 2012 Elsevier Srl. Tutti i dirtti riservati. 598 DENTAL CADMOS 10/2012

2 Analisi agli elementi finiti per la definizione della distribuzione degli stress meccanici negli impianti minimizzare il picco di sollecitazioni ossee. Il carico di un impianto puo essere suddiviso nelle sue componenti verticali e orizzontali. Uno studio precedente [4] ha dimostrato che le sollecitazioni ossee derivanti dai componenti di carico verticale e quelle derivanti dai componenti di carico orizzontale originano nella parte superiore dell osso marginale e coincidono spazialmente. I due stress massimi producono un rischio di riassorbimento osseo crestale [4]. In aggiunta, la scelta del corretto allineamento tra forze e impianto e essenziale per il successo a lungo termine dell impianto stesso. Un carico eccessivo viene generato intorno agli impianti inclinati, provocando microfessure ossee che si traducono in perdita di osteointegrazione dell impianto ed eventuale fallimento [5]. Recentemente e stato prodotto un nuovo tipo di impianto con forma a spirale. Scopo del presente lavoro e riportare lo studio tridimensionale FEA effettuato [(Fig._1)TD$FIG]Fig. 1 per analizzarne la distribuzione delle sollecitazioni. Materiali e metodi In questo studio e stato valutato il comportamento biomeccanico di un sistema implantare (Ultimate, AoN, Grisignano di Zocco, Vicenza) (fig. 1) sottoposto a carico statico in contatto con il tessuto osseo mandibolare (figg. 2 e 3). L impianto aveva diametro di 5 mm e lunghezza di 13 mm; gli abutment erano diritti. Per determinare la distribuzione di tensione nei tessuti circostanti l impianto e stata utilizzata la FEA. Al fine di valutare il comportamento biomeccanico e importante specificare il sistema di impianto (per esempio, impianto piu abutment), il tipo di osso (corticale o spugnoso) e l entita dei carichi assiali e trasversali applicati. Sono state calcolate le direttrici del carico assiale e trasversale a cui e sottoposto il Fig. 1 Impianto C (conico) tessuto osseo. E stato considerato un sistema a tre assi: FY, forza agente lungo l asse Y e avente intensita di 200 N, piu lacoppiadiforzefx e FZ applicate lungo gli assi X e Z eaventi entrambe intensita di 200 N. Al fine di pianificare la FEA e di raggiungere i relativi risultati e stato necessario creare modelli matematici che descrivono curve, superfici e solidi. Una volta che il programma di Computer Aided Design ha disegnato i sistemi oggetto di studio, la FEA ha discretizzato i solidi che compongono il sistema in un gran numero di solidi elementari infinitesimali, definiti elementi finiti. Cio ha portato alla formazione di una rete, in cui i singoli elementi tridimensionali tetraedrici a 10 nodi sono collegati tra loro. Per l unita osso-impianto sono stati impiegati nodi e circa elementi tetraedrici a base triangolare. Una volta definiti i solidi, le griglie e i carichi previsti (direzione e intensita), e stato necessario definire le proprieta chimicofisiche dei materiali. Per le analisi biomeccaniche di materiali sottoposti a forze di bassa intensita i materiali possono essere considerati omogenei, lineari e isotropi. In questo caso l osso corticale e l osso spugnoso sono stati definiti omogenei, lineari e ortotropici. La simulazione FEA e stata eseguita ipotizzando linearita tra i carichi e le deformazioni. L impianto dentale virtuale all interno del tessuto osseo e stato vincolato agli altri elementi come la vite di collegamento con l abutment. Il software utilizzato e lo stesso di studi precedenti [1,2]. In tabella I sono riportati tutti i valori caratteristici del modulo di Young (E), del modulo di elasticita tangenziale (G) ei valori di Poisson (). DENTAL CADMOS 2012;80(10):

3 M. Danza et al. [(Fig._2)TD$FIG]Fig. 2 Fig. 2 Ricostruzione tridimensionale della mandibola con simulazione di inserimento dell impianto Fig. 3 Carico di 200 N applicato verticalmente (asse Y) e carico di 141,42 N applicato lateralmente Tali dati vengono ricavati dalla curva stress-strain del tessuto osseo e sono ottenuti in funzione delle caratteristiche chimico-fisiche dell osso riportate in tabella I. Lo stress compreso tra 20 e 120 MPa e accettato per l osso perche non determina riassorbimento. Poiche i dati di deformazione ottenuti sono compresi nell ambito dei valori accettati, i risultati sono validi per l applicazione clinica. Discussione [(Fig._3)TD$FIG]Fig. 3 Risultati I risultati ottenuti con la simulazione FEA dimostrano la relazione tra i carichi applicati al sistema, le caratteristiche geometriche dei materiali, i vincoli e le deformazioni. Una delle teorie piu utilizzate per determinare lo stress nella matrice ossea e quella di von Mises [6]. Questateoriae stata applicata alla presente sperimentazione per determinare la distribuzione delle sollecitazioni all interfaccia osso-impianto. La scala di colori dal beige al rosso indica le sollecitazioni (figg. 4 e 5): il beige corrisponde a zero, il rosso al carico massimo. L impianto in esame ha un valore di stress di von Mises = 1,00 E e un totale di microstrain di von Mises = E-3. Gli impianti dentali sono utilizzati in tutto il mondo per sostituire i denti mancanti. Questa modalita di riabilitazione orale e impiegata anche nel caso di trattamento ortodontico che abbia dato luogo a gap [7 11]. La stabilita primaria dell impianto e la densita ossea sono ritenute variabili essenziali per il raggiungimento di un - osteointegrazione prevedibile e una sopravvivenza implantare a lungo termine [12,13]. Zarb et al. [14] hanno affermato che la struttura ossea e il principale fattore da selezionare per il successo clinico in implantologia. Ai fini implantologici non si deve considerare solo l architettura esterna dell osso, ma anche la sua struttura interna, che deve essere descritta in termini di qualita odensita in modo da riflettere la resistenza dell osso [15]. Per ottenere l osteointegrazione degli impianti occorrono sia una sufficiente quantita di osso sia un adeguata densita [16]. La densita ossea iniziale, oltre a fornire una stabilita primaria dell impianto durante la guarigione, successivamente permette la distribuzione e la trasmissione 600 DENTAL CADMOS 10/2012

4 Analisi agli elementi finiti per la definizione della distribuzione degli stress meccanici negli impianti Tabella I Proprieta meccaniche dei materiali utilizzati nella stimolazione biomeccanica Materiale Modulo di Young (E ) Modulo di elasticita tangenziale (G ) Valore di Poisson () Osso corticale E XX = 9,6 E9Pa E YY = 9,6 E9Pa E ZZ = 1,78 E10Pa G XY = 3,097 E9Pa G XZ = 3,51 E9Pa G YZ = 3,51 E9Pa XY = 0,55 XZ = 0,30 YZ = 0,30 Oddo spugnoso E XX = 1,44 E8Pa E YY = 0,99 E8Pa E ZZ = 3,44 E8Pa G XY = 0,53 E8Pa G XZ = 0,45 E8Pa G YZ = 0,63 E8Pa XY = 0,23 XY = 0,13 XY = 0,11 Titanio 1,1 E11Pa 0,35 Tessuti molli 5 E6Pa 0,45 Dentina 1,86 E10Pa 0,31 Cemento 4,1 E10Pa 0,3 Polpa 0,98 Pa 0,45 [(Fig._4)TD$FIG]Fig. 4 [(Fig._5)TD$FIG]Fig. 5 delle sollecitazioni dalla protesi all interfaccia osso-impianto [17]. La distribuzione delle sollecitazioni meccaniche si verifica soprattutto ove l osso e in contatto con l impianto [15]. Williams et al. [18] hanno dimostrato che quando la massima concentrazione di sollecitazione avviene nell osso corticale, essa si localizza nell area di contatto con l impianto; quando, invece, la massima concentrazione di stress avviene nell osso spugnoso, essa interessa la zona apicale dell impianto. Nell osso corticale, la dissipazione del carico e limitata alla zona immediatamente circostante l impianto, mentre nell osso trabecolare la distribuzione dello stress avviene in un area molto piu ampia[19]. Misch [15] ha rilevato che la percentuale di contatto osseo e significativamente maggiore nell osso corticale rispetto a quello trabecolare. L osso corticale, avendo un modulo di elasticita piu elevato dell osso trabecolare, e piu forte e piu resistente alla deformazione [15]; per questo motivo sopportera un carico maggiore, in confronto all osso trabecolare, nelle varie situazioni cliniche [20]. L osso e un materiale poroso con microstruttura complessa e anisotropo, ovvero manifesta proprieta fisiche diverse quando misurate in direzioni diverse [21]. Canay et al. [22] hanno condotto uno studio comparando impianti caricati verticalmente e angolati, riscontrando che l inclinazione degli impianti influenza notevolmente la concentrazione di tensione attorno a essi. Fig. 4 Visione dall alto dell impianto sottoposto a sollecitazioni Fig. 5 Visione laterale dell impianto sottoposto a sollecitazioni DENTAL CADMOS 2012;80(10):

5 M. Danza et al. La caratteristica innovativa degli impianti descritti in tale studio, rispetto agli impianti a spirale analizzati in altri lavori [1,2], e costituita dal fatto che la piattaforma protesica ha un diametro costante, lo spazio orizzontale libero sulla porzione coronale dell impianto e modulare e lascia, proporzionalmente al diametro dell impianto, piu spazio per il platform switching. Conclusioni Nel presente studio e stata eseguita l analisi tridimensionale FEA per valutare la distribuzione delle sollecitazioni, all interno di un tipo osseo, conseguenti alle forze applicate al sistema impianto (ossia impianto a spirale piu abutment diritto). Il modello osseo virtuale indagato e quello mandibolare. E stato possibile dimostrare che gli impianti esaminati possono essere utilizzati efficacemente nell osso mandibolare. Tuttavia, sono essenziali studi clinici per verificare i risultati ottenuti dal modello virtuale. Conflitto di interessi Il dottor Luigi Paracchini e il dottor Francesco Carinci dichiarano di non avere alcun conflitto di interessi. Il dottor Matteo Danza dichiara di avere un interesse di proprieta (brevetto). Finanziamento allo studio Gli autori dichiarano di non aver ricevuto finanziamenti istituzionali per il presente studio. Bibliografia 1. Danza M, Palmieri A, Farinella F, Brunelli G, Carinci F, Girardi A, et al. Three dimensional finite element analysis to detect stress distribution in spiral implants and surrounding bone. Dent Res J (Isfahan) 2009;6(2): Danza M, Quaranta A, Carinci F, Paracchini L, Pompa G, Vozza I. Biomechanical evaluation of dental implants in D1 and D4 bone by finite element analysis. Minerva Stomatol 2010;59(6): Lazzara RJ, Porter SS. Platform switching: a new concept in implant dentistry for controlling postrestorative crestal bone levels. Int J Periodontics Restorative Dent 2006;26(1): Hansson S. A conical implant-abutment interface at the level of the marginal bone improves the distribution of stresses in the supporting bone. An axisymmetric finite element analysis. Clin Oral Implants Res 2003;14(3): Watanabe F, Hata Y, Komatsu S, Ramos TC, Fukuda H. Finite element analysis of the influence of implant inclination, loading position, and load direction on stress distribution. Odontology 2003;91(1): von Mises R. Mechanik der festen K orper im plastisch deformablen Zustand. G ottin Nachr Math Phys 1913;1: Lucchese A, Storti E. Morphological characteristics of primary enamel surfaces versus permanent enamel surfaces: SEM digital analysis. Eur J Paediatr Dent 2011;12(3): Lucchese A, Sfondrini MF, Manuelli M, Gangale S. Fixed space maintainer for use with a rapid palatal expander. J Clin Orthod 2005;39(9): Lucchese A, Manuelli M. Prognosis of third molar eruption: a comparison of three predictive methods. Prog Orthod 2003;4(2): Lucchese A, Porcu F, Dolci F. Effects of various stripping techniques on surface enamel. J Clin Orthod 2001;35(11): Lucchese A, Mongiorgi R, Prati C, Dolci F. Treatment of dentin sensitivity with stannous fluoride gel. Electron microscopic study and evaluation of dentin permeability. Minerva Stomatol 1997; 46(12): Sevimay M, Turhan F, Kiliçarslan MA, Eskitascioglu G. Three-dimensional finite element analysis of the effect of different bone quality on stress distribution in an implant-supported crown. J Prosthet Dent 2005;93(3): Danza M, Riccardo G, Carinci F. Bone platform switching: a retrospective study on the slope of reverse conical neck. Quintessence Int 2010; 41(1): Zarb GA, Schmitt A. Implant prosthodontic treatment options for the edentulous patient. J Oral Rehabil 1995;22(8): Misch CE. Density of bone: effect on treatment plans, surgical approach, healing, and progressive boen loading. Int J Oral Implantol 1990;6(2): Misch CE. Contemporary Implant Dentistry. St Louis, MO: Mosby; Schroeder A. Oral Implantology: Basics. ITI hollow cylinder system. New York, NY: Thieme Medical Publishers; Williams KR, Watson CJ, Murphy WM, Scott J, Gregory M, Sinobad D. Finite element analysis of fixed prostheses attached to osseointegrated implants. Quintessence Int 1990;21 (79): Clift SE, Fisher J, Watson CJ. Finite element stress and strain analysis of the bone surrounding a dental implant: effect of variations in bone modulus. Proc Inst Mech Eng H 1992;206 (4): Cochran DL. The scientific basis for and clinical experiences with Straumann implants including the ITI dental implant system: a consensus report. Clin Oral Implants Res 2000;11(Suppl. 1): Geng JP, Tan KB, Liu GR. Application of finite element analysis in implant dentistry: a review of the literature. J Prosthet Dent 2001;85(6): Canay S, Hersek N, Akpinar I, Asik Z. Comparison of stress distribution around vertical and angled implants with finite-element analysis. Quintessence Int 1996;27(9): DENTAL CADMOS 10/2012