DOI: https://doi.org/10.1186/s12903-025-06426-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40640731
تاريخ النشر: 2025-07-10
المؤلف: Mohammed A. El‐Sawy وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات ونتائج زراعة الأسنان
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة تأثير تركيبات مختلفة من مواد الإطار تحت السمحاق والإطار العلوي – تحديدًا التيتانيوم، والبوليمر المعدل (PEEK)، والبوليمر الكيتوني (PEKK) – على توزيع الإجهاد في الفك العلوي الضامر، باستخدام تحليل العناصر المحدودة (FEA). تم تطوير نموذج ثلاثي الأبعاد لفك علوي ضامر من بيانات الأشعة المقطعية وتم تحليله باستخدام برامج CAD وANSYS. تم اختبار تسع تركيبات من المواد تحت ثلاثة بروتوكولات تحميل متميزة: القوى الرأسية، المائلة، والقوى الموجهة نحو القواطع. أشارت النتائج إلى أن هياكل التيتانيوم أظهرت أقل نقل للإجهاد إلى العظام الأساسية والبراغي الثابتة، بينما أظهرت PEEK المعدلة وPEKK مستويات إجهاد أعلى، خاصة تحت تحميل القواطع. ومن الجدير بالذكر أن الهياكل العلوية المصنوعة من التيتانيوم، على الرغم من أنها أظهرت إجهادات داخلية أعلى بسبب صلابتها، إلا أنها قدمت حماية أفضل للهياكل الداعمة.
تشير النتائج إلى أن جميع المكونات التي تم تحليلها ظلت ضمن الحدود الفسيولوجية أثناء التحميل. امتصت هياكل PEEK المعدلة وPEKK كميات الحمل المطبقة بشكل أكثر فعالية من التيتانيوم، على الرغم من توزيع الإجهاد الأقل مثالية. من حيث هياكل تحت السمحاق، وُجد أن التيتانيوم ينقل أقل إجهاد إلى الهياكل الأساسية، يليه PEKK وPEEK المعدلة، مما قد يشير إلى صلابتها النسبية. تستنتج الدراسة أن التيتانيوم هو المادة المفضلة لهياكل تحت السمحاق في الفك العلوي الضامر، بينما يمكن أن تكون PEEK المعدلة وPEKK خيارات بديلة للمرضى الذين لديهم متطلبات تحميل وظيفية أقل. تسلط التحليلات الضوء على مستويات الإجهاد الحرجة في طبقات الأسمنت والهياكل، خاصة تحت تحميل القواطع، مما يشير إلى مخاطر الفشل المحتملة على المدى القصير لمواد PEEK المعدلة وPEKK.
مقدمة
تناقش المقدمة التحديات المرتبطة بالفكوك الضامرة، حيث تعقد حجم العظام غير الكافي من وضع الزرعات العظمية. غالبًا ما تتضمن خيارات العلاج التقليدية، مثل رفع الجيوب وتجديد العظام الموجه، إجراءات جراحية غازية مع أوقات تعافي كبيرة، مما يدفع بعض المرضى للبحث عن بدائل. عادت الزرعات تحت السمحاق، التي توضع تحت اللثة وفوق العظام، لتظهر كخيار قابل للتطبيق بفضل التقدم في تقنيات التصوير والمواد والتصنيع. على الرغم من أنها كانت تاريخيًا مظللة من قبل الزرعات ذات الشكل الجذري، إلا أن الزرعات تحت السمحاق تكتسب اهتمامًا متجددًا، خاصة للمرضى الذين يعانون من امتصاص العظام الشديد أو الحالات الطبية التي تمنع الزرعات التقليدية.
يسلط النص الضوء على أهمية اختيار المواد الحيوية المناسبة للزرعات، مع التركيز على التيتانيوم وسبائكه لخصائصها الميكانيكية، مع الإشارة أيضًا إلى عيوبها المحتملة، مثل درع الإجهاد. تقدم البوليمرات عالية الأداء الناشئة مثل البوليمر المعدل (PEEK) وPEKK بدائل واعدة بسبب توافقها البيوميكانيكي مع العظام. تهدف الدراسة إلى التحقيق في السلوك الميكانيكي لمجموعات المواد المختلفة – التيتانيوم، PEEK المعدلة، وPEKK – باستخدام تحليل العناصر المحدودة (FEA) لتقييم توزيع الإجهاد في العظام تحت قوى المضغ. تفترض الفرضية الصفرية أن استجابة العظام ستكون متسقة عبر المواد المختلفة المستخدمة في الزرعات تحت السمحاق وهياكلها العلوية.
الطرق
يستعرض قسم “الطرق” في ورقة البحث المواد والإجراءات المستخدمة في الدراسة. يوضح المواد المحددة المستخدمة، بما في ذلك أي مواد كيميائية، أدوات، أو تقنيات كانت جزءًا لا يتجزأ من البحث. يتم وصف المنهجية بطريقة منهجية، مما يضمن إمكانية إعادة الإنتاج والوضوح فيما يتعلق بتصميم التجربة.
يتضمن القسم أيضًا معلومات عن إعداد التجربة، وتقنيات جمع البيانات، وأي تحليلات إحصائية تم إجراؤها لتفسير النتائج. يسمح هذا النهج الشامل بفهم دقيق لكيفية اشتقاق النتائج ويدعم صحة الاستنتاجات المستخلصة في الدراسة.
النتائج
تكشف نتائج الدراسة عن رؤى مهمة حول السلوك الميكانيكي لمواد مختلفة مستخدمة في هياكل تحت السمحاق تحت ظروف تحميل مختلفة. أشار تحليل 27 دراسة حالة إلى أنه بينما كانت اتجاهات التشوه متسقة عبر المكونات تحت بروتوكولات تحميل متطابقة، إلا أن حجم التشوه كان متغيرًا. ومن الجدير بالذكر أن هياكل التيتانيوم تحت السمحاق أظهرت أقل قيم للتشوه، بينما أظهرت مواد الإطار العلوي (PEKK وPEEK المعدلة) اتجاهات متزايدة في التشوه. أظهر تحليل الإجهاد، الذي يعتمد بشكل أساسي على قيم إجهاد فون ميسيس والإجهادات الرئيسية، أن التيتانيوم حافظ على مستويات إجهاد أقل على الإطار العلوي، تتراوح من 35 ميجا باسكال تحت التحميل العمودي إلى حوالي 60 ميجا باسكال تحت تحميل القواطع، وبالتالي تبقى تحت الحدود الفسيولوجية.
كما أبرزت الدراسة أن هياكل التيتانيوم أدت إلى أقل إجهادات في طبقات الأسمنت، مع قيم حوالي 20 ميجا باسكال تحت التحميل العمودي، مقارنةً بقمم أعلى تبلغ 35 ميجا باسكال لـ PEEK المعدلة. تحت التحميل العمودي، تعرضت هياكل التيتانيوم لإجهادات داخلية تصل إلى 110 ميجا باسكال، وهي أعلى بكثير من تلك الخاصة بـ PEKK وPEEK المعدلة. من المهم أن جميع المواد ظلت ضمن حدود الأمان، إلا أن مستويات الإجهاد لـ PEEK المعدلة وPEKK اقتربت من قوتها المحورية تحت تحميل القواطع، مما قد يحد من طول عمرها السريري. تشير النتائج إلى أن التيتانيوم تفوق باستمرار على المواد الأخرى من حيث الاستقرار الميكانيكي وتوزيع الإجهاد، مما يقلل من نقل الإجهاد إلى العظام والبراغي، ويشير إلى خطر أقل للفشل تحت ظروف التحميل المختبرة.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على النتائج المهمة من دراسة تحليل العناصر المحدودة (FEA) التي تفحص الأداء البيوميكانيكي لمواد الزرعات تحت السمحاق المختلفة تحت ظروف تحميل مختلفة. استخدمت الدراسة صور الأشعة المقطعية (CT) لإنشاء نماذج هندسية دقيقة للفك العلوي والهياكل المرتبطة، مما يضمن دقة تشريحية عالية. أشارت النتائج إلى رفض الفرضية الصفرية، مما يدل على أن استجابات الإجهاد كانت متغيرة بشكل كبير بين العظام، والإطار العلوي، وبراغي التيتانيوم. استخدم التحليل مجموعات مواد متعددة، بما في ذلك PEEK المعدلة وPEKK، وثلاث بروتوكولات تحميل ذات صلة سريرية، مما يكشف أن التيتانيوم قدم دعمًا هيكليًا أفضل وتوزيعًا للإجهاد مقارنةً بالمواد القائمة على البوليمر.
تشير النتائج إلى أنه بينما أظهرت هياكل التيتانيوم إجهادات داخلية أعلى، إلا أنها نقلت بشكل فعال إجهادًا أقل إلى الهياكل الأساسية، مما يقلل من خطر الفشل. في المقابل، أظهرت PEEK المعدلة وPEKK ميلًا للفشل على المدى القصير تحت ظروف إجهاد عالية، خاصة أثناء تحميل القواطع، بسبب صلابتها الأقل. تؤكد الدراسة على أهمية اختيار المواد المناسبة بناءً على السيناريوهات السريرية، مع التوصية باستخدام التيتانيوم لقوى المضغ العالية، بينما قد تكون البدائل البوليمرية مناسبة لحالات التحميل الأقل. تشمل اتجاهات البحث المستقبلية استكشاف الخصائص اللزجة المرنة للبوليمرات وتقييم الأداء على المدى الطويل لتعزيز التطبيق السريري لهذه النتائج.
القيود
تعترف هذه الدراسة بعدة قيود قد تؤثر على تفسير وملاءمة نتائجها. تم نمذجة المواد على أنها متساوية، متجانسة، ومرنة خطيًا، مما، على الرغم من تبسيط الحسابات، يفشل في التقاط السلوكيات غير المتساوية والمعتمدة على الزمن للعظام والمواد البوليمرية مثل PEEK وPEKK. علاوة على ذلك، تم إجراء التحليل تحت ظروف تحميل ثابتة، متجاهلاً عوامل حاسمة مثل التعب، والانزلاق، والانحلال على المدى الطويل التي تعتبر أساسية للبوليمرات المعرضة لقوى دورية في البيئة الديناميكية لتجويف الفم. على الرغم من مقارنة قيم الإجهاد مع عتبات المواد المعروفة لتقدير الأداء على المدى القصير، إلا أن هذه المنهجية لا تعوض عن الاختبارات الديناميكية أو اختبارات التعب.
بالإضافة إلى ذلك، كان النموذج قائمًا على تشريح مريض واحد، مما يحد من تعميم النتائج على مجموعات سكانية متنوعة ذات ميزات تشريحية وكثافات عظمية مختلفة. إن غياب التحقق التجريبي، على الرغم من توافقه مع الأدبيات الحالية، يجعل النتائج نظرية إلى حد كبير. كما لم تتناول الدراسة تحديات الترجمة السريرية، بما في ذلك قيود تصنيع هياكل البوليمر، والموثوقية على المدى الطويل لربط الأسمنت بالبوليمر، وتأثيرات المتغيرات الخاصة بالمرضى مثل تباين قوة العض والأنماط غير الوظيفية، والتي يمكن أن تؤثر بشكل كبير على النتائج على المدى الطويل.
DOI: https://doi.org/10.1186/s12903-025-06426-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40640731
Publication Date: 2025-07-10
Author(s): Mohammed A. El‐Sawy et al.
Primary Topic: Dental Implant Techniques and Outcomes
Overview
This study investigates the impact of various combinations of subperiosteal and superstructure framework materials—specifically titanium, modified polyetheretherketone (PEEK), and polyetherketoneketone (PEKK)—on stress distribution in atrophic maxillae, utilizing finite element analysis (FEA). A three-dimensional model of an atrophic maxilla was developed from CT data and analyzed using CAD and ANSYS software. Nine material combinations were tested under three distinct loading protocols: vertical, oblique, and incisor-directed forces. The results indicated that titanium frameworks exhibited the lowest stress transfer to the underlying bone and fixation screws, while modified PEEK and PEKK demonstrated higher stress levels, particularly under incisor loading. Notably, titanium superstructures, while exhibiting higher internal stresses due to their rigidity, provided better protection for supporting structures.
The findings suggest that all components analyzed remained within physiological limits during loading. Modified PEEK and PEKK as superstructure frameworks absorbed applied loads more effectively than titanium, albeit with less optimal stress distribution. In terms of subperiosteal frameworks, titanium was found to transfer the least stress to underlying structures, followed by PEKK and modified PEEK, which may indicate their relative rigidity. The study concludes that titanium is the preferred material for subperiosteal frameworks in atrophic maxillae, while modified PEEK and PEKK could serve as alternative options for patients with lower functional loading demands. The analysis highlights critical stress levels in cement layers and frameworks, particularly under incisor loading, suggesting potential short-term failure risks for modified PEEK and PEKK materials.
Introduction
The introduction discusses the challenges associated with atrophied jaws, where insufficient bone volume complicates the placement of endosseous implants. Traditional treatment options, such as sinus lifts and guided bone regeneration, often involve invasive procedures with significant recovery times, leading some patients to seek alternatives. Subperiosteal implants, which are placed beneath the gingiva and above the bone, have resurfaced as a viable option due to advancements in imaging, materials, and fabrication technologies. Although historically overshadowed by root-form implants, subperiosteal implants are gaining renewed interest, particularly for patients with severe bone resorption or medical conditions that preclude conventional implants.
The text highlights the importance of selecting appropriate biomaterials for implants, emphasizing titanium and its alloys for their mechanical properties, while also noting their potential drawbacks, such as stress shielding. Emerging high-performance polymers like polyetheretherketone (PEEK) and polyetherketoneketone (PEKK) offer promising alternatives due to their biomechanical compatibility with bone. The study aims to investigate the mechanical behavior of different material combinations—titanium, modified PEEK, and PEKK—using finite element analysis (FEA) to assess stress distribution in bone under masticatory forces. The null hypothesis posits that the bone’s response will be consistent across different materials used for subperiosteal implants and their superstructures.
Methods
The “Methods” section of the research paper outlines the materials and procedures employed in the study. It details the specific materials used, including any reagents, instruments, or technologies that were integral to the research. The methodology is described in a systematic manner, ensuring reproducibility and clarity regarding the experimental design.
The section also includes information on the experimental setup, data collection techniques, and any statistical analyses performed to interpret the results. This comprehensive approach allows for a thorough understanding of how the findings were derived and supports the validity of the conclusions drawn in the study.
Results
The results of the study reveal significant insights into the mechanical behavior of various materials used in subperiosteal frameworks under different loading conditions. The analysis of 27 case studies indicated that while deformation trends were consistent across components under identical loading protocols, the magnitude of deformation varied. Notably, titanium subperiosteal frameworks exhibited the lowest deformation values, while the superstructure framework materials (PEKK and modified PEEK) showed increasing deformation trends. Stress analysis, primarily based on von Mises stress values and principal stresses, demonstrated that titanium maintained lower stress levels on the superstructure, ranging from 35 MPa under vertical loading to approximately 60 MPa under incisor loading, thus remaining below physiological limits.
The study also highlighted that titanium frameworks resulted in the lowest cement layer stresses, with values around 20 MPa under vertical loading, compared to higher peaks of 35 MPa for modified PEEK. Under vertical loading, titanium frameworks experienced internal stresses up to 110 MPa, significantly higher than those for PEKK and modified PEEK. Importantly, while all materials remained within safety limits, the stress levels for modified PEEK and PEKK approached their yield strengths under incisor loading, potentially limiting their clinical longevity. The findings suggest that titanium consistently outperformed other materials in terms of mechanical stability and stress distribution, minimizing stress transfer to the bone and screws, and indicating a lower risk of failure under the tested loading conditions.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the significant findings from a finite element analysis (FEA) study examining the biomechanical performance of various subperiosteal implant materials under different loading conditions. The study utilized computed tomography (CT) images to create precise geometric models of the maxilla and associated frameworks, ensuring high anatomical accuracy. The results indicated a rejection of the null hypothesis, demonstrating that stress responses varied significantly among the bone, superstructure, and titanium screws. The analysis employed multiple material combinations, including modified PEEK and PEKK, and three clinically relevant loading protocols, revealing that titanium provided superior structural support and stress distribution compared to polymer-based materials.
The findings suggest that while titanium frameworks exhibited higher internal stresses, they effectively transferred less stress to underlying structures, thereby minimizing the risk of failure. In contrast, modified PEEK and PEKK showed a tendency for short-term failure under high-stress conditions, particularly during incisor loading, due to their lower rigidity. The study emphasizes the importance of selecting appropriate materials based on clinical scenarios, with titanium being recommended for high masticatory forces, while polymer alternatives may be suitable for lower-load situations. Future research directions include exploring the viscoelastic properties of polymers and assessing long-term performance to enhance the clinical applicability of these findings.
Limitations
This study acknowledges several limitations that may affect the interpretation and applicability of its findings. The materials were modeled as isotropic, homogeneous, and linearly elastic, which, while simplifying computations, fails to capture the anisotropic and time-dependent behaviors of bone and polymeric materials like PEEK and PEKK. Furthermore, the analysis was conducted under static loading conditions, neglecting critical factors such as fatigue, creep, and long-term degradation that are essential for polymers subjected to cyclic forces in the dynamic environment of the oral cavity. Although stress values were compared to established material thresholds for short-term performance estimation, this methodology does not substitute for dynamic or fatigue testing.
Additionally, the model was based on the anatomy of a single patient, limiting the generalizability of the results to diverse populations with varying anatomical features and bone densities. The absence of experimental validation, despite alignment with existing literature, renders the findings largely theoretical. The study also did not address clinical translation challenges, including the fabrication constraints of polymer frameworks, the long-term reliability of cement-polymer bonding, and the effects of patient-specific variables such as bite force variability and parafunctional habits, all of which could significantly influence long-term outcomes.