DOI: https://doi.org/10.1186/s12903-025-05486-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39827102
تاريخ النشر: 2025-01-18
المؤلف: Dilara Sahin Hazir وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات ونتائج زراعة الأسنان
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة السلوك البيوميكانيكي لأربعة مواد إطار—الكوبالت-الكروم (Co-Cr)، والزركونيا (Zr)، والتيتانيوم (Ti)، والبولي إيثر إيثر كيتون (PEEK)—تحت ظروف تحميل ديناميكية ذات صلة بالأطراف الصناعية المدعومة بالزرعات. باستخدام نموذج ثلاثي الأبعاد للفك العلوي الخالي من الأسنان مستمد من تصوير الأشعة المقطعية، وضع الباحثون زرعات بمستوى العظم في كل من المناطق الأمامية والخلفية، مطبقين قوى في ثلاثة اتجاهات لمحاكاة المضغ. تم إجراء تحليل إجهاد العناصر المحدودة الديناميكي لقياس الإجهادات الرئيسية وإجهاد فون ميسيس عبر المواد المختلفة.
كشفت النتائج أن إطار PEEK أظهر أعلى إجهاد أقصى من فون ميسيس (372.55 ميغاباسكال) على الدعامة وأعلى إجهاد رئيسي أقصى (59.27 ميغاباسكال) في العظم القشري. على العكس، أظهر إطار Co-Cr أدنى إجهاد رئيسي أدنى (3.98 ميغاباسكال) في العظم الإسفنجي. أشارت قياسات الإزاحة إلى أن PEEK كان لديه أكبر إزاحة (0.35 مم)، بينما أظهرت المواد Co-Cr وZr وTi إزاحات قدرها 0.15 مم و0.15 مم و0.17 مم، على التوالي. تستنتج الدراسة أن الإطارات ذات معامل يونغ الأعلى أقل عرضة للتشوه، بينما تلك ذات معامل يونغ الأدنى تمارس إجهادًا أكبر على العظم المحيط.
الطرق
في هذه الدراسة، تم إجراء تحليل إجهاد ديناميكي على أربعة زرعات داخل فك علوي خالي من الأسنان باستخدام نموذج افتراضي تم إنشاؤه من بيانات التصوير المقطعي التي تم الحصول عليها من جامعة حجة تبة. حصلت الدراسة على موافقة أخلاقية (رقم المشروع GO21/678) واستخدمت برنامج 3DSlicer لإعادة بناء بيانات التصوير المقطعي إلى نموذج ثلاثي الأبعاد، والذي تم تحويله لاحقًا إلى نموذج تحليل العناصر المحدودة (FEA). تم إجراء التحليل على محطات عمل HP مزودة بمعالجات INTEL Xeon، باستخدام برنامج ALTAIR للهندسة العكسية، والشبك، وحل نماذج العناصر المحدودة. كانت الزرعات المستخدمة هي زرعات NobelParallel Conical Connection TiUltra، مع معلمات محددة للدراسة.
تم إجراء اختبار تقارب الشبكة لضمان موثوقية نموذج العناصر المحدودة، مع السعي لتحقيق خطأ نسبي أقل من 3%. تم تحليل أحجام الشبكة المختلفة تحت ظروف تحميل ثابتة، مع التركيز على إجهادات فون ميسيس للزرعات والإجهادات الرئيسية في العظم المحيط. استخدمت الدراسة شبكات مثلثية ثنائية الأبعاد وشبكات ثلاثية الأبعاد هرمية لالتقاط الهندسة المعقدة للنماذج العضوية بدقة. تم تعريض النماذج لقوى عضّ ديناميكية تحاكي المضغ، مع تطوير ما مجموعه 12 نموذجًا تحليليًا عبر أربعة مواد (Co-Cr وZr وTi وPEEK) وثلاثة اتجاهات تحميل. تم تطبيق شروط الحدود لمنع الحركة في جميع المحاور، وتم استخدام تعريف اتصال من نوع FREEZE لضمان سلوك الجسم الصلب بين المكونات أثناء التحليل. تم تحليل النتائج باستخدام برنامج ALTAIR Hyperworks، مما يوفر رؤى حول السلوك البيوميكانيكي لأنظمة الزرع.
النتائج
تشير النتائج إلى أنه بينما كانت أعلى قيم الإجهاد الرئيسي متشابهة عبر جميع الإطارات المختبرة، كانت أدنى قيم الإجهاد الرئيسي أعلى بشكل ملحوظ لـ PEEK تحت القوة الرأسية. على وجه التحديد، بلغت قيم الإجهاد الرئيسي ذروتها لكل من التيتانيوم (Ti) وPEEK تحت القوة المائلة. كشف تحليل إجهاد فون ميسيس أن الدعائم المائلة في إطار PEEK وصلت إلى مستوى إجهاد أقصى قدره 247 ميغاباسكال تحت القوة الرأسية، بينما أظهرت الزرعات المستقيمة قيم إجهاد أقل بكثير، تتراوح بين 29.5 ميغاباسكال و30.1 ميغاباسكال. تحت القوة المائلة، أظهرت الدعائم المائلة في إطار PEEK مرة أخرى أعلى إجهاد، حيث بلغت ذروتها عند 361 ميغاباسكال، بينما حافظت الزرعات المستقيمة على مستويات إجهاد دنيا تتراوح بين 24.8 ميغاباسكال و27.7 ميغاباسكال عبر جميع الإطارات.
أظهر تحليل إضافي أنه تحت القوة الرأسية، أظهرت كل من الزرعات المتوازية والمائلة قيم إجهاد فون ميسيس متساوية عبر جميع المواد، مع إظهار الدعائم المستقيمة مستويات إجهاد متسقة. ومع ذلك، أظهرت الدعائم المائلة في إطار PEEK قيم إجهاد أعلى. تحت كل من الضغوط الرأسية والمائلة، كانت قيم إجهاد فون ميسيس الأعلى للكوبالت-الكروم (Co-Cr) والأدنى لـ PEEK. كانت الإزاحات المسجلة لإطارات Co-Cr والزركونيا (Zr) وTi وPEEK هي 0.15 مم و0.17 مم و0.35 مم، على التوالي، مما يشير إلى درجات متفاوتة من التشوه تحت القوى المطبقة.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تقييم الأداء البيوميكانيكي لمواد الإطار المختلفة، بما في ذلك PEEK، باستخدام تحليل العناصر المحدودة الديناميكي (FEA) لمحاكاة ظروف التحميل المضغوط بشكل أفضل. تم رفض الفرضية الصفرية، التي تفترض عدم وجود اختلافات كبيرة في توزيع الإجهاد عبر الإطارات. من الجدير بالذكر أن PEEK أظهر أعلى قيم إجهاد رئيسي في العظم القشري والإسفنجي تحت الأحمال المائلة، بينما أظهر أقل إجهاد فون ميسيس على الإطار نفسه مقارنة بـ Co-Cr، الذي كان لديه أعلى قيم إجهاد. تشير النتائج إلى أن الإطارات ذات معامل يونغ الأعلى تؤدي إلى زيادة تركيزات الإجهاد، مما قد يقلل من خطر التحميل الميكانيكي الزائد بسبب مقاومتها للتشوه.
كما أبرزت الدراسة أنه بينما أظهر PEEK خصائص بيوميكانيكية واعدة، إلا أنه أدى إلى أكبر إزاحة (0.35 مم) بين المواد المختبرة، مما قد يهدد الاستقرار على المدى الطويل وكفاءة المضغ. تحت ظروف التحميل الديناميكية، تجاوزت جميع الإطارات حدود الإجهاد الحرجة للعظم الإسفنجي، مع تجاوز PEEK للحد تحت الضغوط الرأسية. تشير هذه النتائج إلى أنه بينما قد تخفف المواد الأكثر صلابة الإجهاد على الزرعات والدعائم، فإن زيادة إزاحة الإطارات البوليمرية مثل PEEK تطرح تحديات تستدعي مزيدًا من البحث من خلال دراسات حية ومخبرية للتحقق من هذه النتائج في السياقات السريرية.
DOI: https://doi.org/10.1186/s12903-025-05486-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39827102
Publication Date: 2025-01-18
Author(s): Dilara Sahin Hazir et al.
Primary Topic: Dental Implant Techniques and Outcomes
Overview
This study investigates the biomechanical behavior of four framework materials—cobalt-chromium (Co-Cr), zirconia (Zr), titanium (Ti), and polyether ether ketone (PEEK)—under dynamic loading conditions relevant to implant-supported prostheses. Utilizing a 3D edentulous maxillary model derived from CT imaging, the researchers placed bone-level implants in both anterior and posterior regions, applying forces in three orientations to simulate chewing. Dynamic finite element stress analysis was conducted to measure principal and von Mises stresses across the different materials.
The findings revealed that the PEEK framework exhibited the highest maximum von Mises stress (372.55 MPa) on the abutment and the highest maximum principal stress (59.27 MPa) in the cortical bone. Conversely, the Co-Cr framework demonstrated the lowest minimum principal stress (3.98 MPa) in the trabecular bone. Displacement measurements indicated that PEEK had the largest displacement (0.35 mm), while Co-Cr, Zr, and Ti showed displacements of 0.15 mm, 0.15 mm, and 0.17 mm, respectively. The study concludes that frameworks with a higher Young’s modulus are less prone to deformation, while those with a lower Young’s modulus exert greater stress on the surrounding bone.
Methods
In this study, dynamic stress analysis was performed on four implants within an edentulous maxilla using a virtual model generated from tomography data obtained from Hacettepe University. The study received ethical approval (project number GO21/678) and utilized 3DSlicer software for reconstructing the tomography data into a three-dimensional model, which was subsequently transformed into a finite element analysis (FEA) model. The analysis was conducted on HP workstations equipped with INTEL Xeon processors, employing ALTAIR software for reverse engineering, meshing, and solving the finite element models. The implants used were NobelParallel Conical Connection TiUltra implants, with specific parameters defined for the study.
A mesh convergence test was conducted to ensure the reliability of the finite element model, aiming for a relative error below 3%. Various mesh sizes were analyzed under consistent loading conditions, focusing on Von Mises stresses of the implants and principal stresses in the surrounding bone. The study employed triangular 2D and tetrahedral 3D meshes to accurately capture the complex geometries of the organic models. The models were subjected to dynamic bite forces simulating chewing, with a total of 12 analytical models developed across four materials (Co-Cr, Zr, Ti, and PEEK) and three loading directions. Boundary conditions were applied to prevent movement in all axes, and a FREEZE type contact definition was utilized to ensure rigid body behavior among the components during analysis. The results were analyzed using ALTAIR Hyperworks software, providing insights into the biomechanical behavior of the implant systems.
Results
The results indicate that while the highest principal stress values were similar across all tested frames, the lowest principal stress values were notably higher for PEEK under vertical force. Specifically, the principal stress values peaked for both titanium (Ti) and PEEK under oblique force. The von Mises stress analysis revealed that tilted abutments in the PEEK framework reached a maximum stress level of 247 MPa under vertical force, whereas straight implants exhibited significantly lower stress values, ranging from 29.5 MPa to 30.1 MPa. Under oblique force, tilted abutments in the PEEK framework again demonstrated the highest stress, peaking at 361 MPa, while straight implants maintained minimal stress levels between 24.8 MPa and 27.7 MPa across all frameworks.
Further analysis showed that under vertical force, both parallel and slanted implants exhibited equal von Mises stress values across all materials, with straight abutments showing consistent stress levels. However, angled abutments in the PEEK framework displayed higher stress values. Under both vertical and oblique pressures, the von Mises stress values were highest for cobalt-chromium (Co-Cr) and lowest for PEEK. The displacements recorded for the Co-Cr, zirconia (Zr), Ti, and PEEK frameworks were 0.15 mm, 0.17 mm, and 0.35 mm, respectively, indicating varying degrees of deformation under the applied forces.
Discussion
In this study, the biomechanical performance of various framework materials, including PEEK, was evaluated using dynamic finite element analysis (FEA) to better simulate masticatory loading conditions. The null hypothesis, which posited no significant variation in stress distribution across the frameworks, was rejected. Notably, PEEK exhibited the highest principal stress values in cortical and trabecular bone under oblique loads, while demonstrating the lowest von Mises stress on the framework itself compared to Co-Cr, which had the highest stress values. The findings indicate that frameworks with higher Young’s modulus lead to increased stress concentrations, potentially reducing the risk of mechanical overload due to their resistance to deformation.
The study also highlighted that while PEEK showed promising biomechanical properties, it resulted in the greatest displacement (0.35 mm) among the materials tested, which could compromise long-term stability and chewing efficiency. Under dynamic loading conditions, all frameworks exceeded the critical stress limits for trabecular bone, with PEEK surpassing the limit under vertical stresses. These results suggest that while stiffer materials may mitigate stress on implants and abutments, the increased displacement of polymeric frameworks like PEEK poses challenges that warrant further investigation through in vivo and in vitro studies to validate these findings in clinical contexts.