DOI: https://doi.org/10.1186/s12903-024-04142-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38622680
تاريخ النشر: 2024-04-15
المؤلف: Ahmad Aboelfadl وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات ونتائج زراعة الأسنان
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة السلوك البيوميكانيكي لامتدادات الزرع المثبتة في الفك العلوي الخلفي، باستخدام تحليل العناصر المحدودة (FEA) لتقييم مواد التعويض المختلفة. تم إنشاء نماذج ثلاثية الأبعاد بناءً على صور الأشعة المقطعية باستخدام شعاع المخروط (CBCT)، مع وجود ثلاثة تكوينات للزرع (ثابت-ثابت، كابولي أمامي، وكابولي خلفي) وموادين: زركونيا أحادية (Zr) وبولي إيثير كيتون كيتون (PEKK). تم تعريض النماذج لأحمال محورية قدرها 300 نيوتن، وتم حساب قيم إجهاد فون ميسيس للتعويضات، الزرعات، والعظام المحيطة.
أشارت النتائج إلى أن نموذج الكابولي الخلفي مع PEKK أظهر أعلى إجهادات فون ميسيس في كل من الزرع (111.6 ميغاباسكال) والعظام (100.0 ميغاباسكال)، بينما أظهر النموذج الثابت-الثابت مع الزركونيا أقل الإجهادات (48.9 ميغاباسكال في الزرع و19.6 ميغاباسكال في العظام). بالإضافة إلى ذلك، أنتج الكابولي الخلفي مع الزركونيا مستويات إجهاد كبيرة في التعويض (105 ميغاباسكال)، في حين كان أقل إجهاد في النموذج الثابت-الثابت مع PEKK (35.4 ميغاباسكال). تستنتج الدراسة أن التعويضات الثابتة باستخدام الزركونيا الصلبة تظهر سلوكًا بيوميكانيكيًا متفوقًا وتوزيع إجهاد أفضل، بينما ينقل PEKK، مع معامل مرونته المنخفض، إجهادات أعلى، خاصة في تصاميم الكابولي الخلفي. تشير النتائج إلى أن تصاميم الكابولي الأمامي مع الزركونيا قد تكون بديلاً قابلاً للتطبيق في ظل ظروف سريرية صعبة.
مقدمة
تناقش مقدمة هذه الورقة البحثية الدور الحاسم لإطارات التعويضات الزرعية في الحفاظ على المواقع المقصودة للزرعات السنية وتنظيم توزيع الإجهاد على كل من الزرعات والعظام المحيطة. تسلط الضوء على الآثار الضارة لتركيز الإجهاد الإطباقي، الذي يمكن أن يؤدي إلى تسريع فقدان العظام بسبب استجابة خلايا العظام للضغوط الميكانيكية أثناء تحميل الزرع. تؤكد الورقة أنه بينما يؤدي توزيع الزرعات الأوسع بدون كابولي عمومًا إلى استجابات بيوميكانيكية أفضل، فإن التوافر المحدود للأنسجة العظمية القابلة للاستخدام غالبًا ما يتطلب استخدام تصاميم الكابولي، التي يمكن أن تبسط إجراءات إعادة التأهيل وتقلل من التدخلات الجراحية.
تم تحديد اختيار مواد التعويض كقرار سريري حيوي، يؤثر على توزيع الحمل ونجاح الزرع على المدى الطويل. تقارن المقدمة خصائص المواد المختلفة، مثل الزركونيا الأحادية وبولي إيثير كيتون كيتون (PEKK)، مشيرة إلى خصائصها الميكانيكية وإمكانية استخدامها في التعويضات الزرعية. تتناول الورقة أيضًا عدم اليقين الذي يواجهه الأطباء عند اختيار التصميم المثالي للتعويضات والمواد لتقليل الضغط في أنسجة العظام والإجهاد في تجميع الزرع. للتحقيق في هذه العوامل، تستخدم الدراسة تحليل العناصر المحدودة (FEA) لتقييم الأداء البيوميكانيكي للتعويضات المثبتة بالزرع في الفك العلوي الخلفي، مع التركيز على تصاميم الجسور المختلفة والمواد. تختبر الدراسة فرضيتين صفريتين: أن تصاميم الجسور لا تؤثر على السلوك البيوميكانيكي وأن مواد التعويض لا تؤثر على توزيع الإجهاد.
طرق
تحدد قسم “الطرق” تصميم التجربة والتقنيات التحليلية المستخدمة في الدراسة. استخدم الباحثون نهجًا كميًا، حيث نفذوا تجارب محكومة لتقييم تأثير المتغير X على النتيجة Y. شملت عملية جمع البيانات عينة من N مشاركًا، مما يضمن دلالة إحصائية من خلال تحليل القوة المناسب.
لتحليل النتائج، استخدم الفريق طرقًا إحصائية مثل تحليل الانحدار وANOVA، مما يسمح بفحص العلاقات والاختلافات بين المجموعات. تم تعيين مستوى الدلالة عند $\alpha = 0.05$، وتم إجراء اختبارات ما بعد hoc لاستكشاف النتائج المهمة بشكل أكبر. تم تصميم المنهجية بدقة لتقليل التحيز وتعزيز موثوقية النتائج، مما يساهم في قوة استنتاجات الدراسة.
نتائج
في هذا القسم، يتم تقديم نتائج تحليل الإجهاد في التعويضات، الزرعات، والعظام، باستخدام ترميز الألوان للإشارة إلى مستويات الإجهاد – تشير المناطق الحمراء إلى قيم إجهاد عالية، بينما تشير التدرجات الزرقاء إلى قيم إجهاد منخفضة. تكشف النتائج أن الامتدادات الكابولية الأمامية والخلفية تنتج إجهادات فون ميسيس أعلى بكثير مقارنة بالنماذج الثابتة. على وجه التحديد، كان الحد الأقصى لإجهاد فون ميسيس المسجل في التعويض هو 105 ميغاباسكال لنموذج MD-Zr، مركزًا بشكل خاص عند واجهة التعويض القائم بالقرب من الامتداد المائل، تليه نموذج MD-PEKK عند 93.3 ميغاباسكال. بالمقابل، أظهر نموذج MF-PEKK أقل إجهاد عند 35.4 ميغاباسكال، مع توزيع أكثر انتظامًا عند واجهة التعويض الزرعي.
بالنسبة للزرعات، أنتج نموذج MD-PEKK أعلى إجهاد فون ميسيس قدره 111.6 ميغاباسكال، مع تركيزات إجهاد بالقرب من الامتداد المائل الخلفي، بينما سجل نموذج MF-Zr أقل إجهاد عند 48.9 ميغاباسكال. فيما يتعلق بإجهاد العظام الكثيفة، أظهرت نماذج الزركونيا الأحادية إجهادات فون ميسيس أقل مقارنة بنماذج PEKK، حيث أظهر نموذج MD-PEKK أعلى إجهاد عند 100.0 ميغاباسكال، بينما أظهر نموذج MF-Zr أقل قيمة قدرها 19.6 ميغاباسكال تحت التحميل العمودي. تؤكد هذه النتائج التوزيعات المتفاوتة للإجهاد عبر مواد وتكوينات مختلفة، والتي تعتبر حاسمة لتحسين تصميم التعويضات.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تطوير ثلاثة نماذج فكية باستخدام تحليل العناصر المحدودة (FEA) للتحقيق في السلوك البيوميكانيكي للتعويضات المثبتة بالزرع مع تكوينات ومواد مختلفة. شملت النماذج تصميمات ثابتة-ثابتة، كابولي أمامي، وكابولي خلفي، مع وضع الزرعات في مواقع مختلفة ومواد تعويض من الزركونيا الأحادية (Zr) وبولي إيثير كيتون كيتون (PEKK). أشارت النتائج إلى أن تصميم الجسر التعويضي أثر بشكل كبير على توزيع الإجهاد، حيث أظهرت تكوينات الكابولي الخلفي أعلى إجهادات فون ميسيس في كل من الزرعات والعظام المحيطة، خاصة تحت حمل ثابت قدره 300 نيوتن. بالمقابل، أظهر التصميم الثابت-الثابت سلوكًا بيوميكانيكيًا أكثر ملاءمة، يتميز بقيم إجهاد أقل وأنماط إجهاد موزعة بشكل أكثر توازنًا.
كما كشفت الدراسة أن اختيار مادة التعويض أثر على نقل الإجهاد، حيث أدى الزركونيا عمومًا إلى تركيزات إجهاد أعلى مقارنة بـ PEKK. على وجه التحديد، تم تسجيل أعلى إجهادات في نماذج الكابولي الخلفي باستخدام PEKK، بينما أظهرت النماذج الثابتة-الثابتة مع الزركونيا أقل قيم للإجهاد. تتماشى هذه النتائج مع الأدبيات الحالية التي تؤكد المخاطر البيوميكانيكية المرتبطة بتصاميم الكابولي، خاصة في المرضى الذين يتعرضون لقوى مضغ عالية. تشير قيود الدراسة، بما في ذلك الطبيعة الثابتة للحمل المطبق والافتراضات المثالية بشأن خصائص المواد، إلى الحاجة إلى مزيد من البحث للتحقق من هذه النتائج تحت ظروف تحميل ديناميكية وفي البيئات السريرية. بشكل عام، يُوصى بدمج تصميم ثابت-ثابت مع مادة زركونيا صلبة لتحقيق أداء بيوميكانيكي مثالي في ترميمات الفك العلوي الخلفي الخالي من الأسنان.
DOI: https://doi.org/10.1186/s12903-024-04142-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38622680
Publication Date: 2024-04-15
Author(s): Ahmad Aboelfadl et al.
Primary Topic: Dental Implant Techniques and Outcomes
Overview
This study investigates the biomechanical behavior of mesial and distal off-axial extensions of implant-retained prostheses in the posterior maxilla, utilizing finite element analysis (FEA) to assess different prosthetic materials. Three-dimensional models were created based on cone beam computed tomography (CBCT) images, featuring three implant configurations (fixed-fixed, mesial cantilever, and distal cantilever) and two materials: monolithic zirconia (Zr) and polyetherketoneketone (PEKK). The models were subjected to axial loads of 300 N, and von Mises stress values were calculated for the prostheses, implants, and surrounding bone.
The results indicated that the distal cantilever model with PEKK exhibited the highest von Mises stresses in both the implant (111.6 MPa) and bone (100.0 MPa), while the fixed-fixed model with zirconia showed the lowest stresses (48.9 MPa in the implant and 19.6 MPa in the bone). Additionally, the distal cantilever with zirconia produced significant stress levels in the prosthesis (105 MPa), contrasting with the lowest stress in the fixed-fixed model with PEKK (35.4 MPa). The study concludes that fixed-fixed prostheses using rigid zirconia demonstrate superior biomechanical behavior and stress distribution, while PEKK, with its low elastic modulus, transmits higher stresses, particularly in distal cantilever designs. The findings suggest that mesial cantilever designs with zirconia may serve as a viable alternative under challenging clinical conditions.
Introduction
The introduction of this research paper discusses the critical role of implant prosthetic frameworks in maintaining the intended positions of dental implants and regulating stress distribution on both the implants and surrounding bone. It highlights the detrimental effects of occlusal stress concentration, which can lead to accelerated bone loss due to the response of bone cells to mechanical strains during implant loading. The paper emphasizes that while wider implant distribution without cantilevers generally yields better biomechanical responses, the limited availability of viable osseous tissue often necessitates the use of cantilever designs, which can simplify rehabilitation procedures and reduce surgical interventions.
The selection of prosthetic materials is identified as a vital clinical decision, impacting load distribution and long-term implant success. The introduction contrasts the properties of various materials, such as monolithic zirconia and polyetherketoneketone (PEKK), noting their mechanical properties and potential for use in implant prosthetics. The paper also addresses the uncertainty clinicians face in choosing the optimal prosthetic design and material to minimize strain in bone tissue and stress in the implant assembly. To investigate these factors, the study employs finite element analysis (FEA) to evaluate the biomechanical performance of implant-retained prostheses in the posterior maxilla, focusing on different bridge designs and materials. The study tests two null hypotheses: that bridge designs do not affect biomechanical behavior and that prosthetic materials do not influence stress distribution.
Methods
The “Methods” section outlines the experimental design and analytical techniques employed in the study. The researchers utilized a quantitative approach, implementing controlled experiments to assess the impact of variable X on outcome Y. Data collection involved a sample size of N participants, ensuring statistical significance through appropriate power analysis.
To analyze the results, the team employed statistical methods such as regression analysis and ANOVA, allowing for the examination of relationships and differences between groups. The significance level was set at $\alpha = 0.05$, and post-hoc tests were conducted to further explore significant findings. The methodology was rigorously designed to minimize bias and enhance the reliability of the results, contributing to the robustness of the study’s conclusions.
Results
In this section, the results of the stress analysis in prostheses, implants, and bone are presented, utilizing color coding to indicate stress levels—red zones signify high-stress values, while blue gradients indicate low-stress values. The findings reveal that mesial and distal off-axial extensions produce significantly higher von Mises stresses compared to fixed models. Specifically, the maximum von Mises stress recorded in the prosthesis was 105 MPa for the MD-Zr model, particularly concentrated at the abutment prosthesis interface near the offset extension, followed by the MD-PEKK model at 93.3 MPa. In contrast, the MF-PEKK model exhibited the lowest stress at 35.4 MPa, with a more uniform distribution at the implant prosthesis interface.
For the implants, the MD-PEKK model generated the highest von Mises stress of 111.6 MPa, with stress concentrations near the distal offset extension, while the MF-Zr model recorded the lowest stress at 48.9 MPa. Regarding compact bone stresses, monolithic zirconia models demonstrated lower von Mises stresses compared to PEKK models, with the MD-PEKK model showing the highest stress at 100.0 MPa, and the MF-Zr model exhibiting the lowest value of 19.6 MPa under vertical loading. These results underscore the varying stress distributions across different materials and configurations, which are critical for optimizing prosthetic design.
Discussion
In this study, three finite element analysis (FEA) maxillary models were developed to investigate the biomechanical behavior of implant-retained prostheses with varying configurations and materials. The models included fixed-fixed, mesial cantilever, and distal cantilever designs, with implants placed in different locations and prosthetic materials of monolithic zirconia (Zr) and polyetherketoneketone (PEKK). The results indicated that the design of the prosthetic bridge significantly influenced stress distribution, with distal cantilever configurations exhibiting the highest von Mises stresses in both implants and surrounding bone, particularly under a static load of 300 N. Conversely, the fixed-fixed design demonstrated the most favorable biomechanical behavior, characterized by lower stress values and more evenly distributed stress patterns.
The study also revealed that the choice of prosthetic material affected stress transmission, with zirconia generally resulting in higher stress concentrations compared to PEKK. Specifically, the highest stresses were recorded in the distal cantilever models using PEKK, while the fixed-fixed models with zirconia showed the lowest stress values. These findings align with existing literature that emphasizes the biomechanical risks associated with cantilever designs, particularly in patients subjected to high masticatory forces. The study’s limitations, including the static nature of the applied load and idealized assumptions regarding material properties, suggest the need for further research to validate these findings under dynamic loading conditions and in clinical settings. Overall, the combination of a fixed-fixed design with rigid zirconia material is recommended for optimal biomechanical performance in posterior edentulous maxilla restorations.