DOI: https://doi.org/10.1186/s12903-025-05440-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39885486
تاريخ النشر: 2025-01-30
المؤلف: Zhenyun Du وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات ونتائج زراعة الأسنان
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة إمكانيات البوليمرات الحرارية عالية الأداء، وتحديداً بولي إيثر إيثر كيتون (PEEK) وبولي إيثر كيتون كيتون (PEKK)، كبدائل لسبائك التيتانيوم في تصنيع الغرسات والمرفقات لطقم الأسنان المتحرك السفلي. الهدف الأساسي هو تقييم توزيع الإجهاد في المكونات الاصطناعية البوليمرية والعظام المحيطة، خاصة في سياق تأثير درع الإجهاد المرتبط بالغرسات التيتانية. تم تطوير نموذج عنصر نهائي ثلاثي الأبعاد لمحاكاة طقم أسنان متحرك سفلي مدعوم بغرسات، مع إجراء تحليل إجهاد ثابت خطي باستخدام ANSYS 2020 R1. تم إنشاء ثلاثة نماذج، كل منها يستخدم مادة مختلفة للمكونات الاصطناعية، بما في ذلك سبيكة التيتانيوم من الدرجة V، PEEK، وPEKK.
تشير النتائج إلى أن مكونات PEEK وPEKK تعرضت لأعلى تشوه إجمالي وقيم إجهاد ماكسيمم فون ميسيس الحرجة تحت ظروف تحميل جانبي ومائل، مما يقترب من حدود التعب لهذه المواد مع عامل أمان منخفض (< 1.5). ومن الجدير بالذكر أن العظام القشرية المحيطة بالغرسات PEEK وPEKK أظهرت تقريباً ضعف أقصى إجهاد رئيسي مقارنةً بالنموذج التيتانيومي، بينما كانت أقصى إجهادات فون ميسيس في العظام الإسفنجية أقل في نماذج البوليمر. وبالتالي، تستنتج الدراسة أن استخدام غرسات PEEK أو PEKK في هذا السياق قد يؤدي إلى فشل التعب في المكونات البوليمرية بسبب الإجهاد العالي تحت قوى غير محورية، بينما يؤدي أيضاً إلى قيم إجهاد وتشوه أقل في العظام الإسفنجية المحيطة، وبالتالي لا يخفف من تأثير درع الإجهاد الملحوظ مع سبائك التيتانيوم.
مقدمة
تناقش مقدمة هذه الورقة البحثية تصنيع وفوائد الوظائف الخاصة بأطقم الأسنان المدعومة بالغرسات، خاصةً للفكوك الخالية من الأسنان. تبرز أهمية أنظمة التثبيت—مثل القضبان، المغناطيسات، ومرفقات الكرة—في تعزيز الاحتفاظ والثبات لأطقم الأسنان المتحركة بينما تؤثر أيضاً على توزيع الإجهاد على العظام السنخية المحيطة. تؤكد الورقة على أن إدارة الإجهاد الفعالة أمر حاسم لطول عمر الأطراف الاصطناعية الغرسية، حيث يمكن أن يؤدي توزيع الحمل غير الصحيح إلى مضاعفات مثل امتصاص العظام أو فشل الغرسة.
تركز الدراسة على الاستخدام الناشئ للمواد البوليمرية عالية الأداء للغاية، وتحديداً بولي إيثر إيثر كيتون (PEEK) وبولي إيثر كيتون كيتون (PEKK)، كبدائل لسبائك التيتانيوم التقليدية. تتمتع هذه البوليمرات بخصائص ميكانيكية تشبه إلى حد كبير تلك الخاصة بالعظام البشرية، مما قد يحسن توزيع الإجهاد عند واجهة الغرسة والعظام. كما تم الإشارة إلى إدخال تحليل العناصر المحدودة (FEA) كطريقة لتقييم توزيع الإجهاد في التطبيقات السنية. تهدف الدراسة إلى مقارنة الإجهاد الناتج في العظام والمكونات الاصطناعية عند استخدام هذه المواد البوليمرية مقابل سبيكة التيتانيوم، واختبار فرضيتين صفريتين بشأن الاختلافات في مستويات الإجهاد بين المواد.
طرق البحث
في هذه الدراسة، تم تصنيع ثلاثة نماذج من أطقم الأسنان المتحركة السفلي للتحقيق في تأثيرات المواد المختلفة على أدائها. تم تصميم كل نموذج ليكون مدعوماً من الجانبين بغرسات تقع في منطقة الكلب، وتم تثبيته باستخدام مرفقتين كرويتين. المواد المستخدمة لجسم الغرسة، الشكل اللثوي، مرفق الكرة، ومصفوفة السكن تضمنت سبيكة التيتانيوم من الدرجة V، PEEK، وPEKK. بالنسبة لطقم الأسنان وحلقة O، تم استخدام راتنج أكريلي وفلورورubber بلاستيكي، على التوالي.
تم افتراض أن جميع المواد تظهر خصائص متساوية، متجانسة، ومرنة خطياً، والتي تم تفصيلها في الجدول 2 من الورقة. يسمح هذا النهج المنهجي بإجراء تحليل مقارن للسلوك الميكانيكي لنماذج طقم الأسنان تحت ظروف مشابهة مع تغيير التركيب المادي.
النتائج
في هذه الدراسة، تم إجراء ما مجموعه تسعة تجارب لتقييم أداء ثلاثة مواد مختلفة: سبيكة التيتانيوم من الدرجة V، PEEK، وPEKK. تم تعريض كل مادة لثلاث سيناريوهات تحميل متميزة: عمودي، جانبي، ومائل. يسمح هذا النهج الشامل بإجراء تحليل مقارن للسلوك الميكانيكي لهذه المواد تحت ظروف إجهاد متغيرة، مما يوفر رؤى قيمة حول ملاءمتها لتطبيقات محددة.
المناقشة
استخدمت الدراسة نمذجة العناصر المحدودة لتقييم الأداء البيوميكانيكي للبوليمرات الحرارية عالية الأداء (PEEK وPEKK) كبدائل لسبيكة التيتانيوم في أطقم الأسنان المدعومة بالغرسات. تم بناء نموذج عنصر نهائي مفصل لمحاكاة فك خالٍ من الأسنان تم ترميمه بطقم أسنان متحرك، مع تضمين مكونات مختلفة مثل الغرسات والعناصر الاصطناعية. ركز التحليل على توزيع الإجهاد والتشوه تحت ظروف تحميل مختلفة، كاشفاً أنه بينما أظهرت مكونات التيتانيوم تشوهًا أقل، إلا أنها تعرضت أيضاً لإجهادات ماكسيمم فون ميسيس أعلى مقارنةً بنظيراتها البوليمرية. ومن الجدير بالذكر أن نماذج البوليمر أظهرت تشوهًا أكبر في طقم الأسنان والغشاء المخاطي، مما يثير القلق بشأن الألم المحتمل في الغشاء المخاطي والالتهاب تحت قوى المضغ النموذجية.
أشارت النتائج إلى أن استخدام PEEK وPEKK قد يؤدي إلى تركيزات إجهاد أعلى في الغشاء المخاطي، خاصةً تحت سيناريوهات تحميل عمودي ومائل، والتي قد تتجاوز عتبات الألم. بالإضافة إلى ذلك، سلطت الدراسة الضوء على أنه بينما أظهرت الغرسات البوليمرية إجهادًا مكافئًا أقصى أقل في العظام الإسفنجية، إلا أنها قدمت إجهادات رئيسية أقصى أعلى في العظام القشرية مقارنةً بالغرسات التيتانية. وهذا يشير إلى خطر محتمل لفشل التعب في المكونات البوليمرية تحت ظروف تحميل دورية. بشكل عام، تؤكد الأبحاث على الحاجة إلى اعتبار دقيق للخصائص الميكانيكية وتوزيع الإجهاد عند اختيار المواد للغرسات السنية، خاصةً في التطبيقات التي تحمل الأحمال.
DOI: https://doi.org/10.1186/s12903-025-05440-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39885486
Publication Date: 2025-01-30
Author(s): Zhenyun Du et al.
Primary Topic: Dental Implant Techniques and Outcomes
Overview
This study investigates the potential of high-performance thermoplastic polymers, specifically poly-ether-ether-ketone (PEEK) and poly-ether-ketone-ketone (PEKK), as alternatives to titanium alloy in the fabrication of implants and attachments for mandibular overdentures. The primary aim is to assess stress distribution in polymeric prosthetic components and surrounding bone, particularly in the context of stress shielding associated with titanium implants. A 3D finite element model was developed to simulate a mandibular overdenture supported by two implants, with linear static stress analysis performed using ANSYS 2020 R1. Three models were created, each utilizing a different material for the prosthetic components, including titanium alloy grade V, PEEK, and PEKK.
Results indicate that PEEK and PEKK components experienced the highest total deformation and critical maximum von Mises stress values under lateral and oblique loading conditions, approaching the fatigue limits of these materials with a low factor of safety (< 1.5). Notably, the peri-implant cortical bone surrounding PEEK and PEKK implants exhibited nearly double the maximum principal stresses compared to the titanium model, while the maximum von Mises stresses in spongy bone were lower in the polymer models. Consequently, the study concludes that using PEEK or PEKK implants in this context may lead to fatigue failure of the polymer components due to high stress under non-axial forces, while also resulting in lower strain and stress values in the surrounding spongy bone, thereby not alleviating the stress shielding effect observed with titanium alloys.
Introduction
The introduction of this research paper discusses the fabrication and functional benefits of implant-supported overdenture prostheses, particularly for edentulous mandibles. It highlights the importance of attachment systems—such as bars, magnets, and ball attachments—in enhancing the retention and stability of overdentures while also influencing stress distribution to the surrounding alveolar bone. The paper emphasizes that effective stress management is crucial for the longevity of implant prostheses, as improper load distribution can lead to complications such as bone resorption or implant failure.
The study focuses on the emerging use of ultra-high performance polymeric materials, specifically polyetheretherketone (PEEK) and polyetherketoneketone (PEKK), as alternatives to traditional titanium alloys. These polymers exhibit mechanical properties that closely resemble those of human bone, potentially improving stress distribution at the implant-bone interface. The introduction of finite element analysis (FEA) as a method for evaluating stress distribution in dental applications is also noted. The study aims to compare the stress generated in bone and prosthetic components when using these polymeric materials versus titanium alloy, testing two null hypotheses regarding the differences in stress levels among the materials.
Methods
In this study, three models of mandibular overdentures were fabricated to investigate the effects of different materials on their performance. Each model was designed to be supported bilaterally by two implants located in the canine region and retained using two ball attachments. The materials employed for the implant body, gingival former, ball attachment, and housing matrix included Titanium alloy grade V, PEEK, and PEKK. For the overdenture and O-ring, acrylic resin and plastic-Fluro-rubber were utilized, respectively.
All materials were assumed to exhibit isotropic, homogeneous, and linearly elastic properties, which were detailed in Table 2 of the paper. This methodological approach allows for a comparative analysis of the mechanical behavior of the overdenture models under similar conditions while varying the material composition.
Results
In this study, a total of nine experimental runs were conducted to evaluate the performance of three different materials: titanium alloy grade V, PEEK, and PEKK. Each material was subjected to three distinct loading scenarios: vertical, lateral, and oblique. This comprehensive approach allows for a comparative analysis of the mechanical behavior of these materials under varying stress conditions, providing valuable insights into their suitability for specific applications.
Discussion
The study utilized finite element modeling to evaluate the biomechanical performance of high-performance thermoplastic polymers (PEEK and PEKK) as alternatives to titanium alloy in implant-supported overdentures. A detailed finite element model was constructed to simulate an edentulous mandible restored with an overdenture, incorporating various components such as implants and prosthetic elements. The analysis focused on stress distribution and deformation under different loading conditions, revealing that while titanium components exhibited lower deformation, they also experienced higher maximum von Mises stresses compared to their polymer counterparts. Notably, the polymer models demonstrated greater deformation in the overdenture and mucosa, raising concerns about potential mucosal pain and inflammation under typical mastication forces.
The findings indicated that the use of PEEK and PEKK could lead to higher stress concentrations in the mucosa, particularly under vertical and oblique loading scenarios, which may exceed pain thresholds. Additionally, the study highlighted that while polymer implants showed lower maximum equivalent strain in spongy bone, they presented higher maximum principal stresses in cortical bone compared to titanium implants. This suggests a potential risk of fatigue failure in polymer components under cyclic loading conditions. Overall, the research underscores the need for careful consideration of mechanical properties and stress distribution when selecting materials for dental implants, particularly in load-bearing applications.