Preview

Медицинский алфавит

Расширенный поиск

Применение метода конечно-элементного анализа при разработке новых систем дентальных имплантатов. Обзор литературы

https://doi.org/10.33667/2078-5631-2023-1-18-23

Аннотация

   Введение. Разработка новых дентальных имплантатов в условиях бурно развивающейся отечественной промышленности позволяет найти альтернативные возможности при лечении клинически сложных ситуаций, подобрать необходимое индивидуальное решение при проведении операции дентальной имплантации, а соответственно выполнить операцию безошибочно и достичь желаемых результатов. Однако разработка дентального имплантата является сложным многоступенчатым процессом, в связи с чем необходимо досконально изучить как характеристики материала, из которого изготавливается имплантат, так и его биофизические особенности до момента его интеграции в костную ткань.
   Цель работы: по данным литературных источников оценить возможности и особенности применения метода конечных элементов при разработке новых систем дентальных имплантатов.
   Материал и методы. Был проведен поиск в отечественных электронных библиотеках e-library, «КиберЛенинка», а также PubMed, Medline, Web of Science и Google Scholar по следующим ключевым словам: дентальный имплантат, конечно-элементный анализ, математическая модель. Было отобрано и проанализировано 66 работ.
   Результаты. Метод конечных элементов является точным методом анализа разрабатываемого имплантата, однако имеет определенные ограничения, так как в конечно-элементной сетке граница раздела имплантата и кости представляет собой непрерывную связь. Отсутствие микродвижения на границе имплантата и кости во время нагрузки, в действительности, отличается от реальной клинической ситуации. Ожидаемая 100 % остеоинтеграция на основании 3D-моделирования не может быть идеальным вариантом и никогда не соответствует реальности в клинической ситуации. Однако использование метода конечных элементов позволяет протестировать одиночные нагрузки и углы наклона, что в клинической ситуации проявляется крайне редко.

Об авторах

Ю. А. Сергеев
ФГБОУ ВО «Ставропольский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения РФ
Россия

Юрий Андреевич Сергеев, заочный аспирант

кафедра стоматологии общей практики и детской стоматологии

Ставрополь



А. А. Долгалев
ФГБОУ ВО «Ставропольский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения РФ
Россия

Александр Александрович Долгалев, д. м. н., профессор, начальник центра

кафедра стоматологии общей практики и детской стоматологии

центр инноваций и трансфера технологий научно-инновационного объединения

Ставрополь



Д. З. Чониашвили
ФГБОУ ВО «Северо-Осетинский государственный университет имени Коста Левановича Хетагурова» (СОГУ)
Россия

Давид Зурабович Чониашвили, к. м. н., доцент, декан

медицинский факультет

кафедра терапевтической, хирургической и детской стоматологии с курсом имплантология, реконструктивная хирургия полости рта, детская ЧЛХ

Владикавказ



В. М. Аванисян
ФГБОУ ВО «Ставропольский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения РФ
Россия

Вазген Михайлович Аванисян, ординатор 1 года обучения

кафедра терапевтической стоматологии

Ставрополь



Список литературы

1. Ananth H.; Kundapur V.; Mohammed H.; Anand M.; Amarnath G.; Mankar S. A review on biomaterials in dental implantology. Int. J. Biomed. Sci. 2015, 11, 113.

2. Kawahara et al. // Image synthesis with deep convolutional generative adversarial networks for material decomposition in dual-energy CT from a kilovoltage CT / Comput. Biol. Med.(2021).

3. Marcián P. et al. // Micro finite element analysis of dental implants under different loading conditions / Comput. Biol. Med.(2018).

4. Chang P.-K.; Chen Y.-C.; Huang C.-C.; Lu W.-H.; Chen Y.-C.; Tsai H.-H. Distribution of micromotion in implants and alveolar bone with different thread profiles in immediate loading: A finite element study. Int. J. Oral Maxillofac. Implant. 2012, 27, e96–e101.

5. Dos Santos, M. C. L. G.; Campos, M. I. G.; Line, S. R. P. Early dental implant failure: A review of the literature. Braz. J. Oral Sci. 2002, 1, 103–111.

6. Han et al. // Continuous functionally graded porous titanium scaffolds manufactured by selective laser melting for bone implants / J. Mech. Behav. Biomed. Mater. (2018)

7. Himmlova, L.; Dostalova, T.; Kacovsky, A.; Konvickova, S. Influence of implant length and diameter on stress distribution: A finite element analysis. J. Prosthet. Dent. 2004, 91, 20–25

8. Jafari et al. // A comparative study of bone remodeling around hydroxyapatite-coated and novel radial functionally graded dental implants using finite element simulation/Med. Eng. Phys.(2022)

9. Kang, X.; Li, Y.; Wang, Y.; Zhang, Y.; Yu, D.; Peng, Y. Relationships of Stresses on Alveolar Bone and Abutment of Dental Implant from Various Bite Forces by Three-Dimensional Finite Element Analysis. Biomed Res. Int. 2020, 2020, 7539628.

10. Schwitalla, A.; Abou-Emara, M.; Spintig, T.; Lackmann, J.; Müller, W. Finite element analysis of the biomechanical effects of PEEK dental implants on the peri-implant bone. J. Biomech. 2015, 48, 1–7.

11. Bozkaya, D.; Muftu, S.; Muftu, A. Evaluation of load transfer characteristics of five different implants in compact bone at different load levels by finite elements analysis. J. Prosthet. Dent. 2004, 92, 523–530.

12. Cozzolino et al. // Implant-to-bone force transmission: a pilot study for in vivo strain gauge measurement technique / J. Mech. Behav. Biomed. Mater.(2019).

13. Dutta et al. // Design of porous titanium scaffold for complete mandibular reconstruction: the influence of pore architecture parameters / Comput. Biol. Med. (2019).

14. Li et al. // 3D porous Ti6Al4V-beta-tricalcium phosphate scaffolds directly fabricated by additive manufacturing / Acta Biomater. (2021).

15. Sato et al. // The effects of bone remodeling on biomechanical behavior in a patient with an implant-supported overdenture / Comput. Biol. Med.(2021)

16. Wang Juncheng & Yang Sefei. (2017). Risk factors affecting osseointegration of implants: (eds.) Proceedings of the 8th Academic Conference of the General Stomatology Committee of the Chinese Stomatological Association (pp. 338).

17. Cynthia S. Petrie D. D. S., M. S. and John L. Williams Ph. D. Shape optimization of dental implant designs under oblique loading using the p‐version finite element method [J]. Journal of Prosthodontics, 2002, 11 (4): 333-334.

18. Ghaziani A. O. et al. // The effect of functionally graded materials on bone remodeling around osseointegrated trans-femoral prostheses / J. Mech. Behav. Biomed. Mater.(2021).

19. Günther F. et al. // Design procedure for triply periodic minimal surface based biomimetic scaffolds / J. Mech. Behav. Biomed. Mater.(2022).

20. Verri, F. R.; de Souza Batista, V. E.; Santiago, J. F., Jr.; de Faria Almeida, D. A.; Pellizzer, E. P. Effect of crown-to-implant ratio on peri-implant stress: A finite element analysis. Mater. Sci. Eng. P. 2014, 45, 234–240.

21. Wu, S.-W.; Lee, C.-C.; Fu, P.-Y.; Lin, S.-C. The effects of flute shape and thread profile on the insertion torque and primary stability of dental implants. Med. Eng. Phys. 2012, 34, 797–805.

22. Li et al.//Early osteointegration evaluation of porous Ti6Al4V scaffolds designed based on triply periodic minimal surface models/J. Orthop. Transl.(2019)

23. Mehboob et al.//Finite element modelling and characterization of 3D cellular microstructures for the design of a cementless biomimetic porous hip stem / Mater. Des. (2018).

24. Salou et al. // Enhanced osseointegration of titanium implants with nanostructured surfaces: an experimental study in rabbits/Acta Biomater. (2015).

25. Shim, H. W.; Yang, B.-E. Long-term cumulative survival and mechanical complications of single-tooth Ankylos Implants: Focus on the abutment neck fractures. J. Adv. Prosthodont. 2015, 7, 423–430.

26. Azcarate-Velázquez et al. // Influence of bone quality on the mechanical interaction between implant and bone: a finite element analysis / J. Dent.(2019).

27. Kasani R. et al.//Stress distribution of overdenture using odd number implants – a Finite Element Study/J. Mech. Behav. Biomed. Mater.(2019).

28. Peyroteo M. M. A. et al. // A mathematical biomechanical model for bone remodeling integrated with a radial point interpolating meshless method / Comput. Biol. Med.(2021).

29. Piccinini et al. // Numerical prediction of peri-implant bone adaptation: comparison of mechanical stimuli and sensitivity to modeling parameters / Med. Eng. Phys.(2016).

30. Негматова Д. У. Современные подходы к решению биомеханических проблем дентальной имплантологии / Д. У. Негматова, М. К. Камариддинзода // Вопросы науки и образования. – № 7 (53). – 2019. – С. 227–234.

31. Cheong V. S. et al. // Bone remodelling in the mouse tibia is spatio-temporally modulated by oestrogen deficiency and external mechanical loading: a combined in vivo / in silico study / Acta Biomater. (2020).

32. Tyrovola J. B. (2015). The «Mechanostat Theory» of Frost and the OPG/RANKL / RANK System. Journal of cellular biochemistry, 116 (12), 2724–2729. doi: 10.1002/jcb.25265.

33. Gubaua J. E. et al. // Techniques for mitigating the checkerboard formation: application in bone remodeling simulations / Med. Eng. Phys.(2022).

34. Santiago Junior, J. F.; Pellizzer, E. P.; Verri, F. R.; de Carvalho, P. S. Stress analysis in bone tissue around single implants with different diameters and veneering materials: A 3-D finite element study. Mater. Sci. Eng. C Mater. Biol. Appl. 2013, 33, 4700–4714.

35. Yao Y. et al.//A personalized 3D-printed plate for tibiotalocalcaneal arthrodesis: design, fabrication, biomechanical evaluation and postoperative assessment / Comput. Biol. Med.(2021).

36. Zheng et al. // Bone remodeling following mandibular reconstruction using fibula free flap / J. Biomech.(2022).

37. Alzahrani F. S. et al. // Analytical estimations of temperature in a living tissue generated by laser irradiation using experimental data / J. Therm. Biol. (2019).

38. Chakraborty et al. // Finite element and experimental analysis to select patient’s bone condition specific porous dental implant, fabricated using additive manufacturing/Comput. Biol. Med.(2020).

39. Zanichelli, A., Colpo, A., Friedrich, L., Iturrioz, I., Carpinteri, A., & Vantadori, S. (2021). A Novel Implementation of the LDEM in the Ansys LS-DYNA Finite Element Code. Materials (Basel, Switzerland), 14 (24), 7792. doi: 10.3390/ma14247792

40. Bulaqi, H. A.; Mashhadi, M. M.; Safari, H.; Samandari, M. M.; Geramipanah, F. Effect of increased crown height on stress distribution in short dental implant components and their surrounding bone: A finite element analysis. J. Prosthet. Dent. 2015, 113, 548–557.

41. Kong, L.; Liu, B.; Li, D.; Song, Y.; Zhang, A.; Dang, F.; Qin, X.; Yang, J. Comparative study of 12 thread shapes of dental implant designs: A three-dimensional finite element analysis. World J. Model. Simul. 2006, 2, 134–140.

42. Kong, L.; Zhao, Y.; Hu, K.; Li, D.; Zhou, H.; Wu, Z.; Liu, B. Selection of the implant thread pitch for optimal biomechanical properties: A three-dimensional finite element analysis. Adv. Eng. Softw. 2009, 40, 474–478.

43. Koolstra, J. H.; van Eijden, T. M. Combined finite-element and rigid-body analysis of human jaw joint dynamics. J. Biomech. 2005, 38, 2431–2439.

44. Korioth, T. W.; Hannam, A. G. Mandibular forces during simulated tooth clenching. J. Orofac. Pain 1994, 8, 179–189.

45. Su, K.-C.; Chang, C.-H.; Chuang, S.-F.; Ng, E. Y.-K. Biomechanical evaluation of endodontic post-restored teeth – finite element analysis. J. Mech. Med. Biol. 2013, 13, 1350012.

46. El-Anwar, M. I.; El-Zawahry, M. M. A three dimensional finite element study on dental implant design. J. Genet. Eng. Biotechnol. 2011, 9, 77–82.

47. Van Staden, R. C.; Guan, H.; Loo, Y. C. Application of the finite element method in dental implant research. Comput. Methods Biomech. Biomed. Eng. 2006, 9, 257–270.

48. Chieruzzi, M.; Pagano, S.; Cianetti, S.; Lombardo, G.; Kenny, J. M.; Torre, L. Effect of fibre posts, bone losses and fibre content on the biomechanical behaviour of endodontically treated teeth: 3D-finite element analysis. Mater. Sci. Eng. C Mater. Biol. Appl. 2017, 74, 334–346.

49. Hijazi, L.; Hejazi, W.; Darwich, M. A.; Darwich, K. Finite element analysis of stress distribution on the mandible and condylar fracture osteosynthesis during various clenching tasks. J. Oral. Maxillofac. Surg. 2016, 20, 359–367.

50. Baggi, L.; Cappelloni, I.; Di Girolamo, M.; Maceri, F.; Vairo, G. The influence of implant diameter and length on stress distribution of osseointegrated implants related to crestal bone geometry: A three-dimensional finite element analysis. J. Prosthet. Dent. 2008, 100, 422–431.

51. Luo, E. D.; Rong, Q.; Chen, Q. Finite-element design and optimization of a three-dimensional tetrahedral porous titanium scaffold for the reconstruction of mandibular defects. Med. Eng. Phys. 2017, 47, 176–183.

52. Su, K.-C.; Chang, C.-H.; Chuang, S.-F.; Ng, E.Y.-K. Biomechanical evaluation of endodontic post-restored teeth—finite element analysis. J. Mech. Med. Biol. 2013, 13, 1350012.

53. Jo, J.-Y.; Yang, D.-S.; Huh, J.-B.; Heo, J.-C.; Yun, M.-J.; Jeong, C.-M. Influence of abutment materials on the implant-abutment joint stability in internal conical connection type implant systems. J. Adv. Prosthodont. 2014, 6, 491–497.

54. Amid, R.; Ebrahimi, N.; Kadkhodazadeh, M.; Mirakhori, M.; Mehrinejad, P.; Nematzadeh, F.; Dehnavi, F. Clinical evaluation of a new device to measure maximum bite force. Dentist. Case. Rep. 2018, 2, 26–29.

55. Ashley, E. T.; Covington, L. L.; Bishop, B. G.; Breault, L. G. Ailing and failing endosseous dental implants: A literature review. J. Contemp. Dent. Pract. 2003, 4, 35–50.

56. Li, T.; Hu, K.; Cheng, L.; Ding, Y.; Ding, Y.; Shao, J.; Kong, L. Optimum selection of the dental implant diameter and length in the posterior mandible with poor bone quality–A 3D finite element analysis. Appl. Math. Model. 2011, 35, 446–456.

57. Мураев А. А. Сравнительный анализ биомеханики при различных узлах сопряжения имплантата и абатмента на основании данных трехмерного конечно-элементного моделирования / А. А. Мураев [и др.] // Стоматология. – 2019. – Т. 98. – № 1. – С. 11–16. DOI: 10.17116/stomat20199801111.

58. Chang, Y.-H.; Chan, M.-Y.; Hsu, J.-T.; Hsiao, H.-Y.; Su, K.-C. Biomechanical Analysis of the Forces Exerted during Different Occlusion Conditions following Bilateral Sagittal Split Osteotomy Treatment for Mandibular Deficiency. Appl. Bionics Biomech. 2019, 2019, 4989013.

59. Ryu, H.-S.; Namgung, C.; Lee, J.-H.; Lim, Y.-J. The influence of thread geometry on implant osseointegration under immediate loading: A literature review. J. Adv. Prosthodont. 2014, 6, 547–554.

60. 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 Implant. Res. 2003, 14, 286–293.

61. Huang, H.-L.; Hsu, J.-T.; Fuh, L.-J.; Tu, M.-G.; Ko, C.-C.; Shen, Y.-W. Bone stress and interfacial sliding analysis of implant designs on an immediately loaded maxillary implant: A non-linear finite element study. J. Dent. 2008, 36, 409–417.

62. Marcián, P.; Borák, L.; Valášek, J.; Kaiser, J.; Florian, Z.; Wolff, J. Finite element analysis of dental implant loading on atrophic and non-atrophic cancellous and cortical mandibular bone–a feasibility study. J. Biomech. 2014, 47, 3830–3836.

63. Савранский Ф. З. Использование метода математического моделирования напряженно- деформированного состояния костной ткани при дентальной имплантации (литературный обзор) / Ф. З. Савранский [и др.] // Современная ортопедическая стоматология. – 2018. – № 30. – С. 30–33.

64. Huang, H.-L.; Su, K.-C.; Fuh, L.-J.; Chen, M. Y.; Wu, J.; Tsai, M.-T.; Hsu, J.-T. Biomechanical analysis of a temporomandibular joint condylar prosthesis during various clenching tasks. J. Cranio-MaxilloFac. Surg. 2015, 43, 1194–1201.

65. Van Eijden, T. Three-dimensional analyses of human bite-force magnitude and moment. Arch. Oral Biol. 1991, 36, 535–539.

66. Merdji et al.//Stress distribution in dental prosthesis under an occlusal combined dynamic loading/Mater. Des.(2012)


Рецензия

Для цитирования:


Сергеев Ю.А., Долгалев А.А., Чониашвили Д.З., Аванисян В.М. Применение метода конечно-элементного анализа при разработке новых систем дентальных имплантатов. Обзор литературы. Медицинский алфавит. 2023;1(1):18-23. https://doi.org/10.33667/2078-5631-2023-1-18-23

For citation:


Sergeev Yu.A., Dolgalev A.A., Choniashvili D.Z., Avanisyan V.M. Application of the finite element analysis in the development of new dental implant systems. Literature review. Medical alphabet. 2023;1(1):18-23. (In Russ.) https://doi.org/10.33667/2078-5631-2023-1-18-23

Просмотров: 328


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2078-5631 (Print)
ISSN 2949-2807 (Online)