J Prosthodont Res:利用有限元分析方法探讨PEEK和CFR-PEEK牙种植材料的生物力学行为

2024-05-24 医路坦克 MedSci原创 发表于上海

本研究的主要目的是利用不同的种植材料(如PEEK和CFR-PEEK)替代传统的种植材料(如钛和氧化锆),分析种植体构件和颌骨的应力和应变分布模式。

植牙代替缺失或损坏的牙齿,在现代牙科中是必不可少的。多年来,各种材料被用于种植牙,包括金属、陶瓷和聚合物。金属种植体因其具有优异的机械性能、生物相容性和耐腐蚀性而被广泛使用。钛及其合金是种植牙中最常用的金属材料。然而,钛植入物的局限性会影响其长期的成功。钛的弹性模量(110 GPa)明显高于皮质骨的弹性模量(13.7 GPa),导致应力屏蔽和骨吸收。应力屏蔽是指种植体吸收其大部分负荷,导致骨负荷减少,随后骨吸收,随着时间的推移导致种植体失效的现象。

此外,钛植入物也存在一定的缺点,如过敏反应、肺和植入物周围组织中高浓度的钛离子,以及在磁共振成像(MRI)和计算机断层扫描(CT)过程中可能散射辐射颗粒,对人体组织造成伤害。

陶瓷牙种植体,特别是氧化锆(ZrO2)种植体,已被提议作为金属种植体的替代品。氧化锆具有优异的机械性能和生物相容性,使其成为一种有吸引力的牙科种植选择。然而,与皮质骨(13.7 GPa)相比,氧化锆的高弹性模量(210 GPa)会导致额外的应力屏蔽作用。氧化锆的种植体周围骨丢失明显比钛的严重。此外,氧化锆是一种脆性材料,可导致单板断裂和种植体完全失效。

聚合物基材料作为一种有前途的牙种植替代品正在被越来越多地探索。在这些聚合物中,聚醚醚酮(PEEK)因其生物相容性和优异的力学性能而广泛应用于生物医学领域。PEEK是一种热塑性聚合物,弹性模量接近3.5 GPa;然而,当用碳纤维增强时,模量得到了改善(19.7 GPa)。PEEK的一个优点是其相对较低的熔化温度约为400°C,这有利于使用铣削和3d打印技术进行成本效益高的制造。生物医学级PEEK长丝很容易用于3D打印,并提供了一种方便的制造牙科种植体结构的方法。与钛和氧化锆等传统种植材料相比,PEEK和碳纤维增强PEEK (CFR-PEEK)具有更低的弹性模量,更接近于皮质骨(13.7 GPa),这意味着PEEK和CFR-PEEK作为种植材料,在减少应力屏蔽和骨吸收方面具有潜在的作用。

因此,确定PEEK/CFR-PEEK种植体-颌骨组件内的生物力学应力/应变分布对于确保种植体长期成功和在任意载荷条件下保护周围骨组织至关重要。在这方面,有限元(FE)技术已被证明可以提供高度精确的全场应力/应变、位移数据和种植体-颌骨组件内的界面应力分布,并识别关键损伤和断裂起始区。现有文献表明,FE技术可以精确地模拟牙齿结构,因为它不需要耗时的体外或体内分析,并有助于根据患者的具体要求修改和改变种植体设计。Schwitalla等利用有限元分析(FEA)研究了PEEK作为牙种植材料的潜力。他们的研究特别侧重于评估用无尽碳纤维(连续碳纤维)增强的PEEK植入物的生物力学行为和应力分布,结果表明,含有大量碳纤维的PEEK表现出良好的特性,表明其作为一种有前途的牙科植入物的可行性。

本研究的主要目的是利用不同的种植材料(如PEEK和CFR-PEEK)替代传统的种植材料(如钛和氧化锆),分析种植体构件和颌骨的应力和应变分布模式。此外,为了与上述种植材料进行比较,本研究旨在研究当螺钉和基牙具有牙本质特性时,螺钉、基牙、皮质骨和松质骨的应力应变分布情况。本研究旨在通过全面研究这些材料在不同载荷条件下的应力和应变行为,为生物力学性能和潜在应用提供有价值的见解。

研究选择:采用三维计算机辅助设计(3D CAD)模型对不同种植材料(钛、氧化锆、PEEK和CFR-PEEK)的颌骨进行有限元分析,以评估PEEK和CFR-PEEK的有效性。采用中心(case-1)和偏心(case-2)两种加载条件(50和100 N)模拟口腔加载条件。

(a)下颌CT扫描,(b)皮质骨和(c)松质骨横切面

(a)皮质骨,(b)松质骨,(c)种植体螺钉,(d)种植体基台,(e)颌骨-种植体组件的3D模型

(a)具有边界条件的装配网格;(b)网格独立性研究

聚醚醚酮种植体在100 N偏心载荷下的最大von Mises应力分布:(a)基牙,(b)螺钉,(c)皮质骨,(d)松质骨

不同种植体材料在不同载荷条件下螺钉和骨皮质的最大von Misses应力分布:(a)中心载荷为50 N, (b)偏心载荷为50 N, (c)中心载荷为100 N, (d)偏心载荷为100 N。PEEK:聚醚醚酮,CFR-PEEK:碳纤维增强-PEEK

结果:钛和氧化锆种植体表现出更高水平的应力屏蔽,因此造成更大的骨质流失和种植体失败的风险。相反,与传统植入物相比,CFR-PEEK植入物表现出更均匀的应力分布,减少了应力屏蔽的可能性;因此,CFR-PEEK植入物特别适合承重应用。此外,PEEK植入的皮质骨的最大应变值达到适应状态,称为“懒惰区”,其中骨生长和骨损失率相等,表明PEEK具有长期植入物利用的潜力。

结论:PEEK和CFR-PEEK种植体是传统种植体的有希望的替代品,因为它们提供应力屏蔽和促进骨骼健康。改善应力分布提高了长期的成功和耐用性,同时减轻了并发症,并突出了它们在牙科种植手术中的适用性。

原文来源:Kandula Uday Kumar, Reddy;  Aqshat, Seth;  Amol, Vuppuluri;Exploring the bio-mechanical behavior of PEEK and CFR-PEEK materials for dental implant applications using finite element analysis.J Prosthodont Res 2024 May 22;0(0)DOI:10.2186/jpr.JPR_D_23_00296  

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color: #888888;">不同种植体材料在不同载荷条件下螺钉和骨皮质的最大von Misses应力分布:(a)中心载荷为50 N, (b)偏心载荷为50 N, (c)中心载荷为100 N, (d)偏心载荷为100 N。PEEK:聚醚醚酮,CFR-PEEK:碳纤维增强-PEEK</span></p> </div> </div> </div> <p><span style="color: #000000;"><strong>结果:</strong>钛和氧化锆种植体表现出更高水平的应力屏蔽,因此造成更大的骨质流失和种植体失败的风险。相反,与传统植入物相比,CFR-PEEK植入物表现出更均匀的应力分布,减少了应力屏蔽的可能性;因此,CFR-PEEK植入物特别适合承重应用。此外,PEEK植入的皮质骨的最大应变值达到适应状态,称为&ldquo;懒惰区&rdquo;,其中骨生长和骨损失率相等,表明PEEK具有长期植入物利用的潜力。</span></p> <p><span style="color: #000000;"><strong>结论:</strong>PEEK和CFR-PEEK种植体是传统种植体的有希望的替代品,因为它们提供应力屏蔽和促进骨骼健康。改善应力分布提高了长期的成功和耐用性,同时减轻了并发症,并突出了它们在牙科种植手术中的适用性。</span></p> <p><span style="font-size: 12px; color: #888888;"><span style="color: #888888;">原文来源:Kandula Uday Kumar, Reddy;&nbsp;&nbsp;Aqshat, Seth;&nbsp;&nbsp;Amol, Vuppuluri;Exploring the bio-mechanical behavior of PEEK and CFR-PEEK materials for dental implant applications using finite element analysis.J Prosthodont Res&nbsp;2024 May 22;0(0)DOI:10.2186/jpr.JPR_D_23_00296&nbsp;&nbsp;</span></span></p>, belongTo=, tagList=[TagDto(tagId=43463, tagName=有限元分析), TagDto(tagId=73696, tagName=PEEK), TagDto(tagId=491055, tagName=CFR-PEEK)], categoryList=[CategoryDto(categoryId=31, categoryName=口腔科, tenant=100), CategoryDto(categoryId=84, categoryName=研究进展, tenant=100), CategoryDto(categoryId=20656, categoryName=梅斯医学, tenant=100)], articleKeywordId=0, articleKeyword=, articleKeywordNum=6, guiderKeywordId=0, guiderKeyword=, guiderKeywordNum=6, opened=1, paymentType=1, paymentAmount=0, recommend=0, recommendEndTime=null, sticky=0, stickyEndTime=null, allHits=2291, appHits=8, showAppHits=0, pcHits=33, showPcHits=2283, likes=0, shares=288, comments=0, approvalStatus=1, publishedTime=Fri May 24 20:23:00 CST 2024, publishedTimeString=2024-05-24, pcVisible=1, appVisible=1, editorId=6556162, editor=口腔科新前沿, waterMark=0, formatted=0, deleted=0, version=3, createdBy=893e2269929, createdName=医路坦克, createdTime=Fri May 24 10:38:24 CST 2024, updatedBy=2570354, updatedName=王佳佳BOM, updatedTime=Fri May 24 15:23:28 CST 2024, ipAttribution=上海, attachmentFileNameList=[AttachmentFileName(sort=100, fileName=J Prosthodont Res:利用有限元分析方法探讨PEEK和CFR-PEEK牙种植材料的生物力学行为)], guideDownload=1)
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