Биомеханика имплантации, пример 1: На кость вокруг имплантата, установленного прямо и под наклоном воздействует одинаковая сила, но с разным вектором
В первых исследованиях, посвященных изучению остеоинтеграции (например, Branemark), имплантаты устанавливались относительно вертикально, т.е. перпендикулярно окклюзионной плоскости. В то время положение имплантатов определял доступный костный объем. Однако знакомство с рентгенограммами старых научных публикаций показывает, что во многих случаях винтовые имплантаты были установлены с наклоном более 30°.
Таким образом, несмотря на значительно больший интерес к наклонной установке имплантатов сегодня (концепция «Все-на-Четырех» и скуловые имплантаты), реальное клиническое применение имплантатов, установленных со значительным наклоном к окклюзионной плоскости, началось с момента широкого использования метода имплантации.
Кроме того, еще в первых исследованиях ученые прекрасно понимали, что даже при вертикальной установке имплантатов вектор действующих на них сил далеко не всегда направлен строго по центральной оси имплантата (см. анализ Скалака на с. 102-103 из Branemark). Причем данное наблюдение объясняется не только щечно-язычным или мезиально-дистальным направлением сил при нормальной или парафункциональной жевательной нагрузке, но и воздействием вертикальной силы на скаты окклюзионных бугорков зубов или протеза.
Давно известно, что каждый имплантат (или каждый зуб) подвергается нагрузке по трем осям, причем каждый зуб или остеоинтегрированный имплантат играет роль «неподвижной опоры», на которую воздействуют силы и крутящий момент.
В настоящее время в стоматологической имплантологии отмечается рост популярности концепций, основанных на установке имплантатов под наклоном. Сегодня практически нет сомнений в клинической эффективности таких имплантатов. Однако пока еще отсутствует строгое биомеханическое обоснование обсуждаемого подхода, а так же неизвестны ограничения этого метода. С учетом представленной выше информации в данной главе проанализированы три основных вопроса.
1. На каких биомеханических концепциях основано использование имплантатов, установленных под наклоном к окклюзионной плоскости?
2. Какое прикладное значение имеют эти биомеханические концепции в клинической практике?
3. Какие проблемы могут быть связаны с использованием имплантатов, установленных под наклоном?
Отдельное внимание в этой и последующих статьях на сайте уделяется двум важным аспектам.
Во-первых, с точки зрения сохранения целостности и эффективного функционирования имплантата, клиницисты должны иметь базовое представление о нагрузках и деформациях, атакже влиянии, которую нагрузки и деформации оказывают на протез, имплантаты и костную ткань. Очевидно, что любой объект разрушается, если нагрузка и деформация превышают определенный показатель. В случае протеза с опорой на имплантаты несостоятельность любой из вовлеченных структур (кость, имплантаты или протез) подвергает опасности остальные структуры.
Известно несколько механизмов развития такой несостоятельности, а именно пластическая деформация, перелом и усталость структуры. (Основы механической несостоятельности описаны у Brunski и соавт., а также в некоторых источниках, указанных в списке литературы по ссылке ниже).
Прежде всего, следует уделять внимание анализу выраженности нагрузок и деформаций, которым подвергаются те или иные структуры, с учетом предельно допустимых для конкретных тканей и материалов. Несостоятельность тех или иных структур зависит от деформирующей нагрузки, пределов прочности на растяжение и компрессию, предела усталости, пластической деформации, критерия пластичности Мизеса и других причин. Точные значения конкретных параметров зависят от определенного материала. Понимание особенностей нагрузки позволяет оптимизировать конструкцию протеза и опорных элементов таким образом, что бы нагрузки и деформации, влияющие на них, не превышали пределов прочности.
Во-вторых, следует учитывать внешнее воздействие, которое приводит к нагрузкам и деформациям протеза, имплантатов и поддерживающей кости. Клиницист должен понимать и, по возможности, контролировать внешние силы, действующие на протез, имплантаты и кость.
Оба указанных аспекта позволяют сформулировать следующее биомеханическое обоснование использования имплантатов, установленных под наклоном к окклюзионной плоскости. При соблюдении адекватного протокола лечения (особенно с точки зрения правильного позиционирования имплантатов, выбора их размеров и регулирования нагрузки на имплантаты, установленные относительно прямо и (или) под наклоном) цель заключается в том, чтобы нагрузки и деформации не превышали пределов прочности протеза, имплантатов и кости. Представленные ниже примеры подтверждают, что установленные под наклоном имплантаты позволяют улучшить распределение нагрузки не только на них, но также на кость и протез.
Любое обсуждение «хорошего» и «плохого» положения имплантата в итоге сводится к анализу нагрузки и деформаций каждого элемента конструкции и поддерживающих структур.
Пример 1. Костная ткань вокруг имплантатов, установленных относительно прямо или под наклоном, подвергается воздействию одинаковой силы, но с разным вектором. На данном примере демонстрируются биомеханические преимущества и недостатки установки имплантатов относительно перпендикулярно или под наклоном к окклюзионной плоскости, с точки зрения показателя силы, момента силы и пластической деформации.
Рисунок 1. Анализ «вертикального» имплантата под «наклонной» нагрузкой по сравнению с «наклонным» имплантатом под «вертикальной» нагрузкой:
(а) Вертикальный имплантат выступает над костью на 5 мм, точка приложения силы (F) в наиболее выступающей части имплантата, вектор силы имеет наклон 30° к вертикальной оси. Сила F может быть разделена на две составляющих: одна направлена вдоль оси имплантата (Fосевая), а другая перпендикулярно ей (Fбоковая).
(b) На имплантат, установленный с наклоном 30°, действует вертикальная сила F. Имплантат выступает над костью на 5 мм (считая от проекции центральной оси имплантата). Сила F может быть разделена на две составляющих: одна направлена вдоль оси имплантата (Fосевая), а другая перпендикулярно ей (Fбоковая).
(с, d) Трехмерный анализ конечных элементов для ситуаций (а) и (b), соответственно.
(е, д) Контуры 1-й основной нагрузки (растяжение) в области вертикального и наклонного имплантатов в ситуациях (а) и (b), соответственно. Несколько большая нагрузка на растяжение (пиковая около 1152 ЕОД) в области вертикального имплантата. (f, h) Контуры 3-й основной нагрузки (растяжение) в области вертикального и наклонного имплантатов в ситуациях (а) и (b), соответственно. Пиковая нагрузка одинакова в обоих случаях (около -1919 ЕОД), но пространственное значение деформации больше в области имплантата, установленного с наклоном
Рассмотрим два одинаковых имплантата, установленных под разным наклоном (рис. 1а и 1с). На «прямой» (вертикально установленный) имплантат воздействовала «наклонная» сила 150 Н (под углом 30°), а на «наклоненный» (установленный под углом 30°) оказывалась «прямая» (вертикальная) сила 150 Н. Каждый имплантат выступал над поверхностью кости на 5 мм (по средней линии имплантата). Чем отличаются эти ситуации с точки зрения нагрузки на костную ткань и ее деформации? (Пластическая деформация кости и имплантата важнее, чем сама по себе нагрузка, которая к такой деформации приводит.)
Прежде всего, нагрузку 150 Н на каждый имплантат можно разделить на осевую и боковую направляющие (рис. 1а и 1с). Осевая и боковая составляющие действуют параллельно и перпендикулярно оси имплантата, соответственно. Анализ нагрузки показывает, что осевая составляющая для каждого имплантата одинакова: 150 cos(30°) Н = 129,9 Н. Боковая составляющая на каждый имплантат тоже одинакова и составляет: 150 sin(30°) Н = 75 Н. Кроме того, в обоих случаях нагрузка действует на поверхностную часть имплантата на расстоянии 5 мм от поверхности кости по длинной оси имплантата. Таким образом, сгибающий момент возникает на оси имплантата на уровне костной поверхности и составляет Fбоковая х 5 мм = (75 Н) х 5 мм = 375 Н • мм, или 37,5 Н • см.
Следовательно, прямой имплантат под боковой нагрузкой 150 Н подвергается такой же результирующей нагрузке, что и наклонный имплантат (30°), на который действует вертикальная нагрузка 150 Н.
Однако разница в двух обсуждаемых ситуациях заключается в особенностях геометрии контактирующей с имплантатом кости. Очевидно, что в области наклоненного имплантата кость по периметру контакта с ним имеет овальный контур, а в области установленного прямо - круглый. Эта разница объясняет тот факт, что даже при одинаковой нагрузке (осевая сила 129,9 Н, сгибающий момент 37,5 Н • см) пластическая деформация костной ткани (да и самого имплантата) отличается.
Трехмерный анализ конечных элементов двух обсуждаемых ситуаций представлен на рис. 1.
На рис. 1b и 1d показана идеализированная геометрия моделей для анализа конечных элементов в виде блока (20 х 20 х 20 мм) кортикальной кости с установленным (прямо или под наклоном) титановым имплантатом, на который оказывается нагрузка, причем блок находится на устойчивой опоре.
*Подробности трехмерного анализа методом конечных элементов представлены в таблице ниже. В целом, во всех случаях предполагается использование цилиндрических имплантатов диаметром 4 мм и полный контакт имплантата с костью. Также предполагается наличие изотропных эластических свойств кости, металлического каркаса протеза и имплантата.
Такие модели созданы исключительно для иллюстрации базовых аспектов, обсуждаемых в этой и последующих статьях на сайте, и не являются точной имитацией качеств костной ткани, контура резьбы имплантатов и т.д. Схема выраженности пластической деформации на рис. 1е и 4-1g отображает основную деформацию растяжения имплантатов и кости в обеих ситуациях. На рис. 1f и 1h показана компрессионная деформация. (Контуры деформации представлены на срезе через центральную ось имплантата в плоскости xz.)
Распределение деформаций в представленных ситуациях имеет как схожие черты, так и отличия. Схожесть заключается в том, что вне зависимости от положения имплантата пиковая деформация отмечается у поверхности блока. Например, при воздействии на прямо установленный имплантат силы под углом 30° деформация растяжения немного выше (приблизительно 1 х 10-3 = 0,1 % = 0,001, т.е. 1000 единиц относительной деформации [ЕОД] на уровне гребня) по сравнению с вертикальной нагрузкой на имплантат, установленный под углом 30°. Одно из отличий заключалось в том, что нагрузка на имплантат, установленный под углом, приводила к несколько большей компрессионной деформации (около -1,6 х 10-3 = -0,16% = -0,0016, т.е. -1600 ЕОД на уровне гребня). (Минус указывает на компрессионную деформацию.)
Несмотря на это небольшое различие, в представленных ситуациях отмечается значительное сходство, поскольку пиковая деформация растяжения или компрессионная деформация примерно одинакова (в пределах 1000-1600 ЕОД). Сами имплантаты подвергались небольшой деформации (400-600 ЕОД). Увеличение пластической деформации до 1000 ЕОД несущественно ни для костной ткани, ни для титана. Для более подробного анализа с показателями значимых деформаций см. Bronski и соавт.
В заключение обсуждения данного примера можно сделать вывод о приблизительно одинаковой нагрузке на имплантаты, установленные вертикально или под углом до 30°, при определенных видах воздействующих на них сил. Однако при воздействии других сил такие имплантаты могут вести себя по-разному. Как бы то ни было, представленный пример подтверждает отсутствие каких-либо «заведомых» преимуществ имплантатов, установленных относительно вертикально. Многое зависит от особенностей каждого имплантата и критериев, которые используются при определении «преимуществ». При воздействии силы 150 Н на имплантаты, установленные относительно вертикально или под наклоном, пластическая деформация костной ткани находится в пределах 1000-2000 ЕОД.
