Биомеханический анализ кламмерной системы фиксации протеза-обтуратора

Неуклонно растущий уровень новообразований челюстно-лицевой области обусловливает актуальность проблемы лечения и реабилитации пациентов с приобретенными дефектами челюстных костей [3, 12] . При этом более чем в половине случаев возникающие эстетико-функциональные нарушения требуют стоматологической реабилитации пациентов [2, 11] . Определенную трудность на ортопедическом этапе лечения имеют дефекты с нарушением целостности верхней челюсти, особенно при наличии ороназального сообщения [6] (рис. 1, 2).

За период 2013–2016 гг. сотрудниками кафедры ортопедической стоматологии на базе стоматологической клиники ПГМУ им. академика Е.А. Вагнера (гл. врач – О.В. Поздеева) проведен анализ структуры пациентов, обратившихся за помощью по поводу приобретенных дефектов и деформаций челюстно-лицевой области. При этом повреждения верхней челюсти составили 13,5% от общего количества обратившихся пациентов. Оказание ортопедической помощи данной категории пациентов требует решения следующих задач: восполнение эстетических и функциональных параметров; решение вопроса о прочностных характеристиках конструкционного материала и способе фиксации сложночелюстного протеза.

При наличии ороназального сообщения возникает дополнительная задача: создание достаточного герметизма на границе сообщения полости рта и полости носа [4] .

По мнению авторов, наиболее полно с представленными задачами справляется группа полиамидных материалов, а именно Vertex ThermoSens (Vertex-Dental B.V. , Нидерланды; ISO -сертификат 9001:2008), обладающих рядом привлекательных свойств. Предварительно проведенные нами исследования свидетельствуют об увеличении прочностных характеристик данного конструкционного материала при введении в его состав наноразмерного диоксида титана в количестве до 1 мас.%, а также ингибирующих свойств образования микробной пленки на поверхности модифицированного конструкционного материала [7, 10, 13]. Было интересно обосновать его использование для изготовления протезов-обтураторов с позиций биомеханического моделирования [9] . В связи с тем что традиционно используемые гнутые кламмеры имеют ряд общеизвестных недостатков [8] , особый интерес представляет обоснование кламмерной системы фиксации с использованием данного базисного материала с введенным в состав наноразмерным диоксидом титана и выполненной по типу опорно-удерживающего кламмера.

Рис. 1. Дефект верхней челюсти

Рис. 2. Протез-обтуратор

Таким образом, целью данного исследования явилась оценка влияния окклюзионной накладки кламмера на распределение напряжений в зубе под действием максимальных окклюзионных нагрузок.

Постановка задачи

В данной задаче рассмотрен опорно-удерживающий кламмер в протезе-обтураторе из полимерного материала Vertex ThermoSens с добавлением наноразмерного диоксида титана TiO 2 (см. рис. 2). Статическая окклюзионная нагрузка применялась к двум моделям: в одном случае с окклюзионной накладкой, в другом – без нее (рис. 3).

Использована классическая постановка задачи механики упругого изотропного тела, состоящая из уравнений равновесия, геометрических соотношений Коши и закона Гука:

V-о = 0, r е V,(1)

е = -|(vu + AuT), r е V, о = C --е, r е V, где V - область пространства, занятая телом, V = V u S (S - граница тела); σ – симметричный тензор напряжений; r – радиус-вектор точки; ε – тензор малой деформации; u – вектор перемещений; C – тензор четвертого ранга упругих модулей.

Граничные условия схематично показаны на рис. 3. Граница S подвержена сосредоточенной нагрузке F , действующей вдоль вертикальной оси. Нижняя часть зуба и протеза S была закреплена во всех направлениях.

n - о = F , r е S _с ,                                    ⁽⁴⁾

u = 0, r ^е S u .                                         ⁽⁵⁾

S u а

Окклюзионная накладка

Опорно-удерживающий

S         кламмер

б

Рис. 3. Схема граничных условий: а – без окклюзионной  накладки ;

б – с применением окклюзионной накладки

Материалы и методы

Построение конечно-элементной трехмерной модели на основе CAD -модели и ее анализ производились с помощью специализированного программного пакета ANSYS Workbench . Для построения трехмерной модели была использована модель протеза-обтуратора с отсечением не влияющих на расчет частей. В модель был добавлен компонент – зуб (рис. 4).

Рис. 4. Трехмерная модель

Основным фактором, влияющим на напряженно-деформированное состояние, является вертикальная окклюзионная нагрузка [7]. В модели с использованием окклюзионной накладки нагрузка прикладывалась непосредственно на ее поверхность.

Во втором варианте использовалась нагрузка, которая распределялась на определенную ограниченную область зуба. Значение усилия использовалось из литературных данных и составило 720 Н [1].

Модель была разбита на конечные элементы. Количество элементов и узлов представлено в табл. 1.

Материалы считаются изотропными. Материал для протеза был выбран Vertex ThermoSens с добавлением наноразмерного диоксида титана TiO 2 . Исследовались материалы с соответствующими величинами модуля Юнга E и коэффициента Пуассона μ (табл. 2).

Таблица 1

Количество узлов и элементов

Компонент	Количество элементов	Количество узлов
Зубы	10 360	18 366
Протезная часть	18 831	32 730

Механические свойства

Таблица 2

Компонент	Модуль Юнга E , MПa	Коэффициент Пуассона μ
Зубы	47 600	0,27
Протезная часть	1100	0,3

Результаты

Напряжения сжатия и растяжения, сдвиговые напряжения объединялись и анализировались как скалярное эквивалентное напряжение Мизеса, или интенсивность напряжений. На рис. 5 представлена интенсивность напряжений, возникающих в зубе после нагрузки.

а                                             б

Рис. 5. Поле эквивалентных напряжений в зубе: а – с окклюзионной накладкой; б – без окклюзионной накладки

Максимальные напряжения в конструкции с окклюзионной нагрузкой были определены в зоне контакта с накладкой и равны 35 МПа. Для модели без накладки эквивалентные напряжения составили 39 МПа. Окклюзионная накладка позволяет снизить напряжения в зубе на 11 %, что является более физиологичным при окклюзионной нагрузке и щадящим при наличии дефекта костной ткани верхней челюсти. Если рассмотреть напряжения в самой окклюзионной накладке, то они составили 6 МПа. Данные напряжения меньше, чем максимально допустимые, т.е. выполняется условие прочности. На границе «зуб – плечо кламмера» также не было замечено критических напряжений. Уровень поля напряжений соответствует уже проведенным исследованиям нагружения зуба окклюзионными нагрузками[14–16].

Максимальные деформации определены в области нагрузки и равны 0,001, что говорит о достаточной стабильности и хорошей фиксации конструкции.

Заключение

С использованием конечно-элементного анализа в этом исследовании было оценено распределение напряжений на поверхности зуба под действием окклюзионной нагрузки. Рассматривалось воздействие на зуб через окклюзионную накладку и прямое воздействие. На основе экспериментальных условий можно сделать следующие выводы: использование полиамидного материала Vertex ThermoSens с введенным в состав наноразмерным диоксидом титана показало положительные прочностные характеристики базисного конструкционного материала, которые соответствуют требованиям ГОСТ 31572-2012 «Материалы полимерные для базисных зубных протезов. Технические требования. Методы испытаний» и международному стандарту ISO 1567:1999 Dentistry – Denture base polymers (Стоматология. Полимеры для базисов зубных протезов); окклюзионная накладка уменьшает распределение напряжений в зубе, не нарушая фиксацию и стабилизацию протеза, не подвержена разрушению при повышенных нагрузках. Дополнительно к проведенным биомеханическим расчетам имеется практическая возможность изготовления прочного, облегченного и эстетичного сложночелюстного протеза без металлических частей в конструкции, не препятствующего, при необходимости, проведению лучевой терапии у пациентов с онкологическими заболеваниями и способствующего скорейшей социальной адаптации пациентов, что в конечном счете улучшает качество лечения пациентов с приобретенными дефектами верхней челюсти на ортопедическом этапе в комплексном специализированном лечении.

заявка № 2016139173 от 05.10.2016 г.; опублик.: 18.07.2017. – Бюл. № 20.