Биомеханический анализ кламмерной системы фиксации протеза-обтуратора
Автор: Шулятникова О.А., Рогожников Г.И., Леонова Л.Е., Лохов В.А., Шулятьев А.Ф., Мозговая Л.А.
Журнал: Российский журнал биомеханики @journal-biomech
Статья в выпуске: 3 (77) т.21, 2017 года.
Бесплатный доступ
Рост уровня травматизма с повреждением челюстно-лицевой области и количества больных с наличием новообразований челюстных костей приводит к развитию стойких эстетико-функциональных нарушений, тяжесть которых определяется объемом дефекта. Наибольшую трудность при ортопедическом лечении представляют приобретенные дефекты верхней челюсти с наличием ороназальное сообщения, когда приходится решать вопросы фиксации протеза, восполнения функциональной и эстетической целостности зубочелюстной системы, создания герметизма на границе сообщения полости рта с полостью носа. Статья посвящена биомеханическому анализу напряженно-деформированного состояния в зубочелюстной системе человека, вызванного установкой протеза-обтуратора. Предложено изготавливать протез из полиамидного материала Vertex ThermoSens с добавлением наноразмерного диоксида титана в количестве до 1 мас. %. Особое внимание уделено оценке влияния окклюзионной накладки кламмера на распределение напряжений в зубе при действии максимальных окклюзионных нагрузок. Расчеты проведены на основе линейной теории упругости для изотропного тела. Геометрия расчетной области построена на основе 3D-сканирования протеза-обтуратора. В результате расчетов дано обоснование кламмерной системы фиксации протеза-обтуратора с использованием данного материала, выполненной по типу опорно-удерживающего кламмера. Полученные напряжения были меньше, чем максимально допустимые напряжения в материале. На границе зуб-плечо кламмера также не было зафиксировано критических напряжений.
Протез-обтуратор, кламмер, метод конечных элементов
Короткий адрес: https://sciup.org/146282063
IDR: 146282063 | DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2017.3.01
Текст научной статьи 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.
Список литературы Биомеханический анализ кламмерной системы фиксации протеза-обтуратора
- Бетельман А.И. Ортопедическая стоматология. - М.: Медицина, 1965. - 411 с.
- Кислых Ф.И., Рогожников Г.И., Кацнельсон М.Д., Асташина Н.Б., Комлев В.В. Лечение больных с дефектами челюстных костей. - М.: Медицинская книга, 2006. - 196 с.
- Копецкий И.С. Огнестрельные ранения челюстно-лицевой области мирного времени // Вестник РГМУ. - 2012. - № 1. - С. 12-15.
- Летягина Р.А., Шулятникова О.А. Ортопедическая реабилитация пациентов после удаления части верхней челюсти по поводу новообразования // Материалы XIX Международной научной конференции «Онкология - XXI век», V Итало-российской научной конференции по онкологии и эндокринной хирургии, XIX Международной научной конференции «Здоровье нации - XXI век»
- апреля - 3 мая 2015 г. - Светлогорск, 2015. - С. 194-199.