Биомеханический анализ пострезекционного протеза-обтуратора, изготовленного из полиамида, армированного наноструктурированным диоксидом титана
Автор: Шулятникова О.А., Рогожников Г.И., Лохов В.А., Шулятьев А.Ф.
Журнал: Российский журнал биомеханики @journal-biomech
Статья в выпуске: 4 (74) т.20, 2016 года.
Бесплатный доступ
Представлен пострезекционный протез-обтуратор для верхней челюсти человека, изготовленный из полиамида. Авторами предложено армирование полиамида VertexThermoSens наноструктурированным диоксидом титана в количестве до 1 мас. %. Новый материал снижает уровень развития патогенной биофлоры на протезе и улучшает качество ортопедического лечения пациентов с приобретенными дефектами верхней челюсти за счет снижения возможных осложнений воспалительного характера. Проведены исследования механических свойств полученного материала с помощью электромеханической системы Instron 5965. Испытания проведены по ГОСТу 31572-2012, скорость нагружения составила 5 мм/мин. Нагружение осуществлялось до достижения перемещением значения 4 мм, после чего испытание останавливалось, образец разгружался и вынимался из приспособления. Определены модуль Юнга и максимальные напряжения армированного полиамида. Выполнено сравнение свойств нового материала с акриловой пластмассой. Поставлена задача линейной теории упругости для протеза-обтуратора в рамках малых деформаций. Задача решена методом конечных элементов. Для построения 3D-модели протеза использован сканер Artec Eva. В результате показано, что данный протез обладает необходимыми механическими свойствами и способен выдержать функциональные нагрузки. На основании исследований предложенный материал может быть рекомендован для использования в клинической практике при изготовлении сложночелюстных протезов и аппаратов.
Протез-обтуратор, наноструктурированный диоксид титана, полиамид, метод конечных элементов
Короткий адрес: https://sciup.org/146216216
IDR: 146216216
Текст научной статьи Биомеханический анализ пострезекционного протеза-обтуратора, изготовленного из полиамида, армированного наноструктурированным диоксидом титана
Проблема ортопедического лечения больных с дефектами челюстно-лицевой области не теряет своей актуальности, несмотря на значительные успехи в области реконструктивной хирургии. Так, приобретенные дефекты челюстно-лицевой области,

a б
Рис. 1. Изображение дефекта верхней челюсти ( а ), протез-обтуратора ( б ) приводящие к эстетико-функциональным нарушениям и требующие дальнейшей стоматологической ортопедической реабилитации пациентов, составляют 55 % случаев от общего колличества [4] .
У данной категории пациентов наибольшую трудность на ортопедическом этапе лечения представляют дефекты верхней челюсти с наличием ороназального (между носовой и ротовой полостью) сообщения, которые чаще всего возникают как следствие операций по поводу новообразований (рис. 1, а ) [5] . При этом значительный по размеру дефект костной ткани верхней челюсти предполагает создание объемных протезов-обтураторов (протез, закрывающий верхнее небо) с расширенными границами (рис. 1, б ), что ведет к увеличению веса изготовленной конструкции, ухудшая фиксацию и стабилизацию протеза, приводя к перегрузке оставшихся зубов.
Растущий интерес к стоматологическому материаловедению базисных полимеров привел к разработке таких материалов, как поликарбонат, термопласт, карбодент, полистирол, полиуретан, имеющих несомненную ценность в ортопедической стоматологии [1] . Тем не менее до сих пор 98 % съемных ортопедических конструкций выполнены из акриловой пластмассы [3] , имеющей ряд недостатков в виде наличия остаточного мономера, усадки в процессе изготовления протеза, невысоких прочностных характеристик, дезинтеграции структуры при использовании, наличия малоэстетичных металлических элементов фиксации протеза [7] .
В связи с этим в настоящее время продолжаются поиск и разработка вариантов улучшения физико-механических характеристик конструкционных полимерных материалов неакриловой природы.
Внимание авторов по совокупности своих физико-механических характеристик привлек термопластичный полиамид Vertex ThermoSens, применяемый для изготовления базисов съемных конструкций. Отсутствие остаточного мономера, возможность проведения лабораторной коррекции (перебазировки) протезов, минимальная усадка до 1 % в процессе термопрессования конструкций (для акриловых пластмасс усадка составляет до 8 %), высокая плотность термопластов в сочетании с малым удельным весом (1,04 г / см3), в то время как у сплавов металла удельный вес составляет от 7 г/см3 и более, а у акриловых пластмасс – 1,20 г/см3, отсутствие металлических конструкционных элементов можно рассматривать как преимущесттва в случае изготовления сложночелюстных протезов для пациентов с дефектами челюстных костей. При этом представляется возможным снизить нагрузку на зубы здоровой половины челюсти за счет применения дентоальвеолярных кламмеров, облегчить вес сложночелюстного протеза с возможностью изготовления точных, эстетичных, комфортных в использовании конструкций с наименьшей пористостью, сводящей к минимуму возможность фиксации микробной пленки на конструкционном материале.
Анализ литературных источников свидетельствует об увеличении на 30 % предела прочности при растяжении полимерного материала в случае введения в его состав нанотрубок диоксида титана [6] . В связи с этим для улучшения прочностных характеристик предложенного конструкционного материала при изготовлении сложночелюстных протезов-обтураторов, испытывающих повышенные нагрузки в условиях функционирования, на этапе термопрессования выполнено армирование базисного материала путем введения в него наноструктурированного порошка диоксида титана в количестве до 1 мас. % (заявка № 2016139173 от 05.10.2016 г.).
Таким образом, целью данной статьи является биомеханический анализ напряженно-деформированного состояния в протезе–обтураторе на верхнюю челюсть, выполненном из полиамидного конструкционного материала, армированного наноструктурированным диоксидом титана.
Постановка задачи
В данной работе решена задача о прочности элементов протеза. В качестве исследуемой области берется фрагмент протеза-обтуратора (рис. 2). На границах области задаются условия на перемещения и нагрузки.
Биомеханическая модель построена при следующих допущениях:
-
1) материалы протеза однородны и изотропны;
-
2) среда сплошная, начальные напряжения отсутствуют;
-
3) небная часть жестко закреплена со стороны верхней челюсти;
-
4) к зубной части приложена распределенная нагрузка.
Использована классическая постановка задачи механики упругого изотропного тела, состоящая из уравнений равновесия, геометрических соотношений Коши и закона Гука:
V-о = 0, r е V, е = 1 (Vu + AuT ), r е V,(2)
о = C --е, r е V,(3)

где V – область пространства, занятая телом, V = V ∪ 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. 2. Граница S σ подвержена равномерному жевательному давлению, действующему вдоль вертикальной оси, граница Su жестко закреплена.
n • о = p , r e 5 ^ , (4) u = 0, r e S u . (5)
Жевательное усилие p взято из таблицы и равномерно распределено по поверхности S σ . Материал считается изотропным.
Максимальная сила сжатия парами зубов антагонистов [2]
Группа испытуемых |
Сила сжатия, Н |
|||
первый премоляр |
второй премоляр |
первый моляр |
второй моляр |
|
Мужчины |
400 |
400 |
720 |
680 |
Женщины |
260 |
260 |
460 |
450 |
Материалы и методы
Для изучения биомеханики протеза-обтуратора применялся метод конечных элементов. Построение расчетной конечно-элементной модели включало выполнение следующих этапов:
-
1) определение механических свойств материалов;
-
2) построение геометрической модели;
-
3) создание конечно-элементной сетки;
-
4) задание граничных условий: условий закрепления, силовых воздействий.
Модель включает в себя конструкцию протеза, разделенную на две части: зубную и небную.
Для исследования механических свойств материала проведены испытания на трехточечный изгиб. Было отобрано две группы образцов полосок. Первая группа – полимерный материал Vertex ThermoSens , вторая – Vertex ThermoSens с добавлением нанотрубок на основе диоксида титана TiO 2 .
Испытания проводились на электромеханической системе Instron 5965 с максимальным развиваемым усилием 5 кН.
Основой для методики испытания послужил стандарт ГОСТ 31572–2012 «Материалы полимерные для базисных зубных протезов. Технические требования. Методы испытаний». Скорость нагружения составляла 5 мм/мин. Нагружение осуществлялось до достижения перемещением значения 4 мм, после чего испытание останавливалось, образец разгружался и вынимался из приспособления.

Рис. 3. Сравнение механических свойств используемых материалов, данные для образцов с оксидом титана и без него получены экспериментально, а для акриловой пластмасы взяты из работы [2]: 1 – образец без TiO 2 , 2 – образец с TiO 2 ,
3 – акриловая пласмасса

б
а
Рис. 4. Расчетные трехмерные модели: а – со сканера; б – конечно-элементная

а

б
Рис. 5. Результаты: а – поле перемещений; б – поле эквивалентных напряжений
В результате испытаний были получены зависимости сила–прогиб. В дальнейшем был осуществлен переход к зависимостям напряжения–деформация. Определены модуль Юнга и максимальные напряжения. Анализируя полученные данные, необходимо отметить большие величины максимальных напряжений и модуля Юнга второго материала. Максимальные напряжения выше на 8,4 %, а модуль Юнга на 7,2 % по сравнению с первым материалом.
Механические свойства акриловой пластмассы были взяты из справочной литературы [2] .
Для создания трехмерной (3D) модели твердого тела изготовлен протез. С помощью 3D-сканера Artec Eva была получена серия снимков протеза (рис. 4, а ). Затем снимки со сканера были обработаны и использованы для расчета. Построение конечно-элементной трехмерной модели на основе CAD-модели и ее анализ производились с помощью специализированного программного пакета ANSYS Workbench . Число элементов и узлов составило 342 873 и 202 893 соответственно (рис. 4, б ).
Результаты
Расчеты были произведены методом конечных элементов с описанными выше структурой протеза, нагрузками и свойствами. Напряжения сжатия и растяжения, сдвиговые напряжения объединялись и анализировались с использованием напряжений по Мизесу.
Анализ максимального перемещения протеза показал достаточную стабильность, перемещения составили 0,37 мм (рис. 5, а ). При анализе эффективных напряжений можно отметить следующие закономерности. Наиболее опасная область возникает на дуге, замещающей костную ткань верхней челюсти (рис. 5, б ). Максимальные напряжения составили 80 МПа. Уровень максимальных напряжений, полученных в данной работе, находится в пределах условий прочности. В целом, деформация и напряжения соответствуют физически предполагаемому представлению о напряженно-деформированном состоянии протеза.
Заключение
Биомеханические расчеты модели протеза-обтуратора на верхнюю челюсть, изготовленного из термопластичного материала Vertex ThermoSens , с введенным наноструктурированным диоксидом титана, показали прочностные характеристики, соответствующие требованиям ГОСТ 31572–2012 «Материалы полимерные для базисных зубных протезов. Технические требования. Методы испытаний» и международному стандарту ISO 1567:1999 Dentistry – Denturebasepolymers
(Стоматология. Полимеры для базисов зубных протезов).
Наноструктурированный диоксид титана, введенный в базис конструкционного материала, обладая свойством ингибирования образования микробной пленки, улучшает качество ортопедического лечения пациентов с приобретенными дефектами верхней челюсти за счет снижения количества возможных осложнений воспалительного характера.
Гипоаллергенность, малый удельный вес, достаточная прочность, отсутствие остаточного мономера и металлических конструкционных элементов протеза позволяют рекомендовать данный материал для изготовления сложночелюстных протезов и аппаратов.
Список литературы Биомеханический анализ пострезекционного протеза-обтуратора, изготовленного из полиамида, армированного наноструктурированным диоксидом титана
- Арутюнов А.С., Кицул И.С., Лебеденко И.Ю. Комплексный подход к реабилитации пациентов с челюстно-лицевыми дефектами//Стоматолог. -2008. -№ 8. -С. 2-4.
- Бетельман А.И. Ортопедическая стоматология. -М.: Медицина, 1965. -411 с.
- Зотов А.И., Демченко Д.Н. Базисные полимеры, применяемые в стоматологии для изготовления съемных пластиночных протезов и аппаратов//Молодой ученый. -2015. -№ 13. -С. 270-274.
- 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.
- Летягина Р.А., Шулятникова О.А. Ортопедическая реабилитация пациентов после удаления части верхней челюсти по поводу новообразования//Онкология -XXI век: материалы XIX Международной научной конференции, Светлогорск, 28 апреля -3 мая 2015. -Пермь, 2015. -С. 194-199.
- Лукьянов С.И., Бандура А.В., Эварестов Р.А. Температурная зависимость модуля Юнга нанотрубок на основе диоксида титана TiO2: молекулярно-механическое моделирование//Физика твердого тела. -2015. -Т. 57, № 12. -С. 2391-2399.
- Нидзельский М.Я., Крынычко Л.Р., Кузнецов В.В. Дезинтеграция структуры в стоматологических протезах, изготовленных из акриловых пластмасс, в процессе пользования ими по данным электронной микроскопии//Современная стоматология. -2013. -№ 2.-С. 88-90.
- Тропин В.А., Лохов В.А., Старкова А.В., Асташина Н.Б. Биомеханический анализ мостовидного протеза для замещения дефектов зубного ряда, осложненных вторичными деформациями//Российский журнал биомеханики. -2015. -Т. 19, № 2. -C. 177-185.