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 S_u 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.