Análise biomecânica através do método dos elementos finitos de implantes dentários com gradiente funcional de propriedades

Abstract

Implantes dentários têm como função a substituição de dentes naturais que foram perdidos naturalmente ou devido a doenças ou traumas, sendo fixados diretamente no osso, garantindo excelente conforto e saúde bucal para os pacientes. Implantes dentários são feitos tradicionalmente de titânio, mas outros materiais, como zircônia e PEEK, têm se mostrado como ótimas alternativas a materiais metálicos. Em conjunto com esses materiais, que são bioinertes, materiais bioativos, como o biovidro, podem ser utilizados, acelerando o crescimento ósseo e a integração entre osso e implante. O objetivo deste trabalho é verificar a influência do ponto de vista biomecânico do material utilizado no implante e do revestimento de biovidro no processo de osseointegração dos implantes dentários utilizando o método dos elementos finitos. Para isso foram simulados implantes dentários de zircônia (E=210 GPa), PEEK (E=4,2 GPa) e PEEK reforçado com fibras de carbono (CFPEEK) (E=24 GPa) fixados no osso mandibular e submetidos a um esforço mecânico próximo ao da mastigação humana. Foram testados implantes sem revestimento de biovidro, com revestimento de 100 µm de espessura e com uma camada com gradiente de propriedades com quatro diferentes composições. Foi avaliado o estado de tensões e deformações do implante e do osso, que possui relação direta com a osseointegração. Em relação aos implantes sem revestimento, os resultados mostraram que as tensões atingidas nos implantes de zircônia e CFPEEK (69,1 MPa e 76,6 MPa, respectivamente) ficaram bastante abaixo de seus limites de resistência, enquanto no implante de PEEK (96,0 MPa) houve a formação de tensões elevadas que podem levar à fratura do implante. O revestimento de biovidro causou uma pequena diminuição nas tensões no implante de zircônia, para 64,3 MPa, sendo benéfica. A utilização do conceito de gradiente melhorou a distribuição de tensões, com o modelo com composição rico em zircônia apresentando melhores resultados, diminuindo a tensão máxima para 56,0 MPa. No entanto, nos implantes de PEEK e CFPEEK, devido ao módulo elástico mais baixo em relação ao biovidro, houve a formação de tensões deletérias na camada do vidro bioativo, tanto no revestimento convencional quanto no com gradiente, ultrapassando 352 MPa e 159 MPa para o PEEK e CFPEEK, respectivamente, para qualquer composição do revestimento. Em relação às tensões e deformações no osso, não foi possível chegar ao resultado otimizado em relação aos três materiais testados devido a resultados divergentes entre o osso cortical e trabecular. No entanto, os resultados destes três materiais foram satisfatórios, com valores de tensão e deformação dentro de uma região em que há crescimento ósseo. Não houve influência significativa da camada de biovidro na osseointegração ativada mecanicamente, o que pode ser considerado positivo, visto que esta camada tem efeitos comprovadamente positivos do ponto de vista bioquímico.

Abstract : Dental implants replace natural teeth that have been lost naturally or due to illness or traumas. Unlike other techniques, dental implants are fixed surgically in to the jawbone, resulting in excellent comfort and oral health for the patients. Dental implants are traditionally made of titanium, but other materials, such as zirconia and PEEK, have proven to be great alternatives to metallic materials. Together with these materials, which are bioinerts, bioactive materials, such as bioglass, can be used to accelerate bone growth and bone-implant integration. The objective of this work is to evaluate the influence of the material used in the implant and the bioglass coating in the stress state and in the process of osseointegration of dental implants using the finite element method. Dental implants made of zirconia (E=210 GPa), PEEK (E=4,2 GPa) and PEEK reinforced with carbon fibers (CFPEEK) (E=24 GPa) were simulated fixed to the jawbone and submitted to a mechanical loading close to that of human chewing. Implants without bioglass coating, with coating and with a gradient layer of properties with four different material distributions were tested. The stress and deformation state of the implant and the bone, which has a direct relation to osseointegration, was evaluated. Regarding the uncoated implants, the results showed that the maximum stresses reached in the zirconia and CFPEEK implants (69,1 MPa and 76,6 MPa, respectively) were below their mechanical strength, while in the PEEK implant (96,0 MPa) there was the formation of high stresses that could lead to fracture of the implant. The bioglass coating induced to a small decrease in zirconia stress to 64,3 MPa and it was beneficial. The use of the gradient of composition improved the stress distribution, with the zirconia rich distribution showing better results decreasing the maximum stress to 56,0 MPa. However, in the PEEK and CFPEEK implants, due to their lower elastic modulus in relation to the bioglass, deleterious stresses were generated in the bioactive glass layer, both in the conventional and gradient coating, surpassing 352 MPa and 159 MPa for the PEEK and CFPEEK models, respectively, for any coating composition. Regarding the stresses and deformations in the bone, it was not possible to reach the optimized result in relation to the three materials tested due to the divergent results between the cortical and trabecular bone. However, the three materials achieved satisfactory results, with values of stress and strain within the ideal range where there is bone growth. There was no significant influence of the bioglass layer on the mechanically activated osseointegration, which can be considered positive, since this layer has proven to be beneficial on the biochemical side.