Evaluation of dental implants with internal hexagonal connection for resistance to fatigue
Michel Aislan Dantas SOARES1, Esther Rieko TAKAMORI2
Avaliação de implantes dentais com conexão
do tipo hexágono interno quanto à resistência à fadiga
1. Especialista em Engenharia Industrial. Coordenador de Engenharia de Desenvolvimento, SIN – Sistema de Implante, São Paulo, SP, Brasil.
2. Doutora em Odontologia (Estomatologia Biologia Oral). Professora, uNIGRANRIO, Duque de Caxias, RJ, Brasil.
Endereço para correspondência:
Esther Rieko Takamori Escola de Ciências da Saúde Rua Prof. José de Souza Herdy, 1.160 25 de agosto
25071-202 – Duque de Caxias – Rio de Janeiro – Brasil CEP 25071-202
E-mail: esther.takamori@gmail.com
Recebido: 06/06/2011 Aceito: 30/08/2011
AbstrAct
Pure titanium dental implants due to its mechanical performance and corrosion resistance, are widely used in rehabilitation of partially or totally edentulous patients. Despite the high success rates, clinical studies have shown that the final result may be compromised as a result of both biological and mechanical causes. Dental implants may fail due to fatigue. This failure occurs due to cyclic loads of the masticatory process. The fracture of metallic materials is the separation in different parts of the elements adapted to dental implants due to the application of extrinsic loads, which can be induced by applying loads slow for tension, compression, bending and torsion. The fracture can occur by impact or by loads of varying intensity acting for long periods. To determine the limit of resistance to ensure that the life of a product is estimated by means of mechanical tests, standardized tests are used by International Organization for Standardization - ISO. The fatigue strength of dental implants is performed according to standard the standard
“ISO 14801:2007 Dentistry - Implants - Dynamic fatigue test endosseus dental implants.” Implants with a diameter of 3.8 mm diameter and 13 mm length with internal hexagon connection (SIN, - Sistema de Implante, São Paulo, SP, Brazil) were used as specimens for mechanical tests of compression and fatigue. Implants were installed above the abutments cemented with a diameter of 3.8 mm and 2 mm of height collar. The values obtained in compression and fatigue tests, respectively 847 N e 167,4 N, are compatible with the values presented in the literature.
Key words: Dental implants. Titanium. Dental prosthesis.
RESUMO
Implantes dentais de titânio puro, devido ao seu desempenho mecânico e resistência à corrosão, são amplamente utilizados na reabilitação de pacientes edêntulos parciais ou totais. Apesar das altas taxas de sucesso, estudos clínicos têm mostrado que o resultado final pode ser comprometido em decorrência, tanto de causas biológicas como mecânicas. Os implantes dentais podem apresentar falhas por fadiga. Esta falha ocorre devido a carregamentos cíclicos do processo mastigatório. A fratura dos materiais metálicos consiste na separação em diversas partes dos elementos adaptados nos implantes dentários devido à aplicação de cargas extrínsecas, as quais podem ser induzidas, através da aplicação de cargas lentas por tração, compressão, flexão e torção. A fratura pode ocorrer por impacto ou por cargas de intensidades variadas que atuam durante longos períodos.
Para determinar este limite de resistência, a fim de que a vida útil de um produto seja estimada por meio de testes mecânicos, são utilizados ensaios padronizados por normas da International Organization for Standardization - ISO. A resistência à fadiga em implantes dentais é realizada conforme padrões da norma
“ISO 14801:2007 Dentistry – Implants – Dynamic fatigue test endosseus dental implants”. Implantes com diâmetro de 3,8 mm e comprimento de 13 mm com conexão hexágono interno (SIN – Sistema de Implante, São Paulo, SP, Brasil) foram utilizados como corpos de prova para ensaios mecânicos de compressão e fadiga.
Acima dos implantes foram instalados abutments cimentados com diâmetro de 3,8 mm e altura de cinta de 2 mm.
Palavras-chave: Implantes dentários. Titânio. Prótese dentária.
O titânio, tanto puro como na forma de liga, tem sido utilizado como material de escolha em muitas aplicações médicas por sua excelente combinação de performance mecânica e resistência à corrosão18.
Implantes dentais de titânio puro osseointegráveis são amplamente utilizados na reabilitação de pacientes edêntulos parciais ou totais, resultando em soluções protéticas altamente funcionais e estéticas.
A maioria dos sistemas de implante dental consiste de dois componentes:
o implante, instalado no endósteo, durante a fase cirúrgica, e o abutment, uma conexão transmucosa, que é colocada para dar suporte à restauração protética. Durante a mastigação e mordida, a restauração protética e a conexão abutment do implante são afetadas por várias forças fisiológicas28.
Apesar das altas taxas de sucesso nas reabilitações com implantes dentais, tem se observado que pode haver comprometimento das mesmas, em decorrência de causas biológicas ou mecânicas16.
A falha de implantes dentais, além de poder estar relacionada a defeitos ou falhas introduzidas durante o seu desenho ou produção3, também podem ser atribuída à solução incorreta e um caso clínico, como a utilização inadequada de desenho e/ou dimensões26 para uma determinada região (anterior ou posterior) da maxila ou mandíbula3,20. O planejamento inadequado do número de implantes, arranjo, posição e inclinação, combinados à adaptação inadequada da infraestrutura ao implante podem ser considerados como causas adicionais de falha1,22,27,29, pois frequentemente levam à sobrecarga dos implantes11. Além disso, condições oclusais, tais como hábitos parafuncionais ou forças oclusais excessivas, foram identificados como causas adicionais de fratura do implante5.
O assentamento passivo e selamento entre implante e abutment são fatores que aumentam a resistência contra falha mecânica da conexão.
Forças de carga dinâmicas, durante a função fisiológica, que não excedam a resistência máxima de uma conexão abutment de implante ou mesmo que estejam muito abaixo da mesma, entretanto, podem, ainda assim, levar a perda da conexão abutment implante gradualmente ou podem fazê-la falhar lentamente devido à falha mecânica por fadiga6.
Fadiga é a ruptura de componentes, sob uma carga inferior à carga máxima suportada pelo material, devido a solicitações cíclicas.
A ruptura por fadiga começa a partir de uma trinca (nucleação) ou pequena falha superficial, que se propaga ampliando seu tamanho, devido às solicitações cíclicas. Quando a trinca aumenta de tamanho, o suficiente para que o restante do material não suporte mais o esforço que está sendo aplicado, a peça se rompe repentinamente28.
Os implantes dentais podem apresentar falhas por fadiga. Esta falha ocorre devido a carregamentos cíclicos do processo mastigatório. A fratura dos materiais metálicos consiste na separação em diversas partes dos elementos adaptados nos implantes dentários devido à aplicação de cargas extrínsecas, as quais podem ser induzidas, através da aplicação de cargas lentas por tração, compressão, flexão e torção. A fratura pode ocorrer por impacto ou por cargas de intensidades variadas que atuam durante longos períodos.
Quando as condições biomecânicas são favoráveis os elementos de fixação sofrem boa resistência à fadiga.
Para determinar este limite de resistência, a fim de que a vida útil de um produto seja estimada por meio de testes mecânicos, são utilizados ensaios
MATERIAL E MÉTODOS
Implantes com diâmetro de 3,8 mm e comprimento de 13 mm com conexão hexágono interno (SIN – Sistema de Implante, São Paulo, SP, Brasil) foram utilizados como corpos de prova. Acima dos implantes foram instalados abutments cimentados com diâmetro de 3,8 mm e altura de cinta de 2 mm.
Utilizou-se esse modelo de implante por possuir o menor diâmetro entre os demais modelos desse sistema, podendo ser aplicado a regiões estéticas onde a busca por implantes com menor diâmetro se torna uma necessidade evidente.
Figura 1 – Secção resistente dos implantes com 3,8 mm de diâmetro, 13 mm de comprimento e conexão do tipo hexágono interno (SIN – Sistema de Implante, São Paulo, SP, Brasil).
A espessura de parede do implante está diretamente ligada à fragilidade do sistema. Quanto menor essa área, menor a carga suportada pelo implante e maior o risco de deformação ou fratura do sistema.
A Norma ISO 14801:200710 indica que sejam utilizados os implantes com especificação mais crítica, dentro de uma determinada configuração de implantes. Os implantes com menor diâmetro são considerados os mais sujeitos à falha por fadiga e, portanto, os mais críticos.
A Norma ISO 14801:200710 determina que um determinado corpo de prova deva resistir a uma ciclagem de 2 milhões de ciclos de carga a uma
frequência inferior a 2 Hz ou 5 milhões de ciclos de carga a uma frequência superior a 2 Hz e inferior a 15 Hz.
O procedimento do ensaio de fadiga é realizado em uma máquina universal de ensaios, na qual são realizados ciclos de funcionamento com base em cargas previamente determinadas. Tais cargas são definidas com base em percentuais sobre a carga ou momento máximo de referência obtida após o ensaio estático, realizado anteriormente, com as mesmas especificações das amostras avaliadas.
Durante o ensaio, a própria máquina universal de ensaios gerencia (através de software específico) o momento de falha do corpo de prova interrompendo automaticamente o ensaio e registrando o número máximo de ciclos suportado por cada amostra (corpo de prova).
Caso a falha do corpo de prova ocorra antes do término do ciclo, a carga e a quantidade de ciclos são registradas e, posteriormente, outra amostra é montada e ensaiada, com nova carga ou momento máximo de referência obtida após o ensaio estático.
O valor da carga máxima indica a força no limite de resistência necessária para ruptura do corpo de prova.
Quanto ao comprimento do implante utilizou-se o implante com maior aceitação de mercado (13 mm). Quanto ao componente protético utilizou-se também o componente mais utilizado pelo mercado (altura 2,0 mm). Ambas as configurações não apresentam interferência nos resultados dos ensaios, uma vez que, a área em balanço que resulta no braço de alavanca do corpo de prova é sempre o mesmo nas variações de diâmetro e comprimento dos implantes e componentes (Figura 2).
Figura 2 – Ensaio em implante dentário.
RESULTADOS
Após definição da carga máxima de referência, 847 N, no ensaio estático (Tabela 1), foram iniciados os ensaios de resistência à fadiga. A ISO 14801:200710 indica a utilização inicial de 80% da carga máxima para o início do ensaio de fadiga.
Tabela 1 - Ensaio estático de compressão: carga máxima para cada corpo de prova (código) analisado e média obtida (Relatório LEM.273.11EE_00 - Scitec).
A Tabela 2 demonstra os valores de carga e ciclagem obtidos nos ensaios de resistência à fadiga, assim como o número de ciclo em que ocorreu a fratura.
Tabela 2 - Ensaio de Fadiga, com a força máxima utilizada para cada corpo de prova, assim como a identificação do critério de parada e número de ciclos em que ela ocorreu (Relatório LEM.078.11EE_00 - Scitec).
Nas amostras (CP078.11ED-03, CP078.11ED-04 e CP078.11ED-05) a carga que representa o limite de resistência do sistema corresponde a 169,4 N.
As amostras suportaram o numero de ciclos estipulados pela norma ISO 14801:200710.
DISCUSSÃO
Implantes endósseos osseointegrados são largamente usados para a reabilitação total ou parcial de pacientes edêntulos, sendo o tratamento protético mais previsível e as falhas infrequentes21.
Soares MAD, Takamori ER
As possíveis causas da fratura foram classificadas em três grupos: 1) Falha no desenho ou material do implante; 2) adaptação não passiva da coroa à infraestrutura protética e 3) sobrecarga secundária por hábitos parafuncionais deletérios3.
O tipo de reabilitação também pode influenciar a carga e estresse que são transmitidos para o implante. Uma prótese sobre implante, por exemplo, apresenta uma menor tendência à fratura que uma prótese removível.
Próteses do tipo cantilever tendem a quebrar mais frequentemente que próteses convencionais15.
Além disso, implantes de diâmetro pequeno tendem a fraturar mais facilmente que os mais largos, especialmente quando colocados na região posterior. Um implante com diâmetro de 5 mm é três vezes mais resistente do que um com 3,75 mm; e um implante com diâmetro 6 mm de diâmetro é seis vezes mais resistente que um com 3,75 mm26.
A maior parte das fraturas durante a carga ocorreu devido à fadiga do metal e não a sobrecarga13,17.
Alguns estudos in vitro combinados com ensaios mecânicos em laboratório têm mostrado fraturas causadas por fadiga do metal. Os sinais de alerta para tal falha incluem perda, torção ou fratura dos parafusos protéticos e fratura da cerâmica da prótese23. Esses sinais indicam fadiga do metal, e levam, em última análise, a fratura se não corrigidos a tempo.
Em muitos casos, observa-se reabsorção óssea ao redor do implante precedendo a fratura do mesmo, particularmente quando implantes unitários de molar estavam envolvidos5.
A reabsorção óssea corono apical produz um alto estresse por flexão sobre o implante, por causa da perda de suporte ósseo. A reabsorção óssea por peri-implantite, usualmente, se estende ao nível correspondente ao final do parafuso do abutment, onde a resistência à flexão é diminuída23. A região onde ocorre a peri-implantite óssea está fortemente relacionada à magnitude e direção do estresse que são transmitidas ao implante.
Essas forças são afetadas pela natureza da dentição antagonista, força de mordida, número de implantes disponíveis para suportar a carga, posição do implante dentro da prótese e geometria do implante19.
Tanto os estudos clínicos como a pesquisa experimental em animais tem mostrado que implantes submetidos a sobrecarga induzem a reabsorção do osso marginal. Quando tal reabsorção excede a terceira rosca do implante apicalmente, chega-se a uma zona de fragilidade da estrutura, coincidente com o final do parafuso protético24.
A fadiga pode levar a micromovimentos do sistema implante/
componente protético, causando afrouxamento do conjunto, fendas no implante, trincas no parafuso de união do componente protético e à falha no implante dental9.
O ensaio de fadiga, estabelecido pela Norma ISO 14801:200710 é de extrema importância na avaliação de implantes dentários, pois tem o intuito de analisar mecanicamente as amostras, no intuito de predizer comportamento clinico.
Cinquenta implantes Ø3,75 x 10,0mm de hexágono externo (LIFECORE) foram submetidos a ensaios de fadiga. Os implantes foram fixados em resina que simulou resiliência e a elasticidade do osso. Os pilares foram conectados aos implantes utilizando um parafuso de titânio, sendo aplicado um torque de 30 Ncm. As amostras foram fixadas na máquina de ensaio e aplicada uma
Foram avaliados seis sistemas de implantes (Brånemark, Compress, Frialit-2, Replace Select, Camlog, Screw-Vent), de diferentes fabricantes, quanto a sua resistência à fadiga. Os seis diferentes conjuntos de implante - abutment foram submetidos à carga dinâmica de 120N, com planejamento de 1.200.000 ciclos. Dos seis sistemas de implantes avaliados, Replace Select e Camlog não demonstraram falha no implante - abutment durante o ensaio dinâmico de 1.200.000 ciclos. Os outros quatro sistemas apresentaram falha durante o carregamento dinâmico de 120N por falha no conjunto implante - abutment: Brånemark com 954.300 ciclos; Compress com 922.800 ciclos;
Screw-Vent com 913.200 ciclos e Frialit-2 com 627.300 ciclos28.
A resistência à fadiga de dois desenhos de implante - abutment de duas empresas diferentes: Brånemark e ITI foram avaliados. Ambos os sistemas de implantes foram submetidos à carga cíclica de 100N. Para o sistema ITI não foram observadas falhas no número de 1.800.000 ciclos. Entretanto, no sistema Brånemark, observou-se falha entre 1.178.023 e 1.733.526 ciclos12.
FORÇA DE APLICAÇÃO
Avaliaram a força mastigatória de 13 pacientes, com idade entre 42 e 59 anos, com reabilitações sobre implantes dentais osseointegrados, sendo que os resultados nos pacientes analisados identificaram que a força de mastigação ficou entre 32,3 N e 52,3 N7.
Encontraram para a força de mastigação com dentadura um valor médio de 4 kgf (40 N) e máximo de 7 kgf (7 0N)8. Em dentes naturais2 registrou 9 kgf (90 N) para a mastigação. Registraram14 10 kgf (100 N) para a força de mastigação. Encontraram 12,5 Kgf (125 N) para a mastigação30.
Os valores de carga suportada pelo implante no ensaio estático de compressão são da ordem de 186,3 N. Esse valor é superior ao apresentado pela bibliografia analisada, conforme representado na Tabela 3.
Tabela 3 - Carga e número de ciclos em que se observou a falha dos sistemas avaliados em ensaio de fadiga.
Carga em fadiga (N) Ciclos
Relatório LEM.078.11EE_00 169,4 5.000.000
Binon (1996)4 133,3 134.895
Khraisat et al. (2002)12 100 1.178.023
Steinebrunner et al. (2008)28 120
954.300 (Brånemark) 922.800 (Compress) 913.200 (Screw-Vent) 627.300 (Frialit-2)
Analisando os valores médios de força de mastigação é possível observar que os valores de resistência do implante estão acima das médias obtidas pelos autores citados em seus estudos (Tabela 4).
Tabela 4 - Força média de mastigação observada na literatura.
Força média (N)
Relatório LEM.078.11EE_00 169,4
Haraldson et al. (1979)7 52,3
Howell e Brudevold (1950)8 Entre 40 e 70
Anderson (1956)2 90
Lundgren e Laurell (1986)14 100
Widmork et al. (1995)30 125
CONCLUSÃO
Os valores obtidos para os implantes com diâmetro de 3,8 mm e comprimento de 13 mm com conexão do tipo hexágono interno (SIN – Sistema de Implante, São Paulo, SP, Brasil) nos ensaios de compressão e fadiga, 847 N e 167,4 N, respectivamente são compatíveis com os valores apresentados pela literatura.
AgRADECIMENTOS
Os autores agradecem a empresa SIN – Sistema de Implante pela doação dos implantes e componentes protéticos para a realização do trabalho e a SCITEC pelos ensaios realizados (relatórios LEM.273.11EE_00 e LEM.078.11EE_00).
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