Avaliações das dissipações de tensões em pilares de prótese fixa
implantossuportada pelo método dos elementos finitos
tridimensional (MEF)
Stress distribution evaluation on implant-supported prosthesis
pillar by the method of three-dimensional finite element (FEM)
Piracicaba 2016
KARINA GIOVANETTI
Universidade Estadual de Campinas Faculdade de Odontologia de Piracicaba
KARINA GIOVANETTI
Avaliações das dissipações de tensões em pilares de prótese fixa
implantossuportada pelo método dos elementos finitos
tridimensional (MEF)
Stress distribution evaluation on implant-supported prosthesis
pillar by the method of three-dimensional finite element (FEM)
Dissertação apresentada à Faculdade de Odontologia de Piracicaba da Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos exigidos para obtenção do título de Mestra em Biologia Buco-Dental, na Área de Anatomia.
Dissertation presented to the Piracicaba Dental School of the University of Campinas in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master in
Buco-Dental Biology, in Anatomy area.
Orientador: Prof. Dr. Paulo Henrique Ferreira Caria
ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO
FINAL DA DISSERTAÇÃO DEFENDIDA PELA ALUNA KARINA GIOVANETTI E ORIENTADA
PELO PROF. DR. PAULO HENRIQUE FERREIRA CARIA.
Piracicaba
DEDICATÓRIA
Dedico este Mestrado aos meus pais José Carlos Giovanetti e Maria Ivanilde
de Fátima Giovanetti, pelo incentivo e apoio em todas as minhas escolhas e decisões e
sempre confiar no meu potencial. À minha saudosa avó, Lazara Maria Machado, pelo amor que me fortaleceu a buscar os meus objetivos e a ter fé na vida e acreditar que mesmo não fisicamente ela está comigo em todos os momentos me direcionando aos alcances dos meus ideais.
AGRADECIMENTOS
A Deus, pela força para não desistir e colocar pessoas maravilhosas no meu caminho que me incentivam a ser sempre melhor.
Ao Prof. Dr. Paulo Henrique Ferreira Caria, pela orientação, compreensão, por acreditar no meu potencial, pela amizade e confiança nestes anos, por valorizar meu trabalho e esforço e dando o suporte necessário sobre a Pós Graduação nesta Instituição de Ensino e Pesquisa.
À Faculdade de Odontologia de Piracicaba – UNICAMP, na pessoa do seu Diretor Prof. Dr. Gruilherme Elias Pessanha Henriques e do Diretor Associado Prof. Dr. Francisco Haiter Neto, pelo Programa de Pós- graduação e nível de mestrado.
À Profa. Dra.Cinthia Pereira Machado Tabchoury, Coordenadora Geral da Graduação e ao Profa. Dra. Maria Beatriz Duarte Gavião, Coordenadora do Programa de Pós-Graduação em Biologia Buco-Dental – Área de Anatomia.
Aos professores da banca do exame de qualificação Prof. Dr. José Ricardo de Albergaria Barbosa, Prof. Dr. Rafael Lopes Ortega e Prof. Dr. Lucas Cavallieri Pereira por terem aceitado o convite para ser da banca e também contribuído e auxiliado com observações e sugestões construtivas.
Aos suplentes da minha qualificação, a Profa. Dra. Cláudia Lopes Brilhante Bhering e o Prof. Dr. Alexander Tadeu Sverzut por contribuírem com a minha vida profissional.
À Profa. Dra. Celia Marisa Rizzatti Barbosa, membro da minha banca de defesa de mestrado, por todo ensinamento desde a graduação e pela oportunidade de ser sua amiga e permitir que eu pudesse conhecer o coração imenso e humilde que a senhora possui.
Ao Prof. Dr. Leandro Souza Pozzer pelo carinho e contribuição na minha dissertação e por ter aceitado o convite de ser membro da minha banca de defesa.
Aos suplentes da minha defesa de mestrado Prof. Dr. Mario Alexandre Coelho Sinhoreti e ao Prof. Dr. Mauricio Tanji pelo carinho e ter aceitado o meu convite.
Ao aluno da pós-graduação Ricardo Armini Caldas, por toda ajuda, ensinamento e paciência que teve comigo durante e após a minha pesquisa.
Ao Técnico de Laboratório da Pré-Clínica Paulo Alcarde, por toda paciência e amizade durante a Graduação e, agora, na Pós-Graduação, por me fazer companhia e me ouvir durante o almoço.
À minha amiga Edilaine Cristina Mendes Felipe (Didi), pela amizade, por compartilhar os momentos de alergias e tristezas vividos desde a graduação, adoro você.
Aos funcionários da Clínica de graduação (Maurinho, Feliciano, Madalena e Daiane), pela amizade e respeito. E a todos os funcionários da Faculdade de Odontologia que permite que esta instituição seja reconhecida e admirada.
À minha amiga Paula Campos Dutra, por estar ao meu lado nos momentos mais gloriosos e, principalmente, nos dolorosos da minha vida. Sou muito grata por Deus ter colocado você no meu caminho, desejo que permaneça comigo sempre.
À minha amiga e professora Camila Roberta Fiorin, pela dedicação, paciência e amizade. O seu apoio foi fundamental para a conclusão do meu projeto de mestrado e me encoraja a seguir adiante com meus estudos para o doutorado. A paciência e a honestidade são virtudes raras e você, com certeza, é muito especial, por possuir estas qualidades. Você é muito importante em minha vida.
Ao meu amigo de mestrado Vitor Montemor, pela troca de informação e conhecimento, por me ouvir e me encorajar nos estudos e na preparação dos seminários.
À minha mais amiga Maristela Corrêa e Lima, pela força no dia da minha qualificação, desejo muito sucesso durante sua permanência na Faculdade de Odontologia
de Piracicaba, tudo que precisar estarei ao seu lado para ajudar da melhor forma.
À minha amiga Fernanda Viviane Mariano, pela amizade e orientação. Obrigada pelas noites em que me ajudou a publicar os artigos, serei eternamente grata.
À minha amiga e irmã Juliana Galli, que mesmo longe consegue me fazer sentir o carinho e o cuidado que tem comigo, por ser meu ombro amigo e minha fuga quando tudo está difícil.
Aos meus amigos Camilla Fraga do Amaral e Rodrigo Gurdos, pelos finais de semana de dedicações aos seminários.
As minhas amigas Karina Ante Domenico e Liliane Christine Perina, por fazer parte da minha vida, sempre ao meu lado nos momentos bons e ruins. Vocês me fazem acreditar que a amizade é uma das melhores coisas na vida.
Às minhas amigas de graduação Cláudia Lopes Brilhante Bhering e Julia Gimenes, pelos papos descontraídos e amizade que por mais que tenhamos seguidos caminhos diferentes ainda prevalece.
À minha amiga Danielle Ribeiro, pela ajuda com os programas difíceis de informática que sempre fico perdida e por toda calma em me explicar várias vezes.
Aos meus pais, José Carlos Giovanetti e Maria Ivanilde de Fátima Giovanetti pelo amor incondicional, pelos ensinamentos, por sempre apoiarem as minhas escolhas, por serem meus melhores amigos.
À minha amada avó Angelina Araujo Giovanetti pelas orações, pelo carinho, amor e por sempre querer o meu bem.
À minha avó, maravilhosa e eterna paixão, Lazara Maria Machado, que Deus resolveu tê-la em seus braços no dia da minha qualificação. Sei que esteve comigo durante a
minha apresentação. Sentirei muita falta dos abraços e beijos. Acredito que esta saudade será cessada em outra vida. Amo você com todas as minhas forças.
Aos meus primos Cristiane Araujo Tremilioso e Roberson Roberto Tremilioso, que tenho como irmãos, pessoas que sei que posso contar pra tudo que eu precisar.
Aos meus primos e primas, tia e tio, que de alguma forma sempre manifestaram a admiração e carinho por mim.
EPÍGRAFE
“A verdadeira medida de um homem não se vê na forma como se comporta em momentos de conforto e conveniência, mas em como se mantém em tempos de controvérsia e desafio.”
RESUMO
O objetivo desta dissertação foi analisar, por meio do método dos elementos finitos tridimensional, a concentração de tensões transmitidas ao tecido ósseo peri- implantar quando utilizado 3 e 4 implantes dentários na região anterior da mandíbula para a reabilitação com prótese fixa implantossuportada. Foram aplicadas forças de 100N nos sentidos vertical e oblíquas unilaterais diretamente na infraestrutura metálica, no cantilever, na região correspondente ao primeiro molar inferior. Para isso foram confeccionados dois modelos sólidos tridimensionais da mandíbula com os implantes, parafusos e a infraestrutura metálica, no software específico para modelagem (SolidWorks 2013). Após a confecção dos modelos, eles foram importados para o software de simulação mecânica (ANSYS Workbench 14), em que foram realizadas as mesmas e avaliada a Tensão Máxima Principal para o tecido ósseo peri-implantar. Os resultados foram comparados entre os modelos de forma qualitativa e quantitativa. Foi observado que a reabilitação com prótese fixa implantossuportada com 3 implantes, na região mais próxima do local da aplicação da força (região A) teve um valor maior de tensão peri-implantar, nas regiões B, de ambos os modelos, tiveram valores semelhantes e nas regiões C e D mostraram valores inferiores quando comparados com as regiões A e B, sendo consideradas as últimas regiões suscetíveis a falhas. Portanto, para uma reabilitação com prótese fixa implantossuportada o uso de quatro implantes para a retenção e suporte é seguro e com menor chance de falha no sistema.
ABSTRACT
The aim of this thesis was to analyze, through three-dimensional finite element method, the stress concentration transmitted to the peri-implant bone tissue when used 3 and 4 dental implants in the anterior mandible for implant-supported fixed prosthesis rehabilitation. 100N forces were applied in vertical and oblique unilateral directions directly on the metallic infrastructure on the cantilever, in the first molar region. For that there were made two-dimensional solid jaw models with implants, screws and metal infrastructure, in the particular software for modeling (SolidWorks 2013). After producing the models, they were imported into the mechanical simulation software (ANSYS Workbench 14), which were carried out the same and evaluated Maximum Principal Stress for peri-implant bone tissue. The results were compared between quantitatively and qualitatively models. It was observed that the implant-supported fixed prosthesis rehabilitation with 3 implants, the closest region to the force application site (region A) had a higher value of peri-implant tension, the regions B, both models had similar values and regions C and D showed inferior values in the A and B regions, considering the last regions prone to failure. Therefore, for an implant-supported fixed prosthesis rehabilitation using four implants for retention and support may be safer and there is less chance of system failure.
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... .14
2 ARTIGO: Stress distribution evaluation on implant-supported prosthesis pillar by the method of three-dimensional finite element (FEM).. ... .18
3 CONCLUSÃO ... 33
REFERÊNCIAS ... 34
ANEXOS ANEXO 1 Conceito de Elementos Finitos...35
ANEXO 2 Imagens do projeto de pesquisa...36
ANEXO 3 Comitê de Ética em Pesquisa...37
ANEXO 4 Certificado de revisão de idioma...38
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1 INTRODUÇÃO
Com o aumento da expectativa de vida no Brasil, a população idosa passou a requisitar mais o serviço de reabilitação oral. Embora o envelhecimento não seja um fator determinante para a perda dental, ele está fortemente relacionado a este problema. Desta forma, são importantes os estudos que proporcionem um tratamento odontológico eficiente e adequado ao paciente.
A reabilitação de pessoas totalmente edêntulas mais comumente utilizada é a prótese total removível convencional (Douglass et al., 2002; Petersen et al., 2005) devido ao custo ser inferior aos outros tipos de reabilitações totais (overdenture e prótese fixa implantossuportada). Porém, a maior queixa dos pacientes é quanto à dificuldade de adaptação da prótese ao rebordo alveolar residual. Principalmente da prótese total inferior, pois a mandíbula apresenta uma restrita área de suporte, bem como inserções musculares, além da movimentação da língua que prejudicam a estabilidade da prótese resultando em desconforto e diminuição da eficácia mastigatória (Freitas et al.,2003).
Além disso, esta prótese é confeccionada para ter íntimo contato com a mucosa que recobre o rebordo alveolar remanescente, não existe qualquer tipo de fixação direta entre prótese e rebordo, o que a torna passível de deslocamento quando em função (Thomason et al., 2009).
Com o surgimento e o avanço da implantodontia e o sucesso na utilização dos implantes para reter e suportar as próteses totais foi possível oferecer ao paciente uma reabilitação protética mais estável e com maior conforto, principalmente para as reabilitações totais com reabsorção óssea em que a adaptação é prejudicada (Esposito et al., 2005).
Esses tratamentos reabilitadores que utilizam os implantes dentários apresentam uma série de vantagens em relação à prótese total convencional, além do aumento da estabilidade e do conforto, como a preservação do osso alveolar (Bonachela et al., 2002) e o aumento da eficiência mastigatória (Stellingsma et al., 2005, Baracat et al., 2011), proporciona maior segurança no uso da prótese, o que contribui para o aumento da autoestima e da qualidade de vida do paciente.
As primeiras reabilitações com implantes foram realizadas por Brånemark na década de 70, em que utilizava de 5 a 6 implantes instalados verticalmente na região do mento (Gualini et al., 2009). Esta técnica tem sido usada por muito tempo e com altas taxas de sucesso.
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A partir do protocolo de Brånemark, surgiram outras variações da técnica original como a redução do número e/ou variações dos tamanhos dos implantes, assim como o conceito “All-on-Four”, em que os implantes posteriores são inclinados para a distal com o objetivo de reduzir o tamanho do cantilever (Capelli et al., 2007).
A técnica “All-on-Four” é um tipo de tratamento eficiente para pacientes desdentados totais, em que se utiliza 4 implantes dentários longos de 13mm a 16mm de comprimento, sendo os implantes posteriores posicionados com uma angulação de 300 a 450 e os outros dois anteriores posicionados verticalmente, todos na região anterior da mandíbula, com carga imediata. Essa técnica pode evitar que o paciente necessite de um procedimento cirúrgico de enxertia óssea antes da colocação dos implantes, pois a angulação dos implantes posteriores possibilita que haja um volume ósseo menor, além de possibilitar a utilização de implantes maiores quando comparado com implantes posicionados verticalmente (Maló et al., 2007). Estudos clínicos de curto e médio prazo demonstraram prognóstico favorável com esta técnica para reabilitação total (Crespi et al., 2012).
Atualmente os dois tipos de reabilitações totais mais usadas que utilizam implantes dentários, como forma de retenção, é a overdenture e a prótese fixa implantossuportada. Ambos os tipos de reabilitações tem sido utilizada por oferecer melhor retenção e força mastigatória que as próteses totais convencionais. A overdenture quando comparada com a prótese fixa implantossuportada utiliza um número menor de implantes, portanto, reduz o custo e o tempo cirúrgico (Mcglumphy et al., 2005). No entanto, necessita de um espaço protético maior, pois a prótese possui a base de acrílico que exige apoio posterior da prótese sobre o rebordo alveolar remanescente o que acelera de 2 a 3 vezes mais a perda óssea.
Mcglumphy et al., 2005, relatam que devido à prótese fixa implantossuportada não possuir a base de acrílico e não precisar removê-la para a higienização, oferece um conforto psicológico e uma melhor qualidade de vida ao paciente. Entretanto, uma das desvantagens desse tipo de reabilitação é o custo elevado por exigir um número maior de implantes dentários.
Um estudo realizado por Gallucci et al., 2009 demonstrou as taxas de sucesso dos implantes e das próteses em um período de um a dez anos de acompanhamento, em que os implantes tiveram uma taxa de 97,1% e as próteses uma taxa de 88%. Assim, conclui-se que as reabilitações com implantes dentários são confiáveis e eficientes, e que as próteses são as mais susceptíveis á falha.
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tem sido considerada como a principal causa de insucesso e perda dos implantes dentários (Sevimay et al., 2005). Além desse, outros fatores influenciam na transmissão de tensão na região peri-implantar como o não assentamento passivo da barra sobre os implantes, que gera um excesso de carga (Patterson et al., 1992; Farina et al., 2012), a direção e intensidade da força que é aplicada sobre a prótese, pois influencia na distribuição da mesma ao tecido ósseo. Segundo Watanabe et al., 2003 as forças oblíquas tendem a causar maior tensão nesta região. É importante analisar as forças em todos os sentidos para que se possa chegar o mais próximo da realidade clínica.
As propriedades dos materiais do implante e da prótese, a geometria, o tipo de superfície do implante, a natureza da interface osso-implante (Geng et al., 2001) e os relacionados à saúde sistêmica e higiene do paciente influenciam na transmissão de tensões para a região peri-implantar.
Para a compreensão do comportamento biomecânico intra-ósseo na região peri-implantar na reabilitação protética com implantes dentários durante a função mastigatória, o método de elementos finitos tridimensional (MEF) é confiável e seguro uma vez que a avaliação intra-óssea in vivo fica comprometida (Abreu et al., 2010) .
O MEF é uma ferramenta matemática em que um meio contínuo é subdividido em finitos elementos que apresentam as mesmas propriedades de quem os originou. Através de um software de modelagem confecciona-se o modelo tridimensional computacional construído a partir de uma imagem tomográfica computadorizada. Esse posteriormente, será submetido à simulação mecânica a ser estudada em outro software (Lotti et al., 2006). Os resultados obtidos permitem predizer o comportamento biomecânico dos materiais a serem utilizados na reabilitação protética.
Com o auxílio da metodologia de elementos finitos tridimensionais, é possível avaliar as tensões transmitidas ao tecido ósseo peri-implantar quando utilizado 3 e 4 implantes dentários na região anterior da mandíbula para a reabilitação com prótese fixa implantossuportada.
Esta dissertação está baseada na Resolução CCPG UNICAMP 001/2015 que regulamenta o formato alternativo para Dissertações de Mestrado e Teses de Doutorado e permite a inserção de artigos científicos de autoria ou co-autoria do candidato.
Por se tratar de uma pesquisa envolvendo peça anatômica de uma mandíbula da Área de Anatomia da Faculdade de Odontologia de Piracicaba – UNICAMP, o projeto de pesquisa deste trabalho foi submetido à apreciação do Comitê de Ética em Pesquisa da
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2 ARTIGO: Stress distribution evaluation on implant-supported prosthesis pillar by the method of three-dimensional finite element (FEM).
Artigo submetido ao periódico Journal of Applied Oral Science em 02/05/2016 (Anexo 4).
Karina GIOVANETTI, DDS, MsC student, Morphologic Department, Piracicaba Dental School – State University of Campinas
Ricardo Armini CALDAS, DDS, PhD student, Prosthodontics Department, Piracicaba Dental School – State University of Campinas
Paulo Henrique Ferreira CARIA, DDS, PhD, Prof., Morphologic Department, Piracicaba Dental School – State University of Campinas
Corresponding author:
Prof. Paulo Henrique Ferreira Caria, Departamento de Morfologia – Área de Anatomia Faculdade de Odontologia de Piracicaba – UNICAMP
Av. Limeira, 901, Piracicaba-SP, CEP:13414-903 Brasil E-mal: phcaria@fop.unicamp.br
ABSTRACT
Oral rehabilitation with implants is a successful and common procedure in the dental clinic. With continued use of implants in extensive rehabilitations, there were flaws and limitations on their use, mainly related to the support of different masticatory forces. The aim of this study was to evaluate the distribution of mechanical stress on two models of rehabilitations with implant-supported fixed prostheses. Finite element models of a full edentulous jaw with fixed prosthesis supported by 3 and 4 implants were constructed. The jaw was considered elastic, isotropic and homogeneous, was applied 100N force in the metal structure of the prosthesis in the first molar region (cantilever), simulating the bite force during chewing. There was tension difference found in the peri-implant region closest to the location of the force application on the model with 3 implants compared with the same region in the template with 4 implants, as for the other regions showed similarities in values. The results indicate that a higher number of implants should be used at total fixed rehabilitation because they offer greater resistance to failure.
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Key words: Dental implant, Finite Element Analysis, Biomechanics.
INTRODUCTION
Oral rehabilitation of edentulous patients, especially those with large alveolar resorption, significantly evolved with dental implantology. Karabuda, et al.12 (2002) introduced the concept of osseointegration as the direct, structural and functional connection between the living bone and the titanium implant.
Since then, there has been a revolution in prosthetic rehabilitation; implants have become supporting pillars in edentulous ridges, offering new treatment options for these patients. In the lower edentulous cases, the uses of conventional denture generate instability in the most part of the cases, often resulting in discomfort and a decrease in Freitas, Vaz and Pedreira9 (2003).
The major challenge in the oral rehabilitation of edentulous with conventional dentures is the lower arch. Its residual ridge has restricted area of support, while the upper arch, besides the residual ridge there is the palate, which provides additional support area. Furthermore, the muscle insertions and tongue movement impair the stability of the lower prosthesis.
The use of dental implants in the treatment of edentulous became more frequent in the dental practice, as scientific studies have shown its success and reliability in offering comfort and stability Esposito, et al.8 (2005).
The first implant rehabilitations were conducted at lower edentulous patients, i.e., the Brånemark protocol that uses 5 to 6 implants placed vertically chin region Gualini, et al.11 (2009). This technique has been used for a long time, with high success rates, because it provides aesthetic, function and satisfaction to patients.
From the Brånemark protocol, other variations have emerged from the original technique by changing the number of implants, distal Capelli, et al.3 (2007). Short and medium term clinical results have demonstrated successful use of less implants, inclined or not Crespi, et al.6 (2012). Thus, simplified protocols become cheaper and less morbidity for patients. The success of new protocols also depends on the transfer of loads to the set: prosthesis, metal infrastructure and prosthetic components for implants. Factors such as implants tipping, bone quality and quantity, the abutment-implant interface has been reported as important factors in the transmission of stresses in the peri-implant regions Almeida, et al.7
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(2010). One way to reduce the mechanical stresses, i.e., to use tipping implants to the distal in fixed dentures because it reduces the size of the cantilevers.
The treatments with supported implant prostheses have a number of advantages over conventional dentures, as the preservation of the alveolar bone Bonachela and Rosseti2 (2002), improved retention, the prosthesis stability and hence the increase of strength and masticatory efficiency Stellingsma, et al.27 (2005). All this provides greater safety in the use of the prosthesis with increased self-esteem and the individual's quality of life.
Currently there are two types of lower complete rehabilitation using implants, the overdenture (muco-supported) using 2 to 4 implants and the protocol (the implant-supported prosthesis), which requires 3 to 6 implants as pillars, both installed in chin region Setzs, et al.24 (2000). The overdenture has been used to offer better masticatory retention and strength than conventional dentures. When compared with the protocol, the overdenture uses a smaller number of implants, therefore reduces the cost and surgical time and facilitates the cleaning Mcglumphy and Larsen17 (2005). However, it requires support of the prosthesis on the alveolar ridge, which bone loss accelerates 2 to 3 times compared to conventional denture, and need a greater prosthetic area than the protocol because the prosthesis has acrylic base.
Mcglumphy and Larsen17 (2005) reports that because the protocol does not have acrylic base provides psychological comfort to the patient, because they feel that the prosthesis is part of their body, and do not need to remove it to clean and do not use it as posterior support to the fibromucosa, reducing bone loss.
Despite the great success of oral rehabilitation with implants, peri - implant bone loss has been reported as the main failure factor Sevimay, et al.25 (2005). This may be related to the patient, due to poor oral hygiene, quality and amount of bone tissue, masticatory force, systemic conditions Tada, et al.28 (2003) and biomechanical factors such as implant size, length, diameter, the surface and the adjustment of the prosthesis with the pillars.
Biomechanical studies relating implant supported fixed prostheses have shown that one of the main causes of marginal bone loss is the excess of load on the implant Chun, et al.4 (2005). Some factors may influence the transmission of efforts to the bone, such as the type of load, the material properties of the implant and the prosthesis, the geometry and type of implant surface and the nature of bone-implant interface Geng, Tan and Liu10 (2001). The overcharge creates stress at the bone-implant interface, and the way in which this force is distributed to the bone will determine the locations and extent of bone resorption Misch19 (1999).
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Kitamura, et al.13 (2005) reports that the intensity of the load may influence the modeling and remodeling of bone tissue. However, excessive loads are considered a risk factor for the occurrence of uncontrolled resorption of bone tissue and / or fracture of the implant Schwarz23 (2000). Also it is important the direction in which this force is applied, they influence the distribution thereof to the bone. It is known that oblique forces tend to cause higher stress, being these of greater magnitude when the implant is tilted Watanabe, Hata and komatsu31 (2003). Thus, they reported the need for stress distribution studies on bone tissues in all directions (horizontal, vertical and oblique) to be a better representation of the clinical reality.
For the understanding of bone behavior and rehabilitation with dental implants, several studies with different methods have been performed. The main methodologies used are the conventional methods for analysis of stresses in structures such as photoelastic models and studies with holographic laser; analytical mathematical models; experimental analysis in humans and / or animals and mathematical analysis with the finite element method (FEM), the latter being widely used due to the advance of bioengineering, greater accessibility, accuracy and allow a full analysis (internal and external) of the structure to be analyzed.
The FEM is a mathematical method developed by Gauss in the eighteenth century, in which a continuum is divided into finite elements keeping the same properties as the originator Lotti, et al.14 (2006). This method utilizes a computational model built from a tomographic image, reproducing the same type of structure to be analyzed.
In dentistry, due to the complexity of the structures and the CAD program (Computer-aided design software), the two-dimensional or asymmetric model is used in the analysis with the FEM, but to obtain a reliable result it is essential that the model has a maximum fidelity structure that want to be analyzed Toparli29 (2003).
This method was first used in dental implantology, by Weinstein, et al.32 (1976), and proved to be a useful tool in improving the implants and the development of new techniques, as clinically it was not possible to analyze the transmission and distribution of functional stresses and loads on bone level.
Due to the difficulty of assessing the action of the stress forces in the peri-implant in vivo region, the reliability of the analysis using the FEM and the increased use of implant-supported dentures, the aim of this study was to evaluate the distribution of mechanical stress on two different types of oral rehabilitation with implants (overdenture and protocol) by the finite element method.
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MATERIAL AND METHODS
The entire methodology was held in Total Prosthesis Laboratory, Department of Prosthodontics and Periodontics at Piracicaba Dental School - UNICAMP.
It was constructed a three-dimensional analytical model of a fully edentulous jaw of an approximately 60-year-old man from a computerized tomography scan of Cone Bean type with 0.25 mm range at Materialise Mimics 17.0 software, which was selected the desired bone density and also regularized the remaining alveolar ridge of the mandible . Furthermore, the model was simplified by removing mandibular ramus, with no influence on the results. Afterward, to simulate a real condition of oral rehabilitation, the model has been imported into SolidWorks 2013 software (SolidWorks Corp., Concord, MA, USA) where the necessary changes in the model to create a three-dimensional solid model were performed. In the same software were constructed analytical models of external hexagonal cylindrical implants with dimensions of 4 mm x 11.5 mm (Nobel Biocare, Yorba Linda, CA), screws and the metal infrastructure (Figure 1).
Two study models were constructed, model 1: with 3 implants and model 2: with 4 implants. All the implants were placed in the ment region and named according to the peri-implant corresponding region. At the model 1, the posterior peri-implants (A and C) were positioned 5 mm below the regions of mental foramen with a 15 degree angle to the distal (inclination of the neck) with a 48mm distance and then the implant B was placed vertically in the midline (Figure 2, 1). At the model 2 the posterior implants (A and D) were positioned in the same way and with the same angulation of implants A and C of the model 1, then the implants B and C were positioned vertically with a distance of 18mm from each other (figure 2, 2) and the distance between A and B implants of 10 mm as well as between C and D implants. In both models the implants were joined by a pure titanium metal infrastructure (Ti) apart 4 mm from the alveolar process, with a cross section of 4.3 mm x 3.6 mm and 8 mm in each side cantilever with passive fit of the metal infrastructure ( Figure 2).
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Figure 1- Three-dimensional solid model with all structures.
Figure 2- Models with 3 and 4 implants and the application force place (equal in both models) directly on the metallic infrastructure in the cantilever, in the first molar region produced in SolidWorks 2013 software (SolidWorks Corp., Concord, MA, USA).
Finite element analysis:
Once made, the models were transferred to the last ANSYS Workbench 14 software (Ansys Inc., Canonsburg, Pennsylvania, USA). All the materials used were homogeneous, isotropic and elastically linear. The elastic properties used are shown in Table 1, as previous studies Spazzin, et al.26 (2013). In addition, all the contacts between different materials were considered together, because the important thing was to evaluate the stress transmitted to the peri-implant regions and not in another structure of the models.
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Material Young’s modulus (GPa) Poisson’s ratio (v)
Cortical bone 13.7 0.3
Medullary bone 1.37 0.3
Titanium (bars and screws)
110 0.28
Titanium (implants) 110 0.33
Then, the structures were discretized (split into a finite number of elements) to construct the finite element mesh. This was refined to a point where it does not interfere in the results obtained. In the model with 3 implants the number of nodes was 538989 and 355451 elements, and the model with 4 implants the number of nodes was 648,570 and 430,667 elements (Figure 3).
Figure 3- Models with finite element meshes.
The restrictions of physical models were considered where structural boundary conditions were applied in order to simulate the real physical models. . These boundary conditions are the anchorages models in the posterior mandible, which was sectioned (fixed mount) and loading application. The mechanical loading were performed with vertical and oblique forces direction (distal, mesial, lingual and bucal) value of 100 N Mayara et al.15 (2014) simulating the masticatory forces applied to the metal infrastructure, in the cantilever,
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in the first region lower molar in both unilateral models, such as standardization of the cantilevers location.
The results were obtained through the maximum principal strain and analyzed in two ways: 1) Qualitative performed by visual observation of the graphic images of their color gradients; 2) Quantitative held by the numerical values.
RESULTS
In the peri-implant regions in both evaluated models it was possible to identify that the peri-implant regions closer to the site of application force (region A) showed higher values of maximum principal stress, the highest value is in the model with 3 implants, approximately twice as large with the exception of force towards mesial. The regions B of both models showed similar values of tensions, with no statistically significant difference this situation occurred independent of the direction of the applied force. The other regions (C and D) showed similar values and smaller magnitude in all situations, so the regions A and B models have the greatest importance in this study (Table 2).
When the force applied in the mesial direction was observed that was that had better stress distribution in both models, and hence smaller value of the maximum stress versus other directions evaluated. This is because the direction of force was similar to the position of the long axis of the implant A, providing better stress distribution (Figure 4).
However, when applied the distal force direction it was presented the most peri-implant tension in the region A and B, in both models, that force was the most different from the direction of the long axis of the implants A and B (figure 5). The strength in the lingual direction was which generated after the distal greater tension in the peri-implant region A.
When applied forces in the vertical and vestibular direction, in both models, the values were similar to peri-implant region A and B.
Finalizing the analysis, a paired t test (α = 0.05) comparing the same force application directions in the same region between the two models indicated that there was significant difference between the regions A (p = 0.0283), and not significant differences between the regions B (p = 0.2653) as indicated in Table 3.
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Figure 4- Maximum Principal Stress concentration region (MPa). Model related to the loading mesial way.
Figure 5- Maximum Principal Stress concentration region (MPa). Model related to the loading distal way.
Table 2- Maximum Principal Stress values according to the direction of the applied force.
Implant (MPa)
Number of implants Forces A B C D
3 Vertical 16,05 9,85 1,46 Vestibular 17,41 11,06 3,4 Lingual 26,61 3,25 2,19 Distal 38,18 12,23 1,37 Mesial 9,72 5,16 3,27 4 Vertical 7,26 11,35 3,19 1,15 Vestibular 8,95 11,09 3,37 3,65 Lingual 18,23 7,74 2,67 1,73 Distal 22,5 15,79 2,25 1,36 Mesial 9,01 3,17 4,55 3,83 A B C A B C D A A B C B C D
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Table 3- Mean and standard deviation of the implants A and B in all of the different mechanical loads.
3 implants 4 implants P*
Implant A 21.594 (11.0622) 13.19 (6.7582) 0.0238 Implant B 8.31 (3.8996) 9.828 (4.6942) 0.2653 *values are not statistically significant α = 0.05
DISCUSSION
The use of osseointegrated implant in the dentistry provides stability and comfort to the denture users, especially the lower arch. Implants are used as pillars and when subjected to functional loads transmit stresses directly to the peri-implant bone and may cause failure in osseointegration if there is excess load.
The FEM has been used in dentistry for an assessment of the distribution of stresses in bone regions and prosthetic components Bacchi, et al.1 (2013). However, this method has some limitations that must be observed In this study, all the materials were homogeneous, elastically linear and isotropic behavior, but it is known that the bone tissue is not homogeneous and has anisotropic behavior Cochran5 (2000). The contact between the different parts of the model was considered united between all components. Furthermore, the structure capacity to adapt to the bone when subjected to stress, it was not fully represented in the mathematical model, but the results have great significance, since it is not possible to analyze the behavior clinically.
The decrease in the number of implants used for implant-supported fixed prosthesis in the jaw has been the subject of various laboratory and clinical studies Naconecy, et al.20 (2010). The fixed prosthesis supported by 4 and 3 implants has shown excellent prognosis Rivaldo, et al.22 (2012). Thus, we chose to analyze models with these same implants numbers to compare the values of stresses transmitted in the peri-implant areas, where only changed the number of prosthetic pillars.
Furthermore, passive adjustment, which is defined as the simultaneous contact of all the surfaces and the absence of stress before it loads application is one of the mechanical parameters that interferes at Watanabe prosthesis longevity, et al.30 (2000). Thus we consider, in our study, a passive adaptation of the metal infrastructure in the implants.
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In this study, the computational mechanical test in model 1, showed stress value in the distal implant, more than the double of others, both vertical force and the oblique compared with the same implant model 2. The other implants, where compared with each other and have much lower values, it is assumed that there was a system failure; this will start by the implant with the higher peri-implant stress, that means the implant A in model 1.
The All-on-Four concept according to Maló, which tilts the posterior implant from 30 to 45 degrees to the distal improves the biomechanical behavior when compared with the parallel implant. Mezzomo and Suzuki18 (2006) this technique makes it possible to place longer implants, which should enhance the contact area of the implant to bone as well as the primary implant stability. Pomares21 (2009) the tilt implant creates greater distance between anterior and posterior implants, which should result in better load distribution. Maló, Nobre and Lopes16 (2007) the technique reduces or eliminates the need to cantilever prostheses.
In our study due to anatomical limitations of the remaining alveolar bone and in order to make all threads of intra-osseous implants, the posterior implants were placed with an angle of 150 to distal.
Clinical studies with prosthetic rehabilitation using 3 and 4 implants have been performed and demonstrated a favorable prognosis. Laboratory studies simulate ideal conditions to analyze the sites that could generate failures. Comparing the statistical values, we believe that the implant A the model with 3 implants having suffered a higher tension in the peri-implant region will result in an impaired prognosis when compared to the model with four implants for rehabilitation with full fixed implant-supported prosthesis. And the B implants of the two models are also susceptible to failure.
CONCLUSION
It was concluded that the model with 3 implants, A suffered peri-implant tension higher compared with the same implant model 1, suggesting greater susceptibility to failure of the prosthesis retention system. The model with 4 implants showed better stress distribution among the implants. Thus, for rehabilitation with fixed implant supported prosthesis use 4 implants for retention is safer.
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3 CONCLUSÃO
De acordo com os resultados encontrados conclui-se que a região peri-implantar A do modelo com 3 implantes tem um valor de tensão maior quando comparado com a mesma região do outro modelo. As outras regiões não tiveram valores significativos entre os modelos. Portanto, caso ocorra falha no sistema de retenção, provavelmente será no implante A no modelo com três implantes. Sendo assim, para uma reabilitação com prótese fixa implantossuportada o uso de quatro implantes pode ser mais seguro.
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De acordo com a norma da UNICAMP/FOP, baseada no International Committee of Medical Journal Editors (Grupo Vancouver). Abreviatura dos periódicos em conformidade com o PubMed.
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ANEXO 1
Conceito de Elementos Finitos
A análise MEF foi desenvolvida inicialmente para solucionar problemas na Engenharia Civil e indústria aeroespacial nos anos 60 (Geng et al., 2001). Atualmente, a aplicação desse método tem sido ampliada para diversas áreas, incluindo a Odontologia (Tanino et al., 2007).
Algumas informações em relação às propriedades mecânicas dos materiais devem-se considerar:
Material homogêneo: o material tem as mesmas propriedades em qualquer ponto do
elemento estrutural;
Material isotrópico: as propriedades do material são as mesmas em todas as
direções no mesmo ponto do elemento estrutural;
Material linearmente elástico: as deformações da estrutura são diretamente
proporcionais às forças aplicadas, recuperando suas dimensões originais quando a carga é retirada;
Material contínuo: não apresenta espaços vazios.
Módulo de elasticidade, Módulo de Young ou Módulo elástico (E): Define a
inclinação da curva tensão-deformação até o limite de proporcionalidade. É uma medida de rigidez do material na região elástica e tem as mesmas unidades da tensão.
Coeficiente de Poisson (v): Quando um corpo deformável é submetido a uma força
axial de tração ou compressiva, o material deforma-se longitudinalmente e transversalmente.
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ANEXO 2
Imagens do projeto de pesquisa
Figura 1: Tomografia Computadorizada do tipo Cone Bean e modelo tridimensional construído no software Materialise Mimics 17.0.
Figura 2: Aplicação de força no sentido vertical, na infra-estrutura metálica, no cantilever, na região correspondente ao primeiro molar inferior.
Figura 3: Aplicações de forças oblíquas (vestibular, lingual, mesial e distal), na infra-estrutura metálica, no cantilever, na região correspondente ao primeiro molar inferior.
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ANEXO 3
38
ANEXO 4
39
ANEXO 5
