Análise paramétrica e otimização estrutural de prótese dentária unitária sobre implante utilizando modelos de Elementos Finitos
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Data
2022-08-05
Autores
Andrade, Matheus Prevelato de
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Editor
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Resumo
Próteses odontológicas sobre-implantes são amplamente utilizadas no tratamento de pacientes com perda dentária. Apesar da alta taxa de sucesso, falhas mecânicas ainda ocorrem, muitas das quais causadas por falta de osseointegração, processo diretamente ligado às características geométricas e estruturais da prótese e da relação desta com o osso. Neste contexto, análises paramétricas e de otimização são utilizadas para identificar a influência de parâmetros construtivos no comportamento mecânico de próteses e encontrar uma combinação destes parâmetros que levam a melhores níveis de tensão no osso. O Método dos Elementos Finitos (MEF) é amplamente aplicado no desenvolvimento de novas próteses devido à capacidade de análise de estruturas complexas. O objetivo deste projeto é realizar uma análise paramétrica e um processo de otimização de uma prótese odontológica unitária sobre-implante. A análise paramétrica foi desenvolvida através de uma função matemática obtida a partir da Metodologia de Superfície de Resposta (RSM), que representa o comportamento estrutural da prótese em função de parâmetros pré-definidos, como a altura do implante, altura do abutment, Módulo de Elasticidade do osso cortical e carga aplicada. Para construir esta função, utilizou-se dos resultados de vinte e cinco modelos de Elementos Finitos com diferentes combinações dos parâmetros, as quais foram determinadas pela metodologia de Projeto por Experimentação (DOE). Através dessa função, analisou-se a influência de cada parâmetro na resposta mecânica, em termos de tensão de von Mises na região de interface entre osso cortical e implante. Esta função também foi utilizada no desenvolvimento de um processo de otimização que minimizou a tensão de von Mises no osso cortical. Constatou-se que dentro do domínio estudado todos os parâmetros têm comportamento linear e o mais influente é a carga aplicada. A tensão de von Mises é inversamente proporcional à altura do implante, e diretamente proporcional à altura do abutment, ao módulo de elasticidade do osso cortical e à força aplicada na coroa, portanto, o valor máximo da altura do implante juntamente com os valores mínimos da altura do abutment, módulo de elasticidade do osso cortical e de força aplicada é a combinação de parâmetros que minimiza a tensão de von Mises. Desta forma, apresenta-se além da influência dos parâmetros na resposta mecânica no osso cortical, um processo mais ágil na estimativa das tensões atuantes, através de uma função, e também a combinação de parâmetros obtida através da otimização que minimiza a tensão de von Mises no osso cortical.
Dental prosthesis over-implants are widely used in the treatment of patients with tooth loss. Despite the high success rate, mechanical failures still occur, many of which are likely caused by a lack of osseointegration, process directly dependent on the geometric and structural characteristics of the prosthesis and its relationship with the bone. In this context, parametric and optimization analyzes are used to find the best combination of constructive parameters leading to better stress levels in the bone. The Finite Element Method (FEM) is widely applied to the development of new prostheses due to its ability to analyze complex structures. The objective of this project is to develop a parametric analysis and optimization process of a single dental prosthesis over-implant. The parametric analysis was developed through a mathematical function obtained from the Response Surface Methodology (RSM), which represents the structural behavior of the prosthesis as a function of pre-defined parameters, such as implant height, abutment height, Young’s modulus of cortical bone and applied load. To build this function, the results of twenty-five Finite Element models with different combinations of parameters was used, which were determined by Design of Experiments Methodology (DOE). Through this function, the influence of each parameter on the mechanical response was analyzed, in terms of von Mises stress in the region of interface between cortical bone and implant. This function was also used in the development of an optimization process that minimized von Mises stress in cortical bone. It was found that within the studied domain all parameters have linear behavior and the most influential is the applied load. The von Mises stress is inversely proportional to implant height, and directly proportional to the abutment height, the Young’s modulus of cortical bone and the applied load, therefore, the maximum value of implant height, together with the minimum values of the abutment height, Young’s modulus of cortical and applied load is the combination of parameters that minimizes von Mises stress. Thus, in addition to the influence of parameters on the mechanical response in cortical bone, a more agile process is presented in the estimation of the acting stresses, through a function, and the combination of parameters obtained through the optimization process that minimizes the von Mises stress in cortical bone.
Dental prosthesis over-implants are widely used in the treatment of patients with tooth loss. Despite the high success rate, mechanical failures still occur, many of which are likely caused by a lack of osseointegration, process directly dependent on the geometric and structural characteristics of the prosthesis and its relationship with the bone. In this context, parametric and optimization analyzes are used to find the best combination of constructive parameters leading to better stress levels in the bone. The Finite Element Method (FEM) is widely applied to the development of new prostheses due to its ability to analyze complex structures. The objective of this project is to develop a parametric analysis and optimization process of a single dental prosthesis over-implant. The parametric analysis was developed through a mathematical function obtained from the Response Surface Methodology (RSM), which represents the structural behavior of the prosthesis as a function of pre-defined parameters, such as implant height, abutment height, Young’s modulus of cortical bone and applied load. To build this function, the results of twenty-five Finite Element models with different combinations of parameters was used, which were determined by Design of Experiments Methodology (DOE). Through this function, the influence of each parameter on the mechanical response was analyzed, in terms of von Mises stress in the region of interface between cortical bone and implant. This function was also used in the development of an optimization process that minimized von Mises stress in cortical bone. It was found that within the studied domain all parameters have linear behavior and the most influential is the applied load. The von Mises stress is inversely proportional to implant height, and directly proportional to the abutment height, the Young’s modulus of cortical bone and the applied load, therefore, the maximum value of implant height, together with the minimum values of the abutment height, Young’s modulus of cortical and applied load is the combination of parameters that minimizes von Mises stress. Thus, in addition to the influence of parameters on the mechanical response in cortical bone, a more agile process is presented in the estimation of the acting stresses, through a function, and the combination of parameters obtained through the optimization process that minimizes the von Mises stress in cortical bone.
Descrição
Palavras-chave
Prótese odontológica, Análise paramétrica, Método dos Elementos Finitos, DOE, RSM, Otimização, Dental prosthesis, Parametric analysis, Finite element method, Optimization