Experimental substantiation of a combination of structural materials and personalized prosthetic elements for prosthetics on dental implants

Authors

  • П. В. Леоненко
  • Ю. В. Кокоєва

DOI:

https://doi.org/10.33295/1992-576X-2020-2-76

Keywords:

direct prosthetics, dental implantation, individual abutment, finite element method, simulation modeling of biomechanical systems

Abstract

Summary. From literature data it is known that the long-term success of dental implantation depends not only on careful planning and surgical intervention in compliance
with the protocol requirements, but also on the type of load on the dental implants, which significantly depends on the design features of the prostheses that
are fixed on them. The presence of a significant number of proposals of structural materials on the Ukrainian market for the manufacture of dental prostheses at the
prosthetic stage disorients doctors and dental technicians, who in most cases choose them empirically. The finite element method allows conducting preclinical studies
and experimentally select the most effective personalized structural solutions for prosthetics on dental implants, as well as structural materials or a combination
for their manufacture in order to optimize the load on the implant and bone tissue.
Purpose: substantiate combinations of structural materials and personalized prosthetic elements for prosthetics on dental implants by studying the stress-strain state
in simulation models "bone tissue – dental implant – prosthetic element – personalized abutment – supraconstruction”.
Materials and methods. The experimental study was carried out on multidimensional simulation models “bone tissue – dental implant – prosthetic element – personalized
abutment – suprastructure”. They had stable physical and mechanical properties of bone tissue, dental implants and standard prosthetic elements and their
loading conditions, and differed in the types of structural materials from which personalized abutments and suprastructures were made. The basic types of models
contained – T1 personalized abutment made of polyetheretherketone (PEEK), as well as T2 personalized abutment made of zirconium dioxide. In the study, the basic
types of simulation models were combined with various types of suprastructures made of: lithium disilicate glass ceramic (K1); composite modified hybrid ceramics
(K2); polymethyl methacrylate PMMA (K3); multilayer zirconium dioxide (K4).
Results. During the numerical analysis of the stress-strain state of the biomechanical systems “bone tissue – dental implant – prosthetic element – personalized
abutment – suprastructure” it was found that the most loaded elements of the system were: suprastructure (143.57 MPa – in the model with T1 type of personalized
abutment; 156.25 MPa – in the model with T2 type of personalized abutment); spongy (3.84 MPa – with T1 type of personalized abutment; 3.36 MPa – with T2 type
of personalized abutment) and cortical bone tissue (18.67 MPa – with T1 type of personalized abutment; 16.46 MPa – with T2 type of personalized abutment), with
the corresponding indicators of safety factors for each of these elements.
Biomechanical systems with T1 and T2 personalized abutments have the greatest bearing capacity when using superstructure materials: K1 (minimum safety factor –
2.10 in the model with T1 type of personalized abutment; minimum safety factor – 2.29 in the model with T2 type of personalized abutment) and K4 (minimum safety
factor – 2.08 in the model with T1 type of personalized abutment; minimum safety factor – 2.38 in the model with T2 type of personalized abutment). When using
materials of crown K2 (minimum safety factor – 0.86 in the model with T1 type of personalized abutment; minimum safety factor – 0.79 in the model with T2 type
of personalized abutment) and K3 (minimum safety factor – 0.98 in the model with T1 type of personalized abutment; minimum safety factor – in a model with a T2
type of personalized abutment) biomechanical systems had a lower bearing capacity.
In the study of models with T1 personalized abutment, an increase of 1.63–4.57 times the maximum von Mises stress in the abutment was noted, compared the
maximum von Mises stress equivalent in the abutment of models with T2 personalized abutment.
Conclusions. It is scientifically substantiated that there is a significant effect of various combinations of the mechanical properties of structural materials for the
manufacture of personalized abutments and prostheses on the general stress-strain state of all elements of the biomechanical system “bone tissue – dental implant –
prosthetic element – personalized abutment – suprastructure” in general. For the first time, the optimal combination of structural materials for the manufacture of
personalized abutments and dentures for direct prosthetics on dental implants has been scientifically substantiated. According to the results of the analysis of the values
of the von Mises stresses equivalent and safety factors, the recommended material for the manufacture of personalized abutment on a standard titanium platform
is zirconium dioxide (safety factor – 30.28), which in combination with a crown made of lithium disilicate glass ceramic (safety factor – 2.29) or multilayered translucent
zirconium dioxide (safety factor – 5.22), reliably better (p < 0.05) redistribute concentrated point functional loads and provide better biomechanical stability of
the whole system. According to the results of experimental studies of stress-strain states of all elements of the biomechanical system “bone tissue – dental implant –
prosthetic element – personalized abutment – suprastructure” the worst option for manufacturing personalized abutments on standard titanium platforms is PEEK
structural material.
Key words: direct prosthetics, dental implantation, individual abutment, finite element method, simulation modeling of biomechanical systems.

Author Biographies

П. В. Леоненко

П. В. Леоненко – д-р мед. наук, професор кафедри ортопедичної стоматології Інституту стоматології НМАПО імені П. Л. Шупика.

Ю. В. Кокоєва

Ю.В. Кокоєва – аспірант кафедри ортопедичної стоматології Інституту стоматології НМАПО імені П. Л. Шупика.

References

риментальних багатовимірних моделях генералізованого пародонтиту / П.В. Леоненко,
М.Г. Крищук, В.О. Єщенко // Збірник наукових праць співробітників НМАПО ім. П.Л. Шупи-
ка. – 2013. – № 22(3). – С. 49–59.
2. Леоненко П.В. Аналіз функціональних наслідків дентальної імплантації у пацієн-
тів з метаболічними остеопатіями / П.В. Леоненко, М.Г. Крищук, В.О. Єщенко // Збірник
наукових праць співробітників НМАПО ім. П.Л. Шупика. – 2013. – № 22 (1). – С. 377–389.
3. Analysis of the peri-implant soft tissues in contact with zirconia abutments: an evidence-
based literature review / R.A. de Medeiros, A.J. Vechiato-Filho, E.P. Pellizzer [et al.] //
The Journal of Contemporary Dental Practice. – 2013. – Vol. 3. – P. 567–572.
4. Koutouzis T. Comparative Soft and Hard Tissue Responses to Titanium and Polymer
Healing Abutments/ T. Koutouzis, J. Richardson, T. Lundgren // Journal of Oral Implantology.
– 2011. – Vol. 37(sp1). – P. 174–182.
5. Quantitative discoloration assessment of peri-implant soft tissue around zirconia
and other abutments with different colours: A systematic review and meta-analysis / H. Cai,
J. Chen, C. Li [et al.] // Journal of Dentistry. – 2018. – Vol. 70. – P. 110–117.
6. Network meta-analysis of survival rate and complications in implant-supported single
crowns with different abutment materials / M. Hu, J. Chen, X. Pei // Journal of Dentistry. –
2019. – Vol. 88. – P. 103-115.
7. Linkevicius T. The effect of zirconia or titanium as abutment material on soft periimplant
tissues: a systematic review and meta-analysis / T. Linkevicius, J. Vaitelis // Clinical
Oral Implants Research. – 2015. – Vol. 26, Suppl 11. – P. 139–147.
8. Döring K. Functional and esthetic considerations for single-tooth Ankylos implantcrowns:
8 years of clinical performance / K. Döring, E. Eisenmann, M. Stiller // Journal of Oral
Implantology. – 2004. – Vol. 30(3). – P. 198-209.
9. Tekin, S. Areas for use of PEEK material in dentistry / S. Tekin, S. Cangül,
O. Adiguzel, Y. Değer // International Dental Research. – 2018. – Vol. 8 (2). – P. 84-92.
10. Val, J.E. Peri-implant tissues behavior around non-titanium material: Experimental
study in dogs / J. E. Val, G. Gуmez-Moreno, C. P.Martнnez // Annals of anatomy. – 2016. –
Vol. 206. – P. 104-109.
11. Autodesk Inventor 11.0 [Електронний ресурс]. – Режим доступу : http://www.auto -
desk.com/products/autodesk-inventor-family/overview
12. Леоненко П.В. Скінчено-елементний аналіз імітаційної трьохвимірної моде-
лі біомеханічної системи "кісткова тканина – дентальний імплантат – супраконструк-
ція" / П.В. Леоненко, В.О. Єщенко // Вісник Національного технічного університету
України "Київський політехнічний інститут". Сер. : Машинобудування. – 2012. – № 65. –
С. 105–109.
13. Павленко О.В. Раціональне планування хірургічних та ортопедичних рекон-
структивних заходів шляхом створення індивідуальних імітаційних моделей біомеханічної
системи з дентальними імплантатами / О.В. Павленко, П.В. Леоненко, М.Г. Крищук,
В.О. Єщенко // Актуальні проблеми сучасної медицини: Вісник української медичної
стоматологічної академії. – 2013. – №21, Т.13, – С. 25-29.
14. Alpha-Bio Tec. STL models [Електронний ресурс]. – Режим доступу :
https://alpha-bio.net/media/10051/exocad-libraries-23jan19.zip
15. Пат. 68170 Україна, МПК G 01 N 3/00. Спосіб високоточної багатовимірної вір-
туальної імітації будови та функції зубощелепного апарату людини, ортодонтичних апа-
ратів, ортопедичних конструкцій зубних протезів, шин, шин-протезів, імплантатів та їх
протетичних елементів з метою експериментального моделювання їх функціонування /
Леоненко П.В., Леоненко Г.П., Крищук М.Г, Єщенко В.О.; заявник і патентовласник Леонен-
ко П.В., Леоненко Г.П. — №u 201115613; заявл. 29.12.2011; опубл. 12.03.2012, Бюл. № 5.
16. Chairside CAD/CAM materials. Part 2: Flexural strength testing / M. Wendler, R. Belli,
A. Petschelt [et al.] // Dental materials : official publication of the Academy of Dental Materials.
– 2017. – Vol. 33(1). – P. 99–109.
17. Mechanical performance of implant-supported posterior crowns / P. de Kok,
C.J. Kleverlaan, N. de Jager [et al.] // The Journal of prosthetic dentistry. – 2015. –
Vol. 114(1). – P. 59–66.
18. VITA Enamic, Научно-техническая документация [Електронний ресурс]. –
Режим доступу : https://mam.vita-zahnfabrik.com/portal/ecms_mdb_download.php?id=
82333&sprache=ru&fallback=&rechtsraum=&cls_session_id=&neuste_version=1
19. Della Bona A. Characterization of a polymer-infiltrated ceramic-network material /
A. Della Bona, P. H. Corazza, Y. Zhang // Dental materials : official publication of the Academy
of Dental Materials. – 2014. – Vol. 30(5). – P. 564–569.
20. A review of PEEK polymer’s properties and its use in prosthodontics. / G. Skirbutis,
A. Dzingutė, V. Masiliūnaitė [et al.] // Stomatologija. – 2017. – Vol. 19(1). – P. 19-23.
21. Schwitalla A. PEEK dental implants: a review of the literature / A. Schwitalla,
W.D. Müller // The Journal of oral implantology. – 2013. – Vol. 39(6). – P. 743–749.
22. The Micromorphological Research of the Internal Structure of Chairside CAD/CAM
Materials by the Method of Scanning Impulse Acoustic Microscopy / K.E. Goryainova, E.S. Morokov,
M.V. Retinskaja [et al.] // The open dentistry journal. – 2018. – Vol. 12. – P. 125–132.
23. Odgaard A. The underesmimation of Young’s modulus in compressive testing of
cancellous bone spesimens / A. Odgaard, F. Linde // Journal of biomechanics. – 1991. –
Vol. 24(8). – P. 691–698.
24. Natali A.N. A review of the biomecanic properties of bone as a material / A.N. Natali,
E.A. Meroi // Journal of Biomechanical Engineering. – 1988. – Vol. 11(4). – P. 266–276.
25. Anisotropic Poisson’s ratio and compression modulus of cortical bone determined
by speckle interferometry / R. Shahar, P. Zaslansky, M. Barak // Journal of biomechanics. –
2007. – Vol. 40(2). – P. 252-264.
26. Маланчук В.О. Імітаційне комп'ютерне моделювання в щелепно-лицевій
хірургії / В. О. Маланчук, М. Г. Крищук, А. В. Копчак — К. : Видавничий дім «Асканія». –
2013. – 231 с. – ISBN 978–966–2203–17–2.
27. Леоненко П.В. Створення і аналіз імітаційних 3D моделей біомеханічних
систем "зуб - періодонт - щелепа" з метою експериментального вивчення змін їх біоме-
ханіки у пацієнтів з генералізованим пародонтитом / П.В. Леоненко // Збірник наукових
праць співробітників НМАПО ім. П. Л. Шупика. – К., 2012. – №21, кн.4. – С. 40–57.
28. Трофименко О.А. Визначення напружено-деформованого стану тканин паро-
донту в залежності від ступеня атрофії альвеолярного відростка / О.А. Трофименко //
Современная стоматология. – 2007. – № 1. – С. 115–118.
29. А. с. 49228 Україна. Комп’ютерна програма для аналізу розшифровки та кіль-
кісного представлення величин оклюзійних навантажень на оклюзіограмах, відображених
на полях тиску вимірювальної плівки Fuji Prescale Pressure Messuring System (Fuji Photo
Film Co., Ltd., Tokyo, Japan) / В.О. Єщенко, М.Г. Крищук, П.В. Леоненко, Г.П. Леоненко. –
№ 49485 ; заявл. 14.03.2013; зареєстр.18.05.2013.
30. Алгоритм надання комплексної діагностично-лікувальної допомоги пацієнтам з
дефектами зубних рядів і генералізованим пародонтитом з використанням методу дентальної
імплантації та CAD / CAE / CAM технологій: метод. рекомендації / О.В. Павленко [та ін.]. –
Вінниця: ПП Балюк, 2013. – 52 с.
31. Леоненко П.В. Впровадження алгоритму (протоколу) надання комплексної
діагностично-лікувальної допомоги пацієнтам з генералізованим пародонтитом, остео-
патіями та дефектами зубних рядів з використанням методу дентальної імплантації та
CAD / CAE / CAM технологій / П. В. Леоненко // Зб. наук. праць співробітників НМАПО ім.
П. Л. Шупика. – К., 2012. – Вип. 21, кн. 2. – С. 139–162.
32. ANSYS, Inc. [Електронний ресурс]. – Режим доступу : http://www.ansys.com

Published

2020-07-03

Issue

Section

AN EXPERIMENTAL SECTION