Диссертация (Инновационная российская система дентальных имплантатов - разработка, лабораторные исследования и клиническое внедрение), страница 9

С целью оценки механическиххарактеристик материалов были использованы модуль Юнга (модуль упругости)– физическая величина, характеризующая свойство материала сопротивлятьсяупругой деформации, и коэффициент Пуассона, явлющийся показателемстепени анизотропности материала. Механические характеристики материалов,используемые в моделях, приведены в таблице 2.1.Таблица 2. 1 – Механические характеристики материалов расчётной моделиМатериалМодуль Юнга, ГПаКортикальная костьГубчатая костьТитанКоэффициентПуассона0.30.30.38241.3110Первая серия расчётов была направлены на выявление оптимальнойконструкции узла сопряжения супраструктуры и имплантата, с точки зрения,распределения нагрузки в самой системе и в окружающей кости.Для расчётов был выбрана модель имплантат ИРИС ЛИКО-М диаметром4.0 мм, длиной 10 мм, отличия касались вида соединения абатмента симплантатом.

На рисунке 2.1 представлены расчётные модели конструкцийимплантатов.Вкачествеконтрольноймодели,использованнойдля демонстрации влияния узла сопряжения имплантата и абатмента на костнуюткань, была построена модель неразборного моноимплантата. Характеристикипостроенных моделей: модель с моноимплантатом состоит из 1 270 000элементов, модели с абатментом и фиксирующим винтом от 1 443 000 до1 462 000 элементов.

При этом у всех моделей характерный размер элемента награницах контактирующих деталей составляет 0.1 мм и во внутреннем объёме 0.4 мм. На рисунках 2.2-2.3 показаны расчётные конечно-элементные модели.47M1M3M5M7M2M4M6M8Рисунок 2.1 Схемы расчётных моделей с различным углом градусаконического соединения и цилиндром разной высоты: M1- 9°, высота 0.45мм; M2 - 9°, высота 1.85 мм; M3 - 5°, высота 0.45 мм; M4- 5°, высота 1.85 мм;M5 - 1.25°, высота 0.45 мм; M6 - 1.25°, высота 1.85 мм;M7 - цилиндр, высота 0.45 мм; M8 - цилиндр, высота 1.85 ммРисунок 2.2 - Расчётная конечноэлементная модель смоноимплантатом(трёхмерный вид в разрезе)Рисунок 2.3 - Расчётная конечноэлементная модель составногоимплантата – M1-M8(трёхмерный вид в разрезе)48Поведение границы раздела между костными слоями и деталями из титанапринималась связанной в обоих направлениях: нормальном и касательном; вэтом случае данные детали ведут себя как единое целое.

Между титановымидеталями учитывалось стандартное контактное взаимодействие с возможностьюзамыкания, размыкания и проскальзывания с коэффициентом трения равным0.3. Граничным условием является фиксация модели кости по торцевым граням.Нагружениеимплантатаосуществляетсяокклюзионнойсилой(F),прикладываемой к его торцевой поверхности. При этом сила равномернораспределялась по всей торцевой поверхности и определялась с использованиемсредних физиологических значений жевательной силы: 114.6 Н сверху-вниз,17.1 Н - в язычную сторону и 23.4 Н - вперед в мезиальном направлении подуглом 75° к окклюзионной плоскости.

Модель расположена в пространстветаким образом, что в её системе координат ось Z является осевым направлением,ось X - в язычном направлении и ось Y - в мезиальном. Исходя из этого,компоненты вектора окклюзионного усилия принимают следующие значения:Fx=17.1 Н, Fy=6.06 Н и Fz=-137.2 Н. Затяжка фиксирующего винта составляет 25Н*см, что при известных параметрах резьбового соединения и коэффициентетрения между материалами k=0.3 даёт осевое усилие равное 400 Н. Резьбовыеучастки на фиксирующем винте и на ответной стороне имплантата в моделипредставлены гладкими поверхностями, при этом характерное неравномерноераспределение напряжений по виткам вычисляется косвенно, с помощьюспециально разработанной модели поведения контактной поверхности междуними с учётом заданных параметров резьбы (средний диаметр, угол резьбы, шаги заходность).Длямоделейссоставнымимплантатомнагружениеосуществлялось в два этапа: на первом этапе происходит затяжка резьбовогосоединения абатмента и имплантата с усилиием 25 Н*см с помощью заданияосевого усилия затяжки на поверхность стержня фиксирующего винта.

Навтором этапе фиксируется затяжка фииксирующего винта и прикладываетсяокклюзионнаянагрузка.происходило в один этап.Длямоделисмоноимплантатомнагружение49Вторая серия математических расчётов была направлена на выявлениепредела прочности сборной конструкции имплантата по уровню началапластической деформации. Спроектированая для этого математическая модельимитировалапрочностныеиспытаниясборнойконструкцииимплантатасогласно ГОСТ Р ИСО 14801-2012 «Стоматология. Имплантаты. Усталостныеиспытания для внутрикостных стоматологических имплантатов».

В модель былизаложены размеры разработанного опытного образца имплантата ИРИС ЛИКОМ диаметром 4.0 мм и длиной 10 мм, и абатмента, которые в дальнейшемпроходили прочностные испытания. Результаты расчетов нагружения данноймодели сравнивали с реальными испытаниями опытных образцов имплантатовпо ГОСТ Р ИСО 14801-2012. На рисунке 2.4 представлена схема математическоймодели (А) и схема прочностных испытаний имплантата (Б) по ГОСТ Р ИСО14801-2012. В математической моделе полусферический элемент и абатментсоставляли единое тело, что не влияет на расчёты, но упрощает его и экономитрасчётные мощности и время.Рисунок 2.4 - Расчётная конечно-элементная модель прочностных испытанийпо ГОСТ Р ИСО 14801-2012 (А),схема нагружений модели имплантата по ГОСТ Р ИСО 14801-2012 (Б):1 - устройство для прикладывания нагрузки, 2- полусферическийнагружаемый элемент с абатментом, 3 - тело имплантата,4 - удерживающий элемент502.1.2.

Моделирование динамической нагрузки на имплантаты с коническими цилиндрическим узлами сопряженияДля моделирования динамической нагрузки в работе использовалинелинейныйдинамическийанализ,применяемыйдлядинамическогомоделирования в промышленных областях. Целью данного вида моделированиявотношенииконструкцийдентальныхимплантатовявиласьоценкадинамического поведения конструкции, что невозможно при статическоммоделировании методом конечных элементов [259].В данной работе мы проводили сравнительный динамический анализ МКЭконструкции имплантата с коническим узлом сопряжения (5°) – модель «M4» ицилиндрическим узлом сопряжения – модель «М8», которые при статическихиспытаниях были определены как наиболее перспективные с точки зренияпрочности.Аппроксимированныедиаграммыдеформированиядляупругопластических моделей титана Grade 4 и Grade 5, применяемых в расчётах,представлены на рисунке 2.5.1200Напряжение,МПа1000800600400Grade4Grade5200000,020,040,060,080,10,12Деформация,ед.Рисунок 2.5 – Диаграммы деформирования материалов моделив истинных координатах0,1451Систему нагружали к поверхности верхнего торца абатмента (поверхностьнагружения), точка приложения и зависимость во времени которой, показана нарисунке 2.6.

В качестве граничных условий принята заделка внешнейповерхности имплантата.Рисунок 2.6 – Схема силового динамического воздействия на систему2.1.3. Математическое моделирование нагрузки на костную ткань вокругразличных имплантатов системы ИРИСВ результате проведения первой и второй серии расчётов (пункт 2.1.1,2.1.2) и получения результатов (пункт 3.2) была выбрана оптимальнаяконструкция узла сопряжения имплантата и супраструктуры в виде конуса 5°высотой 1.8 мм.Дальнейшее моделирование проводилось в отношении взаимодействиятела имплантата и окружающей костной ткани.

Для этого были построены 2принципиально отличающиеся макрорезьбой резьбой 3D модели. Одна измоделей соответствовала имплантату с неагрессивной резьбой ИРИС ЛИКО М,вторая – с агрессивной ИРИС Эволюшн (Рисунки 2.7, 2.8).52Рисунок 2.7 – Схема расчетноймодели имплантата ИРИС ЛИКО-М снеагрессивной резьбойРисунок 2.8 – Схема расчетноймодели имплантата ИРИС ЛИКО-МЭволюшн с агрессивной резьбойПлощадь контактной поверхности ИРИС ЛИКО -М составила 158.27 мм²,ИРИС ЭВОЛЮШН 240.44 мм². Особенностью разработанных моделей явилосьто,чточастьусловий,заложенныхвних,выступаливкачествепараметрических, т.е.

изменяемых величин. Это позволяло после проведенияосновногорасчётапомодели,менятьчастьисходныхданныхбезгеометрических перестроений и после повторного расчёта получать новыеданные. В качестве параметрического показателя был принят способ соединенияимплантата и кости.В первом случае оба имплантата выступали как остеоинтегрированные,для этого граничащие между собой конечные элементы поверхности имплантатаи костной ткани принимались как конформно связанные между собой. Расчёттаких моделей был направлен на выявление отличий в формированииэквивалентных напряжений в кости вокруг остеоинтегрированных имплантатов.Во втором случае, в описанных моделях исключали «связанность»поверхностей, что соответствовало только установленному в кость, но ещё не53интегрированномуимплантату.Расчётмоделейстакимпараметромсоответствовал клинической ситуации при немедленной имплантации инагрузке,ибылнаправленнавыявлениеотличийвформированииэквивалентных напряжений в кости вокруг установленных имплантатов иобразованиие микрозазоров при нагружении имплантатов.

Моделироваливертикальную окклюзионную нагрузку в 200 Н, так как она чаще всеговоздействует на зубы.2.1.4. Проверка достоверности результатов математическогомоделированияАнализдостоверностипредложеннойсхемычисленногорешенияэкстремальных задач осуществлялся с помощью следующих индуктивныхприемов: 1) сопоставление результатов расчёта с аналогичными, полученнымина основе известных точных решений; 2) сравнение решений одной и той жезадачи при заданном и большем числе конечных элементов; 3) сравнениезначений усилий и моментов, вычисленных с использованием уточняющейитерационной процедуры и при простом МКЭ.Метод конечных элементов весьма чувствителен к плотности расчётнойсетки, поэтому если при уменьшении характерного размера расчётногоконечного элемента, например, в два раза, изменение результата будетв пределах 10%, то полученный результат считают достаточно достоверным дляоценки прочности конструкции.Поэтому, прежде чем проводить серии расчётов, которые спланированыв рамкахданнойработы,былиотработаныразмерырасчётныхсетокдля контактных поверхностей элементов сборной модели имплантата.Для этого проведён расчёт на модели имплантата с различной величинойрасчётной сетки.

Исходный размер конечного элемента составил 0.1 мм(Рисунок 2.9), для сравнения была сгенерирована расчётная сетка с конечнымиэлементами 0.05 мм (Рисунок 2.10).54Рисунок 2.9 – Расчётная модельимплантата с размером конечныхэлементов 0.1 ммРисунок 2.10 – Расчётная модельимплантата с размером конечныхэлементов 0.05 мм2.1.5. Исследование прочности опытных образцов имплантатов ИРИС пристатическом и циклическом нагруженииВкачествеобъектовисследованиястатическихициклическихпрочностных испытаний были выбраны сборные конструкции имплантатовИРИС ЛИКО-М диаметром 3.5 мм и 4.0 мм, длиной 10 мм. В имплантатывставляли абатмент для постоянного протезирования прямой, d=5 мм, с углом 0о,длиной 6 мм. Фиксирующий винт затягивали с моментом 25 Н*см.Испытания проводились по стандарту ГОСТ Р ИСО 14801-2012«Стоматология.

Имплантаты. Усталостные испытания для внутрикостныхстоматологическихимплантатов».Усталостныеиспытанияпроводилисьпри циклическом нагружении с коэффициентом асимметрии цикла нагруженияR=0.1.Имплантат(всборесабатментом)закреплялсяв специальнойполимерной гильзе (из полиметилметакрилата) с помощью эпоксидногокомпаунда на 3±0,5 мм апикальнее торца гильзы.