Analysis of bone–implant interaction phenomena by using a numerical approach
Abstract
enObjectives: The purpose of the present work is to investigate the interaction phenomena occurring between endosseus dental implants and peri-implant bone tissue.
Material and methods: Detailed finite element models are adopted in order to analyze the actual behavior of bone–implant system depending on implant and anatomical site configuration and loading conditions. Different types of titanium dental implants are considered. Implant finite element models are obtained through a reverse engineering procedure and adopting specific software for the reconstruction of geometrical configuration. Anatomical sites are modeled starting from computerized tomography data, according to specific image processing procedures.
Results: Occlusal static forces are applied to the implants and their effects on the bone–implant interface region are evaluated. The influence of several parameters, such as morphometry of anatomical site or loading condition, on the biomechanical response of bone–implant system is considered.
Conclusions: The evaluation of the biomechanical response of implant–bone compound necessarily requires the adoption of accurate numerical models, accounting for the complex geometry of threaded implants, as well as of the anatomy of the patients to be able to provide for reliable results pertaining to stress/strain path on peri-implant bone tissue.
Résumé
frLe but de l'investigation présente a été d'étudier les phénomènes d'interaction existant entre les implants dentaires endoosseux et le tissu osseux paroïmplantaire. Des modèles d'éléments finis détaillés ont été adoptés afin d'analyser le comportement présent du système os-implant dépendant des conditions de charge et de configuration du site anatomique. Différents types d'implants dentaires en titane ont été considérés. Les modèles d'éléments finis implantaires ont été obtenus à travers un processus d'ingénieurie renversée et ont adopté des logiciels spécifiques pour la reconstruction de la configuration géométrique. Les sites anatomiques ont été modelés à partir des données CT suivant des procédés de traitement d'images spécifiques. Des forces statiques occlusales ont été appliquées sur les implants et leurs effets sur la région interface os-implant évalués. L'influence des différents paramètres tels que la morphométrie du site anatomique ou la condition de charge sur la réponse biomécanique du système os-implant a été analysée. L'évaluation de la réponse biomécanique du complexe os-implant requiert nécessairement l'adoption de modèles numériques de précision à cause de la géométrie complexe des implants filetés, ainsi que de l'anatomie des patients pour être capable d'apporter des résultats fiables concernant la voie tension/stress sur les tissus osseux paroïmplantaires.
Zusammenfassung
deZiel: Das Ziel dieser Arbeit ist es, die auftretenden Interaktionen zwischen enossalen Zahnimplantaten und dem periimplantären Knochengewebe zu untersuchen.
Material und Methode: Man konstruierte eine detaillierte Modellsituation mit einem Finite-Element, so dass man das unmittelbare Verhalten des Knochen-Implantatsystems in Abhängigkeit zum Implantat, den stellenspezifischen anatomischen Bedingungen und den Belastungsbedingungen analysieren konnte. Man berücksichtigte verschiedene Typen von Zahnimplantaten aus Titan. Die Finite-Elemente mit den Implantaten entstanden in einem umgekehrten Bauverfahren mit Hilfe einer speziell hergestellten Software zum Aufbau von geometrischen Modellen. Die anatomischen Stellen wurden basierend auf CT-Daten mit einem speziellen Bildverarbeitungsprozess aufgebaut.
Resultate: Man untersuchte die Einflüsse von statischen okklusalen Kräften auf die Implantate und auf die Verbindungsstellen zwischen Knochen und Implantat. Man berücksichtigte den Einfluss von verschiedenen Parametern, wie zum Beispiel der Morphometrie der anatomischen Stellen oder der Belastungsbedingungen auf die biomechanische Antwort des Knochen-Implantatsystems.
Zusammenfassung: Die Untersuchung der biomechanischen Antwort auf den Implantat-Knochenverbund verlangt unbedingt die Anpassung eines geeigneten nummerischen Modells. Dies muss sowohl der komplexen Geometrie von Schraubenimplantaten wie auch der Anatomie des Patienten Rechnung tragen, damit wir die Möglichkeit haben, verlässliche Resultate zu erhalten, welche sowohl Einflüsse von Kraftgrösse wie auch -richtung auf das periimplantäre Knochengewebe berücksichtigen.
Resumen
esObjetivos: El propósito del presente trabajo es investigar el fenómeno de la interacción que ocurre entre implantes dentales endoóseos y el tejido óseo periimplantario.
Material y métodos: Se adoptaron modelos detallados de elementos finitos en orden a analizar el comportamiento actual del sistema hueso-implante dependiendo en la configuración y en las condiciones de carga del implante y de la situación anatómica. Se consideraron diferentes tipos de implantes dentales de titanio. Los modelos detallados de elementos finitos de implantes se obtuvieron a través de un procedimiento de ingeniería reversa y adoptando programas específicos para la reconstrucción de la configuración geométrica. Los lugares anatómicos se modelaron empezando por los datos CT, de acuerdo con procedimientos específicos de proceso de imágenes.
Resultados: Se aplican fuerzas oclusales estáticas sobre los implantes y se evalúan sus efectos sobre la región de la interfase hueso-implante. Se consideran la influencia de diversos parámetros, tales como la morfometría de la situación anatómica o la condición de la carga, sobre la respuesta biomecánica del sistema hueso-implante.
Conclusiones: La evaluación de la respuesta biomecánica del compuesto hueso-implante requiere necesariamente la adopción de modelos numéricos precisos, contando con la compleja geometría de los implantes roscados, además de la anatomía de los pacientes de ser capaz de proporcionar resultados fiables referentes a la vía del estrés/estrain en el tejido óseo periimplantario.
