Ánálise
de tensões em implantes
osseointegrados por elementos finitos:
variação da inclinação da cúspide e
largura da mesa ocllusal.
Finite
element stress analysis in ossointegrated
impants: variation of cusp inclination and occlusal table width.
O presente trabalho consiste em uma análise de tensões por elementos finitos de implantes osseointegrados com variação no desenho da prótese. Foram comparadas proteses sobre implantes mediante variação do ângulo de inclinação dacúspide e largura da mesa oclusal. Gonstatouse que o aumento no ângulo cuspídeo acarretou uma elevação das tensões nos componentes, assim como as coroas com uma mesa oclusal de maior diâmetro vestíbulo-lingual apresentaram também um aumento de tensões no complexo pilar-implante.
Abstract
The
present article consists in a stress analyze using finite elements method to
study lhe stress variation of prothesis designo It was compared protheses
supporting by osseointegrated implants with variation inthe cusp inclination
angle and lhe width of occlusal tabIe. The results demonstrated high stress
levei in protheses crowns with an increasing in lhe cusp angle and in the crowns
with an increasing in the occlusal table width.
Implante
dentário, análise de elemento finito, análise de te~sões em implantes
Dental
Implant, finite element analysis, stress analysis implant.
Introdução
O
novo conceito da osseointegração propiciou a reabilitação dos arcos edêntulos
com implantes dentários como uma práricaclinicade rotina. BRANEMARKetal.,
(1987) propuseram protocolos que foram comprovados clinicamente por ADELL et
ai., (1981), demonstrando um elevado índice de sucesso.
No
entanto, a literatura científica apresenta vários aspectos relacionados com as
complicações das reabilitações com implantes osseointegrados. Dentre as
complicações citadas, as complicações mecânicas na prótese podem levar a
situações clinicas de difícil solução.
(ADELLetal,
1981;RANGERTetal, 1989;NAERTetal.1992, MORGAN
&JAMES.1993,LANEYetal, 1994,HAASetaI1995, BALSHI I 996,McGLUMPHY etalI998,ECKERTetal,2000)
RANGERT (1995), em análise retrospectivaafinnaram que
a
sobrecarga pode levar a uma reabsorção e que esta parece preceder e contribuir
para a fratura de componentes dos implantes osseointegrados.
Aspectos
relacionados ao desenho da prótese podem ser considerados como
potencializadores de forças decorrentes da carga mastigatória.
WEINBERG
& KRUGER( 1995), afinnaramque para cada 100 de aumento na inclinação da
vertente da cúspide, acarreta em 30% de aumento da carga sobre a estrutura.
McGLUMPHY
(1998), afirmaram que supraestruturas protéticas com as mesas oclusais largas
propiciam a ocorrência de contatos excêntricos e com isso são gerados
momentos e tensões desfavoráveis para o sistema.
O
presente trabalho consiste em uma analise de tensões geradas sobre implantes
osseointegrados, utilizando o método de elementos finitos foram realizadas
simulações mediante a modelagem de reabilitações unitárias com implantes
osseointegrados, no sentido de avaliar o comportamento mecânico da estrutura em
função do desenho da prótese. Por isso foram avaliados 2 tipos de variações
no desenho das supraestruturas que foram a mesa oclusal e o ângulo cuspídeo.
Utilizouse
o método dos elementos finitos objetivando simular o carregamento de próteses
sobre implantes osseointegráveis, com o auxílio do programa Ansys. Este
programa vem sendo descrito pela literatura como adequado e preciso para avaliação
de sistemas complexos, tais como os componentes dos implantes osseointegrados
(HOLMGREN, 1998;BARBIERetal, 1998; STEGAROIUetal. , 1998a; I
998b).
Para a avaliação das tensões desenvolvidas no complexo pilar-implante foi confeccionado um modelo que representa as relações entre estas estruturas. Foram utilizadas as dimensões de peças fabricadas e comercializadas pela empresa Conexão Sistema e Próteses (São Paulo, SP).
Utilizou-se
um implante osseointegrado rosqueávelde hexágono externo, que é confeccionado
em titânio comercialmente puro. Foram utilizados implantes de 3,75 mm de diâmetro
por 10,00 mm de comprimento e implantes com 5,00 mm de diâmetro por 10,00 mm de
comprimento. (MORAES, era/., 2001)
O
pilar intermediário foi do tipo Esteticone, indicado para próteses
parafusadas. Estes pilares foram fixados ao implante por intermédio do parafuso
de fixação do pilar, que também foi modelado no desenho.
Para
supra estrutura protética, foram modelados os componentes protéticos: o
cilindro ou "coping" de ouro do tipo conafuso de ouro na parte
superior do pilar intermediário e a coroa protética adaptada ao cilindro de
ouro com revestimento de porcelana, coroa angulada de 30 o e mesa oclusal
estreita (2,5mm).
Um
corte longitudinal destas estruturas foi modelado.
Desta
forma, determinou-se a localização dos pontos do modelo e gerou-se uma malha
de elementos finitos que permitiu uma discretização das estruturas que
compunham o modelo, tendo sido realizada a análise de convergência da malha.
Foram
utilizadas no programa as propriedades mecânicas dos materiais envolvidos neste
trabalho. O módulo de elasticidade e o coeficiente de Poisson para os materiais
envolvidos neste trabalho foram retirados da literatura e são apresentadas na
Para
a viabilização deste trabalho, buscando tornar a modelagem e a solução do
processo possíveis, foram adotadàs algumas hipóteses simplificadoras. Os
materiais envolvidos nesta análise foram considerados homogêneos, isotrópicos
e linearmente elásticos. Uma estrutura axissimétrica foi definida para o
modylo geométrico bidimensional. Umasecção longitudinal das estruturas foi
modelada.
As
estruturas foram modeladas como sendo uma única peça, considerando-se as uniões
entre os componentes como uma união rígida, não permitindo qualquer movimentação
relativa entre os componentes, o que tornou a análise estática e linear.
Os carregamentos
atuantes nas estruturas modeladas neste
trabalho são diversificados, e optamos por considerar situações críticas
envolvendo condições de carregamento axial. Os esforços foram aplicados através
de cargas concentradas em pontos reconhecidos como críticos do ponto de vista
da estrutura em serviço.
O
valor da força aplicada foi retirado da literatura. (CAPUTO
& STANDLEE,
1987;RICH1ER, 1995).
A
análise efetuada constituiu na aplicação' de uma carga axial de 100 N
concentrada na metade do raio da pró tese (distribuída em uma linha) para análise
da variação do ângulo de inclinação da cúspide (30 ° e 45 O); e uma carga
axial de 100 N distribuídaem um segmento de 1,55 mm próximo a extremidade da
coroa protética (carga distribuída em uma área) para a.nálise da variação
da largura da mesa oclusal (estreita e larga).
Para
o emprego do MEF é necessário definir as condições de contorno para o
modelo, ou seja, determinar os pontos que irão fixar o modelo no espaço e se
opor às forças externas.
Nas
análises de variação do ângulo de inclinação da cúspide e variação da
largura da mesa oclusal, foram restringidos os movimentos dos nós do implante
que estão em contato com o tecido ósseo.
Foram
avaliados o comportamento biomecânico das regiões correspondentes ao implante
osseointegrado, aos componentes de sua supraestrutura e seu tecido ósseo de
suporte. Os valores das tensões foram obtidos a pm"tir das imagens gráficas
das tensões de Von Mises obtidas com o programa Ansys. Análise qualitativa foi
realizada por observação visual das imagens. A análise quantitativa foi
realizada através do gradiente de cores que fornece o valor máximo e mínimo
para cada cor que representa a intensidade de tensão ocorrida em uma região em
N/mm2 ou MPa.
A
partir das imagens gráficas geradas pelo programa para a condição de ângulo
de inclinação da cúspide de 30 O(FIG.l) e ângulo de inclinação da cúspide
de 45° (FIG.2), foi possível determi nar as tensões máximas para os
componentes modelados no presente trabalho.
Na
análise de variação do ângulo de inclinação da cúspide, as tensões máximas
para os componentes são apresentadas na TAB.2.
Estes
resultados mostraram que a tensão máxima foi obtida para o componente coroa
protética, próximo à região de aplicação da carga para ambas inclinações
de ângulo cuspídeo.
A
coroa protética e o parafuso de ouro mostraram um aumento de aproximadamente
40% nas tensões para a condição de ângulo de inclinação da cúspide de 45°.
A partir das imagens obtidas para a análise da variação da largura da mesaoclusal em estreita (FIG.3) e larga (FIG.4), determinou-se as tensões máximas obtidas para os componentes modelados neste trabalho.
Na análise da variação da largura da mesa oclusal, as tensões máximas obtidas para cada componente modelado são apresentadas na TAB.3.
As
tensões máximas foram observadas na região inferior, do pilar intermediário
paraacondição de mesaoclusal estreita (2,5 mm) e mesa oclusallarga (3,5 mm).
As tensões para esta região apresentaram-se aumentadas em aproximadamente 140%
para a condição de mesa oclusallarga.
Na
T AB.3, é possível v~rificar que as tensões nos componentes analisados foram
maiores para a condição de mesa oclusallarga.
Discussão
Analisando-se
a variação do ângulo de inclinação da cúspide com 30 ° (FIG.I) e 45°
(FIG.2), observou-se tensões máximas no ponto de aplicação da carga na coroa
protética, para ambos os modelos, tendo sido encontrados os valores de 7,0 N/ mm2e
ION/mm2respectivamente(TAB. 2). Oaumentodainclinação da cúspide em 50 %,
induziu aumento da tensão em 40 %
.na
coroa protética.
Para
o parafuso de ouro os valores máximos de tensões encontrados foram de2,3 N/mm2
e 3,3 N/mm2respectivamente para o modelo com ângulo de inclinaçãode300e45 °.
Assim como na coroa protética, ocorreu aumento de aproximadamente 40 % no nível
de tensão observada no parafuso de ouro com inclinação da cúspide de 45 °.
Para
o cilindro de ouro, pilar intermediário e parafuso de fixação do pilar intermediário,
as tensões máximas encontradas foram de 2,2N!mm2.
Para
o implante a tensão máxima foi de 1,5 N!mm2. Os níveis de tensões encontrados
para estes componentes foram, portanto, similares para ambos os modelos.
WEINBERG
(1993) concluiu que o ângulo de inclinação da cúspide da coroa protética é
um fator importante nas reabilitações com implantes e sugere uma inclinação
pequena da cúspide. WEINBERG&KRUGER(1995),afirmaramque: l)para cada 10 graus
de aumento na inclinação da vertente da cúspide, existe aproximadamente 30% de
aumento da carga transferida ao sistema implante/prótese.
KAUKINEN eta/., (1996), estudaram a influência da forma oclusal na transferência de forças mastigatórias em próteses implanto suportadas. Variando o ângulo de inclinação dacúspide em O o e 30 o, verificaram que os modelos de O o apresentaram redução de 50 % nas cargas dissipadas na prótese e no tecido ósseo. Observaram que quanto menor a inclinação das vertentes das cúspides, menores seriam as forças laterais ou transversais, o que beneficia a manutenção e preservação da osseointegração e dos componentes do sistema.
No
presente trabalho, um aumento de 15 o na inclinação da cúspide, gerou um aumento
de 40 % nas tensões transferidas aos componentes coroa protética e parafuso de
ouro. Este resultado está de acordo com os encontrados por WEINBERG & KRUGER
(1995) e KAUKlNEN et alo (1996), mostrando que a redução da inclinação
das cúspides é mais favorável, promovendo melhor dissipação das cargas nos
componentes do sistema
Na
presente análise a largura da mesa oclusal foi mantida e apenas a inclinação
da cúspide foi alterada.
Com
o aumento do ângulo de inclinação da cúspide, verificamos um aumento da área
da coroa protética e um aumento das tensões cisalhantes. Comparando-se a cúspide
com um plano inclinado, o ângulo de inclinação da cúspide será o ângulo
que o plano inclinado faz com a horizontal. Então, uma força aplicada na coroa
protética na direção do longo eixo do implante, ou em um plano inclinado,
apresenta duas componentes. Uma componente normal ao plano inclinado no ponto de
aplicação e outra componente paralela ao plano no mesmo ponto. A componente
paralela ao plano terá valor igual ao produto da força aplicada pelo seno do
ângulo de inclinação (FIG.5).
Portanto, quanto maior o ângulo de inclinação deste plano, ou quanto maior o ângulo de inclinação da cúspide, maior será a componente que é paralela ao plano, e maiores serão então as tensões de cisalhamento. O fato das forças anguladas ou transversais gerarem componentes de cisalh~ento, prejudici-ais aos implantes, foi também relatado por RANGERT etal., 1989; RlCHTER, 1995;NAERT, 1998EBRUNSKI, 1998. Oprocessode mastigação produz principalmente forças verticais na dentição. São também criadas forças transversais em função do movimento horizontal da mandíbula e da anatomia dentária (inclinação das cúspides dentárias). Estas forças são transferidas através da prótese ao implante e finalmente ao osso. As forças axiais são mais favoráveis, distribuindo o esforço com r:nais regularidade por todo o implante (RANGERT et ai., 1989; RICHTER, 1995; NAERT, 1998;BRUNSKI, 1998).
Uma
carga axial aplicada na coroa protética produz uma força resultante, cuja
linha de ação é perpendicular à inclinação da cúspide. O momento
produzido por esta força em relação ao implante é igual ao produto da força
aplicada pela distância perpendicular entre a linha de ação da força e o
implante. Com o aumento do ângulo de inclinação da cúspide, pode se observar
que a distância perpendicular entre a linha de ação da força e o implante
aumenta. Assim, temos um aumento do momento na estrutura (FIG.6).
Este
fato poderia explicar o aumento das tensões para a condição de carregamento
com inclinação da cúspide de 45 °, observada no pres~nte trabalho, sendo
portanto, a mais crítica.
Neste
trabalho, como foi anteriormente citado, foram analisadas ainda as condições
de mesa oclusal estreita (1,5mm) elarga(3,5mm).
Mantendo-se todos os parâmetros constantes e variando-se a largura da mesa oclusal, pode-se constatar que o aumento da largura da mesa oclusal não apresenta diferenças qualitativas significantes entre os dois perfis de distribuição de tensões. (FIG.3 e FIG.4). Mas, háditerença no valor das tensões quando se modifica a largura da mesa oclusal.
As
maiores tensões observadas, ao analisarmos a mesa oclusal estreita (2,5 mm) e a
larga (3,5 mm), ocorreram na região inferior do abutment, e atingiram o valormáximode
1,3 N/mm2 e 3, I N/mm", respectivamente. (T AB. 6.6). Sendo o segundo valor
cerca de 140 % maior que o primeiro.
Ao
analisarmos as tensões para a condição de mesa oclusal maior, verificamos um
aumento do nível de tensões em todos os componentes do sistema de implante
osseointegrado., quando comparado com a condição de mesa oclusal estreita.
Na
coroa protética observou-se o valor máximo de 0,7 N/ mm:!e I,ON/mm2 para mesa
o clusal estreita e mesa oclusal larga,
respecti vamente. Para o implante os valores foram 1,2 N/mm2 e 1,7 N/mm:!,
respectivamente. Estes valores correspondem a tensões aumentadas para o
implante em aproximadamente 40 % para a condição de mesa oclusallarga quando
comparada com a condição de mesa oclusal estreita.
Para
o parafuso de ouro, cilindro de ouro e parafuso de fixação do pilar intermediário,
as tensões máximas encontradas foram 90% maiores para a condição de mesa
oclusal larga quando comparada com as observadas para a condição de mesa
oclusal estrcita.
Segundo
RICHTER (1989), para minimizaros problemas causados por cargas horizontais, é
aconselhável o aumento do diâmetro do implante e o estreitamento da mesa
oclusal. Resultadosemelhante foi obtidoporWEINBERG( 1993), oqual analisou a
largura da mesa oclusal ou largura da coroa protética, concluindo que uma mesa
oclusal estreita reduziria as cargas sobre os implantes, resultado que também foi
encontrado neste trabalho, onde se observou a redução dos níveis de tensões
para todos os componentes do sistema de implante osseointegrado analisado, para
a condição de mesa oclusal estreita.
RANGERT
eta/., (1995), em análise retrospectiva afirmaram que a sobrecarga induz
a uma reabsorção óssea e que esta parece preceder e contribuir para a fratura
dos componentes do implante. Sugerem a diminuição dos braços de alavanca, estreitamento
da mesa oclusal, e a centralização dos contatos oclusais com o objetivo de reduzir
a ocorrência de cargas excêntricas, responsáveis pela fIexão da estrutura e
por gerarem um momento maior. Estas cargas associadas a uma mesa oclusal larga
geram tensões elevadas na região inferior do pilar intermediário na região de
osso cortical, podendo levar a uma severa reabsorção óssea e conseqüentemente
a perda do implante, confolme dito anteriormente.
Mc
GLUMPHY .(1998), afirmam que mesas oclusais largas promovem contatos excêntricos.
Os resultados encontrados no presente trabalho mostraram que a mesa oclusal mais
larga deve ser evitada, uma vez que gerou tensões mais elevadas nos componentes
do sistema. Para se manter os componentes dos sistemas de implantes em condições
de suportarem as. cargas mastigatórias, deve-se ajustar a oclusão de forma a
direcionar élS forças na direção do longo eixo do implante, reduzindo-se o
braço de alavanca, e a ocorrência de contatos excêntricos.
Os
resultados de simulação por elementos finitos variando-se a largura da mesa
oclusal, mostram que quanto maior a mesa oclusal, mais desfavorável é a
distribuição de tensões. Este comportamento pode ser atribuído ao aumento do
momento gerado petas cargas excêntricas, as quais estão presentes na estrutura
quando em função (FIG. 7)
A
analise da variação do ângulo de inclinação da cúspide de 30 ° para 45°,
mostrou que a condição de cúspide inclinada de 45 o é crítica em relação
a de 30 °.
Verificou-se
que o aumento da inclinação aumenta as tensões na coroa protética e no
parafuso de ouro. Para o cilindro de ouro, pilar intermediário, parafuso de
fixação do pilar intermediário e implante, os níveis de tensões encontrados
foram similares em ambos os modelos.
O
aumento da largura da mesa oclusal elevou as tensões em todos os componentes do
sistema de implante osseointegrado analisado
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