Análise de tensões em implantes osseointegrados por elementos
    finitos: Variação da ancoragem
e diâmetro dos implantes

Eduardo José de Moraes
Maria Cecília Corrêa de Sã e Benevides de Moraes*
Carlos Nelson Elias**


Resumo

     O presente trabalho consiste na análise de tensões por elementos finitos de implantes osseointegrados de mesmo diâmetro com variação de ancoragem (mono e bicortical) e uma análise comparativa da variação do diâmetro dos implantes (3,75 e 5,00 mm). Os resultados obtidos indicaram que o implante bicorticalizado apresentou menores tensões na região de osso cortical do que o implante monocorticalizado, no entanto, há aumento das tensões na supraestrutura. Em relação ao diâmetro, o implante de largo diâmetro apresenta melhor distribuição das cargas aplicadas no complexo pilar-implante.

Palavras-chaves

    Osseointegração, método de elementos finitos, implante de largo diâmetro, bicorticalização.

Abstract

      The present work consists in a finite element method stress analyze of osseointegrated implants with the same diameter and the ancorage variation (monocortical and bicortical) followed of a comparative analyze of diameter variation (3,75 and 5,00 mm). lt was verified that the bicortical implant presented low stressin the cortical bone region than a monocortical one, however, occurred high stress in superstructure. Concerning to the implant diameter, the wide diameter implant presented a best load distribution in complex abument-implant.

Key-words

    Osseointegration , finite element method, wide implant, bicorticalization.

Introdução

   Os implantes osseointegrados têm sido utilizados na prática clínica desde 1965, quando se iniciou um estudo clínico longitudinal realizado por ADELLet al. ( 1981 ). Após 15 anos de acompanhamento clínico, ficou comprovado o sucesso e a previsibilidade desta modalidade de tratamento. No entanto, durante este estudo foram constatadas a ocorrência de algumas complicações mecânicas que mais tarde foram corroboradas e reavaliadas por diversos autores (JEMT .et al, 1992; MORGAN & JAMES, 1993; BALSHI, 1996b).

    ADELL et al. (1981) consideram como um dos fatores fundamentais para o insucesso das reabilitações sobre implantes, a sobre-carga na supraestrutura. Tendo em vista que as forças mastigatórias
 geram tensões, as quais podem acarretar danos à estrutura óssea e aos componentes protéticos. Aspectos relacionados à biomecânica das reabilitações com implantes osseointegrados têm recebido destaque nos trabalhos encontrados na literatura, os quais procuram encontrar soluções para minimizar os problemas desta natureza.

    A bicorticalização e a utilização de implantes de largo diâmetro são opções de tratamento muito utilizadas na atualidade. Principalmente, no sentido de proporcionar uma melhor distribuição das tensões na interface óssea e com isso apresentar uma maior resistência às cargas mastigatórias do complexo supraestrutura-implante.

    BRANEMARK et al, ( 1987); IVANOFF et al, ( 1996) reportaram resultados favoráveis com a ancoragem bicortical de implantes nos assoalhos das fossas nasais e seios maxilares. Mais recentemente, SCHNITMAN et al (1997), incluíram a bicorticalização como uma das condições importantes a serem adotadas para o protocolo de aplicação de carga imediata em implantes osseointegrados;

    LANGER et al. (1993) sugeriram o uso de implantes de maior diâmetro como alternativa de tratamento em situações especiais do tecido ósseo, destacando-se os casos com pouca altura e áreas de grande concentração de cargas, tais como as regiões posteriores de maxila e mandíbula. Desde então, implantes de maior diâmetro vêm sendo sugeridos como boa alternativa para a solução de casos clínicos por alguns autores. (BECKER & BECKER, 1995; BAHAT. & HANDELSMAN, 1996; IVANOFF et al., 1997; BRUNSKI et al., 2000; TAYLOR et al.2000).

    
O presente trabalho consiste em uma análise das tensões em implantes osseointegrados utilizando o método de elementos finitos (MEF). O estudo de modelos com elementos finitos permite a simulação e análise de tensões com confiabilidade, por intermédio da construção de modelos matemáticos. Mediante a reprodução do implante, da supraestrutura, do tecido ósseo e empregando-se o MEF é possível obter-se resultados melhores que os estudos similares com fotoelasticidade (MEIJER et al. 1993).

    Neste trabalho foram realizadas simulações mediante a modelagem de reabilitações unitárias com implantes osseointegrados bicorticalizados e de largo diâmetro, no sentido de analisar o comportamento mecânico da estrutura quando submetido as cargas funcionais

Materiais e Métodos

    No presente trabalho empregou-se o método dos elementos finitos para 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; BARBIER et al., 1998; STEGAROIU et al., 1998a; 1998b)

    Para a avaliação das tensões desenvolvidas no complexo pilar- implante foi confeccionado um modelo para representar as relações entre os componentes da estrutura. Foram utilizadas as dimensões de peças fabicadas e comercializadas pela empresa Conexão Sistemas de Prótese (São Paulo, SP). Utilizou-se um implante osseointegrado rosqueável de 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.

    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 supraestrutura protética, foram modelados os componentes protéticos: o cilindro ou "coping" de ouro do tipo cônico, parafuso de ouro na parte superior do pilar intermediário e a coroa protética adaptada ao cilindro de ouro com revestimento de porcelana e coroa angulada de 30º.

   Um corte de segmento Ósseo humano mandibular foi modelado com a primeira cortical, osso trabecular ou esponjoso e segunda cortical. Foram desenvolvidos dois modelos, um para implante ancorado em uma cortical, implante monoancorado e outro para implante ancorado em duas corticais, implante biancorado. A primeira cortical apresenta-se com altura de 1,0 mm e a segunda cortical com altura de 2,0 mrn. A altura óssea total foi de 18,0 mm. A largura da área de osso moderada foi de 5,0 mm em ambos os modelos. As dimensões usadas nos modelos são normalmente encontradas em humanos adultos.

     Desta forma, determinou-se a localização dos pontos do modelo e gerou-se uma malha de elementos finitos que permitiu uma discretização das estruturas do modelo, tendo sido realizada a análise de convergência da malha.

     Os valores das propriedades mecânicas dos materiais empregados no presente trabalho foram obtidas na literatura e são apresentadas na TAB. 1.


 Tab 1: Propriedades Mecânicas dos Materiais

MATERIAL
MÓDULO DE ELASTICIDADE OU DE YOUNG (E) GPa
COEFICIENTE DE POISSON
AUTOR
Osso Cortical
13,70
0,30
(A)
Osso Trabecular
1,37
0,30
(A)
Titânio
110,00
0,33
(B)
Liga de Ouro
90,00
0,30
(C)
Porcelana
70,00
0,22
(D)

A) BARBIER et al., 1998; MENICUCCI et ai., 1998; TORTAMANO & VIGORITO, 1998.
B) BARBIER et al., 1998; HOLMGREN et al., 1998.
C) BARBIER et al., 1998; STEGAROIU et al., 1998a, STEGAROIU et al., 1998b, BENZING  et al., 1995; VAN ZYL et al., 1995.
D) STEGAROIU et al., 1998a.

 
   Para a viabilização deste trabalho, buscando tornar a modelagem e a solução do processo possíveis, foram adotadas algumas hipóteses simplificadoras. Os materiais envolvidos nesta análise foram considerados homogêneos, isotrópicos e linearmente elásticos. Uma estrutura axissimétrica foi definida para o modelo geométrico bidimensional. Uma secção longitudinal das estruturas foi modelada.

    As estruturas foram modeladas como sendo uma unica 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; RICHTER, 1995).

    A análise efetuada constituiu na aplicação de uma carga axial de 100 N concentrada na metade do raio da prótese (distribuída em uma linha) para análise do tipo de ancoragem do implante (monocortical e bicortical); e uma carga axial de 100 N distribuída em um segmento de 1,55 mm próximo à extremidade da coroa protética (carga distribuída em uma área) para análise da variação do diâmetro do implante (3,75 mm.e 5,00 mm).

     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 do espaço e se opor às forças externas.

     A análise que envolveu o tipo de ancoragem do implante, tanto para o implante monoancorado como para o implante biancorado, foram restringidos os nós da base do osso da 2ª cortical bem como de toda lateral do tecido ósseo presente nestes modelos. Na análise da variação da largura do implante 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 partir das imagens gráficas das tensões de von Mises obtidas com o programa Ansys. A 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.

Resultados

      A partir das imagens gráficas geradas pelo programa para a condição de monocorticalização (FIG.1) e bicorticalização (FIG.2), foi possível determinar as tensões máximas para os componentes modelados no presente trabalho.

      Na análise de variação do tipo de ancoragem, as tensões máximas para os componentes são apresentadas na TAB. 2.   


 Tab 2: Tensões máximas nos componentes com a variação da ancoragem do implante (N/mm2)

COMPONENTES
IMPLANTE MONOANCORADO
IMPLANTE BIANCORADO
Coroa protética
4,5
7,0
Parafuso de ouro
3,5
5,4
Cilindro de ouro
2,5
3,1
Pilar intermediário
2,5
3,1
Parafuso de fixação do pilar intermediário
2,5
3,1
Implante
2,0
4,6
1ª cortical óssea
1,0
0,7
Osso trabecular
0,5
0,7


     Os resultados obtidos mostraram que a tensão máxima ocorreu no componente coroa protética, próximo à região de aplicação da carga para ambas condições de ancoragem.

     A coroa protética e os demais componentes do sistema de implantes analisado, mostraram um aumento nas tensões para a condição de biancoragem.

    Porém, a região de osso cortical, próxima ao pescoço do implante, mostrou uma redução das tensões em aproximadamente 40 % para a condição de implante biancorado.

    A partir das imagens obtidas para a análise da variação do diâmetro do implante em 3,75 mm (FIG.3) e 5,00 mm (FIG.4), determinou-se as tensões máximas obtidas para os componentes modelados neste trabalho.

    

   
     Na análise da variação do diâmetro do implante, as tensões máximas obtidas para cada componente modelado são apresentadas na TAB.3.

 Tab 3: Tensões máximas nos componentes com a variação do diâmetro do implante (N/mm2)

Componentes
Diâmetro de 3,75 mm
Diâmetro de 5,00 mm
Coroa Protética
0,7
0,5
Parafuso de ouro
0,4
0,4
Cilindro de ouro
0,9
0,5
Pilar intermediário
1,3
0,8
Parafuso de fixação do pilar intermediário
0,9
0,7
Implante
1,2
0,6


           As tensões máximas foram observadas na região inferior do pilar intermediário para os implantes de 3,75 mm e 5,00 mm de diâmetro.

           Na TAB.3, é possível verificar que as tensões nos componentes foram iguais ou menores para a condição com implante de 5,00 mm de diâmetro.

           Os valores das tensões na região inferior do pilar intermediário, foram reduzidas em cerca de 60 % quando da utilização do implante com diâmetro de 5,00 mm.

Discussão

           Comparando-se os dois tipos ancoragem monocortical e bicortical, verificou-se que as tensões máximas foram encontradas na coroa protética, no ponto de aplicação da carga (TAB.2), correspondendo a tensões 1,5 vezes maiores para o implante biancorado. Todos os outros componentes, também apresentaram aumento das tensões para a condição de ancoragem bicortical.

             IVANOFF et al. (1996), estudaram a influência da mono e bicorticalização de implantes de 10 mm e de 16 mm de comprimento por 3,75 mm de diâmetro instalados em tíbias de coelhos. Ensaios de remoção por torque mostraram que os biancorados necessitavam de um torque duas vezes maior que os monoancorados após 6 semanas e um torque três vezes maior após 12 semanas.

           O implante bicorticalizado apresenta maior área de interface osso-implante e de melhor qualidade. O osso apresenta-se mais denso e mais compacto, com maior módulo de elasticidade, sofrendo menor deformação que o osso trabecular, sendo portanto mais resistente, promovendo uma melhor fixação e ancoragem do implante, o que justificaria a necessidade de maior torque para sua remoção. Além disso, este fato poderia explicar o aumento nas tensões no implante e supraestrutura para a condição de bicorticalização, e ainda a redução das tensões na região de osso cortical observada neste trabalho, considerando que o implante está ancorado em osso mais resistente.

            Resultado aparentemente contraditório foi obtido por IVANOFF et al. (2000), ao analisar a influência do tipo de ancoragem em uma retrospectiva de 15 anos com casos clínicos, concluindo que os implantes com ancoragem bicortical apresentaram uma taxa de fratura 3 vezes maior que os implantes monoancorados.

            No presente trabalho, a região correspondente ao terço médio do implante, mostrou tensões máximas aumentadas em aproximadamente 2,5 vezes para a ancoragem bicortical, o que corrobora com os resultados de IVANOFF et al. (2000). Na bicorticalização, a distribuição de tensão no implante torna-se mais heterogênea, a qual é agravada pela forma de parafuso do implante que possui áreas de concentração de tensão. Em consequência, a possibilidade de fratura de componentes aumenta.

         As tensões observadas neste trabalho na região de osso cortical próxima ao pescoço do implante, diminuiram em 40 % quando empregou-se a ancoragem bicortical, o que está de acordo com o trabalho de RANGERT et al.(1989), onde afirmaram que os implantes biancorados apresentaram diminuição dos níveis de tensões no osso cortical ao redor do pescoço do implante. Este resultado corrobora ainda com os resultados de BIDEZ & MISCH ( 1992), que afirmaram que uma carga elevada, aplicada a um implante osseointegrado, pode gerar danos aos tecidos ósseos adjacentes e influenciar na longevidade do tratamento. Estas cargas elevadas poderiam levar à perda da osseointegração, mostrando assim, a importância da bicorticalização dos implantes na transmissão de cargas.

        O osso trabecular, menos denso e com menor módulo de elasticidade, está presente na base do implante em condição de monocorticalização: Este osso, com menor módulo de elasticidade, apresenta menor resistência ao carregamento aplicado e uma deformação maior. Como consequência, maiores tensões são observadas na região de osso cortica! para os implantes monocorticalizados.

        Neste trabalho, como foi anteriormente citado, foram analisados implantes com diâmetro de 3, 75 mm e 5,0 mm. Nesta análise, as tensões máximas foram observadas na região inferior do pilar intermediário para ambos os modelos, conforme TAB.3. Este fato pode ser explicado pela combinação da geometria da estrutura e carregamento distribuído em um segmento próximo à extremidade da coroa protética.

    Os valores das tensões encontradas nesta região foram reduzidas em cerca de 60% quando da utilização do implante com diâmetro de 5,00 mm. Este resultado corrobora com as afirmativas de RICHTER (1989), que para se minimizar os problemas biomecânicos nestas estruturas, deve-se usar implantes com maiores diâmetros. A concentração de tensões no osso cortical gera áreas de destruição óssea na região próxima ao pescoço do implante, o que deve ser evitado já que o osso cortical é um elemento de suporte. Resultado semelhante foi encontrado por MATSUSHITA et al. (1990), mediante simulação bidimensional por elementos finitos, também concordam com este resultado, quando concluíram que quanto maior o diâmetro do implante, menores são as tensões no osso cortical.

        BALSHI ( 1996a), afirmou que as causas das fraturas estariam relacionadas com os defeitos intrínsecos do material, falta de passividade na adaptação da estrutura metálica da prótese e sobrecarga fisiológica ou biomecânica, sendo esta a principal causa das fraturas em implantes. Em virtude das cargas mastigatórias serem mais elevadas em região posterior, o autor sugere que implantes de maior diâmetro sejam utilizados, quando possível, na reposição de implantes fraturados nesta região, o que já havia sido indicado também por EVIAN & CUTLER ( 1995), objetivando com isso reduzir as tensões transmitidas para as estruturas de suporte.

        IVANOFF et al. ( 1997), realizaram ensaios de remoção por torque ) em implantes instalados em tíbia de coelhos, concluiu que o torque de remoção é diretamente proporcional ao diâmetro do implante a resistência ao deslocamento está relacionada com a superfície do implante em contato com a cortical óssea e que a previsibilidade de sucesso do implante aumenta quando seu diâmetro é maior.

      McGLUMPHY et al. (1998), sugerem a colocação de implantes de maior diâmetro para reduzir os efeitos das cargas oclusais excêntricas.

      LANGER et al. (1993) sugeriram o uso de implantes de maior diâmetro como alternativa de tratamento em situações especiais do tecido ósseo tais como pouca altura.

      BINON (2000), fazendo uma revisão da literatura sobre os componentes dos implantes ossseointegrados, refere-se as vantagens clínicas dos implantes de maior diâmetro por aumentarem a superfície disponível para osseointegração e por reduzirem a transferência de carga para a região de osso cortical ao redor do implante

      Os resultados do presente trabalho, mostraram que as tensões foram iguais ou reduzidas em todos os componentes do sistema analisado quando o implante de maior diâmetro foi utilizado. Como decorrência, pode ser constatado que esta condição aumenta a previsibilidade de sucesso para o tratamento. Este fato está diretamente relacionado com o aumento da área de superfície para aosseointegração, bem como com o aumento da área da seção resistente do implante. Além disso, foram reduzidos os efeitos das cargas excêntricas na estrutura. O aumento do diâmetro do implante, promove ainda a redução do braço de alavanca das cargas excêntricas, centralizando-as na direção do longo eixo do implante, e reduzindo assim, as tensões na estrutura, mostrando que o aumento do diâmetro do implante favorece a distribuição das tensões geradas, podendo ser indicados para áreas posteriores, pois poderiam promover maior estabilidade e resistência às cargas mastigatórias elevadas que estão presentes nesta região.

Conclusões

       Os resultados da análise da ancoragem bicortical apresentaram menores tensões na região de osso cortical. Porém, as tensões foram mais elevadas no ponto de aplicação da carga e porção média do implante do que as encontradas na ancoragem monocortical.

      Com o implante de maior diâmetro os níveis de tensões são inferiores para os componentes do sistema de implante quando comparado com o implante de menor diâmetro.

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*Mestre em Ciência dos Materiais - Departamento de Ciência dos Materiais -IME- Rio de Janeiro.
** Doutor em Ciências dos Materiais - Professor UFF - Volta Redonda e IME - RJ