نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی
نویسندگان
1 محقق، بیومکانیک، دانشکده‌ی مهندسی پزشکی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران
2 استادیار، بیومکانیک، دانشکده‌ی مهندسی پزشکی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران
3 استادیار، مرکز تحقیقات ایمپلنت دندانی، دانشکده‌ی دندان‌پزشکی، دانشگاه علوم پزشکی تهران، تهران ، ایران
چکیده
پایداری اولیه‌ی ایمپلنت عبارت است از اتصال اولیه‌ی مکانیکی میان ایمپلنت و استخوان که به صورت برونتنی با اندازهگیری سفتی و بار بیشینه‌ی ساختار استخوان-ایمپلنت قابل برآورد است. فرایندهایی مانند ایمپلنت‌گذاری و اعمال بار پس از ایمپلنت‌گذاری سبب ایجاد آسیب در استخوان اطراف ایمپلنت شده که منجر به کاهش پایداری اولیه میشود. هدف این مطالعه یافتن تاثیر آسیبهای ایجاد شده در استخوان بر پایداری اولیه‌ی ساختار استخوان-ایمپلنت در بارگذاری-باربردای فشاری دورهای است. بدین منظور ابتدا یک نمونهی استخوان اسفنجی استوانهای شکل از بخش پروگزیمال استخوان ساق پای گاو جدا شده است. پس از وارد کردن ایمپلنت و آمادهسازی نمونهی استخوان-ایمپلنت، آزمون مکانیکی بارگذاری-باربرداری فشاری دورهای به شکل شبه‌استاتیک با نرخ 0024/0 mm/s و به صورت جابه‌جایی-کنترل و مرحله به مرحله از دامنه‌ی 04/0 تا 28/1 mm به ساختار استخوان-ایمپلنت اعمال شده است. در هر مرحله از جابه‌جایی پس از باربرداری، از نمونهی استخوان-ایمپلنت تصاویر میکروسیتی (µCT) گرفته شده است. در نهایت سفتی ساختار در هر جابه‌جایی اعمالی و نیز بار نهایی آن از آزمون مکانیکی به دست آمده است. نحوه‌ی توزیع و مقدار کرنش پلاستیک در استخوان اسفنجی اطراف ایمپلنت نیز با مقایسه‌ی تصاویر µCT ساختار، پیش و پس از اعمال هر جابه‌جایی و با استفاده از روش همبستگی حجمی دیجیتال (DVC) محاسبه شده است. نتایج آزمون مکانیکی نشان داده که افزایش مرحله به مرحلهی دامنه‌ی بارگذاری از صفر تا 96/0 mm، سبب کاهش 40 درصدی سفتی ساختار استخوان-ایمپلنت نسبت به سفتی اولیه‌ی آن شده است. نتایج تحلیل DVC نشان داده که اولا بیشینه‌ی کرنش پلاستیک در استخوان اطراف ناحیه‌ی گردنی ایمپلنت ایجاد شده و ثانیا افزایش دامنه‌ی بارگذاری از جابه‌جایی 64/0 تا 96/0 mm سبب افزایش 5/1 درصدی بیشینه‌ی کرنش پلاستیک شده است. امید است نتایج این گونه تحقیقات در بهینهسازی طراحی ایمپلنتهای دندانی با رویکرد افزایش پایداری آن‌ها کمک نماید.
کلیدواژه‌ها
- پایداری اولیه
- سفتی ساختار ایمپلنت-استخوان
- آزمون برونتنی
- تصویربرداری میکروسیتی
- روش همبستگی حجمی دیجیتال
- کرنش پلاستیک
موضوعات
عنوان مقاله [English]
Investigation on Primary Stability of Dental Implants during Compressive Cyclic Loading-Unloading using µCT Imaging, and Digital Volume Correlation (DVC) Method
نویسندگان [English]
- Pedram Akhlaghi 1
- Setareh Khorshidparast 1
- Gholamreza Rouhi 2
- Hamidreza Barikani 3
1 Researcher Engineer, Biomechanics, Biomedical Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran
2 Assistant Professor, Biomechanics, Biomedical Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran
3 Assistant Professor, Dental Implant Research Center, Dentistry Research Institute, Tehran University of Medical Sciences, Tehran, Iran
چکیده [English]
Primary stability is the initial mechanical engagement of the implant with its neighboring bone, which can be assessed through in-vitro assessment of stiffness and the ultimate load of the bone-implant complex. Implantation and the following loading on an implant after implantation, could cause mechanical damage in the peripheral bone, and subsequently, reduce the primary stability of the implant. This study aimed at finding the effects of damage induced in the bone through exerting compressive loading-unloading cycles on the primary stability of the bone-implant system. For this purpose, firstly, a cylindrical bone sample was extracted from the proximal part of a bovine tibia. After implantation and bone-implant preparation, a quasi-static compressive step-wise loading-unloading cycles, with a displacement rate of 0.0024 mm/s and displacement-controlled were applied to the bone-implant structure with the amplitudes of 0.04 mm to 1.28 mm. In each step, after unloading, µCT images was captured from the bone-implant sample. Finally, the stiffness of the structure in each step and ultimate load were obtained from the mechanical test. The distribution of plastic stain in the bone due to loading-unloading of the construct was calculated using digital volume correlation, through correlating the µCT images before and after each loading step. Results of this work showed that increasing the step-wise displacement amplitude from 0 to 0.96 mm caused a stiffness reduction of 40%, compared to the initial stiffness. Also, the digital volume correlation results showed that maximum plastic strain occurred in the neighboring bone in the crestal part of dental implant, and also increasing loading amplitude from 0.64 to 0.96 mm led to 1.5% increase in the maximum plastic strain. It is hoped that results of this kind of investigation can be helpful in optimizing the dental implants design, with the approach of increasing their stability.
کلیدواژه‌ها [English]
- Primary Stability
- Bone-Implant Stiffness
- In-Vitro Test
- µCT Imaging
- Digital Volume Correlation
- Plastic Strain
- Tettamanti, L., “Immediate loading implants: review of the critical aspects”. J Oral Implanto., 2017. 10(2): p. 129.
- Zhang, Q. H., S. H. Tan, “Investigation of fixation screw pull-out strength on human spine.” J. Biomech, Vol. 37, no. 4 pp. 479-485, 2004.
- Szmukler‐Moncler, S., H. Salama, Y. Reingewirtz, “Timing of loading and effect of micromotion on bone–dental implant interface: review of experimental literature.” J. Biomed. Mater. Res, Vol. 43, no. 2, pp. 192-203, 1998.
- Voumard, Benjamin, Ghislain Maquer, Peter Heuberger, Philippe K. Zysset, and Uwe Wolfram. “Peroperative estimation of bone quality and primary dental implant stability”, J. Mech. Behav. Biomed. Mater, vol. 92, pp. 24-32, 2019.
- Haïat G, Hl Wang, Brunski J, “Effects of biomechanical propertiesof the bone implant interface on dental implant stability: from in-silico approaches to the patient’s mouth.” Annu. Rev. Biomed. Eng, vol. 16, no. 1, pp.187–213, 2014.
- Uwe Wolfram and et al., “Damage Accumulation in Vertebral Trabecular Bone Depends on Loading Mode and Direction.” J. Biomech, 2011.
- Dentistry — Implants — Dynamic loading test for endosseous dental implants 14801. Geneva, Switzerland: International Organization for Standardization; 2016.
- Steiner, J. A., Ferguson, S. J., “Screw insertion in trabecular bone causes peri-implant bone damage.” Med. Eng. Phys, Vol. 38, no. 4, pp. 417-422, 2016.
- Steiner, J.A., Ferguson, “Computational analysis of primary implant stability in trabecular bone.” J. Biomech, Vol. 48, pp. 807–815, 2015.
- K. Bay, “Texture correlation: a method for the measurement of detailed strain distributions within trabecular bone”, research. Orthop. Res, vol. 13, no. 2, pp. 258–267, 1995.
- Gillard, F., Boardman, R., “The application of digital volume correlation (DVC) to study the microstructural behaviour of trabecular bone during compression.” J. Mech. Behav. Biomed. Mater, Vol. 29, pp. 480-499, 2014.
- Joffre, T., Isaksson, P., Procter, P., “Trabecular deformations during screw pull-out: a micro-CT study of lapine bone." Biomech. Model. Mechanobiol., vol. 16, no.4, pp. 1349-1359, 2017.
- Du, Jing, Ji-Hyun Lee, “Biomechanics and strain mapping in bone as related to immediately-loaded dental implants.” J. Biomech, Vol. 48, no. 12, pp. 3486-349, 2015.
- Zysset, P. and A. Curnier, “A 3D damage model for trabecular bone based on fabric tensors.” J. Biomech, vol. 29, no. 12, pp. 1549-1558, 1996.
- Joffre, Thomas and et al., “Trabecular deformations during screw pull-out: a micro-CT study of lapine bone.”, Biomech. Model Mechanobiol., 16, no. 4, pp. 1349-1359, 2017.
- Mirzaali, M.J., et al., Continuum damage interactions between tension and compression in osteonal bone. Journal of the mechanical behavior of biomedical materials, 2015. 49: p. 355-369.
- Wolfram, U., Wilke, H.J, “Damage accumulation in vertebral trabecular bone depends on loading mode and direction.” Journal of biomechanics, Vol. 44, pp. 1164–1169, 2011.
- Wirth, A. J., Goldhahn, J., “Implant stabIlity is affected by local bone microstructural quality”. Bone, vol. 49, no. 3, pp. 473-478, 2011.
)