Stavropol, Russian Federation
Stavropol, Stavropol, Russian Federation
Stavropol, Russian Federation
graduate student
Stavropol, Stavropol, Russian Federation
Introduction. The creation of effective, reliable, safe, technologically advanced and competitive products is the main task of medical device engineering. The most important requirement to modern medical devices is to guarantee patients' safety during their lifetime. Today the use of modern computer-aided engineering analysis packages is the most effective calculation method for evaluating the strength and reliability of unique medical devices that can lead to serious consequences if their operation is disturbed. One of the most suitable and efficient systems for automated engineering calculations (CAE-system) is the ANSYS software. The purpose of this study was the comparative assessment of the elastic and elastoplastic deformation of 4×10 dental implants of different designs on the abutment-pin and screw-body interface, using the computer simulation of the stress-strain state. Materials and methods. Two kinds of dental implants were chosen for this study: a Liko-M 4×10 implant with the cylindrical body shape and a Liko-M DG 4×10 implant with a tapered body shape. The contact between the abutment and screw as well as the implant body and screw is frictional. The pre-tensioning of the screw from the initial tightening was 400 N. The load was applied to the cylindrical surface of the abutment at a percentage of its height. Results. Elastic and elastic-plastic calculations of the stress-strain state of Liko-M 4×10 and Liko-M DG 4×10 implants were performed. Besides the results of the main calculations of the stress-strain state of the implants Liko-M 4×10 and Liko-M DG 4×10, necessary to assess their static strength, we have also calculated the strength coefficients of implant bodies. Comparative analysis of the static strength of the Liko-M 4×10 and Liko-M DG 4×10 implants provides conclusions, which are significant for practical application of the implants.
strain calculation, stress-strain state, dental implants, static strength
Введение. Создание эффективных, надежных, безопасных, технологичных и конкурентоспособных изделий является основной задачей медицинского приборостроения. При решении этой задачи существует острая необходимость повышения эксплуатационных характеристик выпускаемых изделий, совершенствования технологического процесса производства, сокращения сроков и стоимости разработки и испытаний. Важнейшим требованием к современным изделиям медицинского приборостроения является гарантированное обеспечение безопасности пациентов на протяжении всей их жизни [1]. Использование современных пакетов автоматизированного инженерного анализа является на сегодняшний день наиболее эффективным расчетным методом оценки прочности и надежности уникальных изделий медицинского приборостроения, нарушение нормальной работы которых может привести к тяжелым последствиям. Одной из подходящей и эффективной системой автоматизации инженерных расчетов (CAE-системой) является программа ANSYS, позволяющая смоделировать возможные функциональные исходы и вероятные нарушения в работе медицинского оборудования и материалов [2, 3]. Цель: сравнительная оценка упругой и упругопластической деформации дентальных имплантатов 4×10 различной конструкции на границе абатмент-винт и винт-тело имплантата с использованием компьютерного моделирования напряженно-деформированного состояния (НДС). Материалы и методы исследования. Объектом исследования были выбраны дентальные имплантаты двух видов: имплантат Лико-М 4×10 с цилиндрической формой тела и имплантат Лико-М ДГ 4×10 с конусной формой тела; схемы имплантатов представлены на рисунках 1 и 2. 48 Рис. 1. Конструкция дентального имплантата марки Лико-М 4×10: 1 – блок костной ткани, 2 – абатмент, 3 – винт, 4 – тело имплантата Fig. 1. Design of a dental implant brand Liko-M 4×10: 1 – block of bone tissue, 2 – abutment, 3 – screw, 4 – implant body Рис. 2. Конструкция дентального имплантата марки Лико-М ДГ 4×10: 1 – абатмент, 2 – винт, 3 – тело имплантата, 4 – блок костной ткани Fig. 2. Design of a dental implant brand Liko-M DG 4×10: 1 – abutment, 2 – screw, 3 – implant body, 4 – block of bone tissue Между абатментом и винтом, а также телом имплантата и винтом контакт является фрикционным. Именно данный контакт и образующие его структурные элементы и были нами исследованы. Предварительное натяжение винта от начальной затяжки составило 400 Н. Нагрузка была приложена к образующей цилиндрической поверхности абатмента на процент (%) его высоты. Следует считать, что нагрузка была направлена вниз под углом 30° к вертикали в плоскости, перпендикулярной продольной вертикальной плоскости блока костной ткани. Части имплантационной системы, абатмент и винт, изготовлены из титанового сплава Grade 5. На основе изучаемых дентальных имплантатов были созданы и используемы при дальнейшем компьютерном моделировании конечно-элементные сетки, которые представлены на рисунках 3 и 4. 49 Рис. 3. Конечно-элементная сетка имплантата марки Лико-М 4×10 Fig. 3. Finite element mesh of Liko-M implant 4×10 Рис. 4. Конечно-элементная сетка имплантата марки Лико-М ДГ 4×10 Fig. 4. Finite element mesh of the Liko-M DG 4×10 implant Результаты исследования и их обсуждение. В ходе работы были выполнены расчеты НДС имплантатов: упругий расчет дентального имплантата марки Лико-М 4×10; Лико-М ДГ 4×10; упругопластический расчет дентального имплантата марки Лико-М 4×10, Лико-М ДГ 4×10. Упругий расчет дентальных имплантатов марки Лико-М 4×10 и Лико-М ДГ 4×10. На рисунках 5-8 показаны распределения приведенных по Мизесу напряжений в элементах дентального имплантата марки Лико-М 4×10 в моменты времени, которые соответствуют завершению процесса предварительной затяжка винта (time = 1 c) и завершению процесса нагружения (time = 2 c). На рисунках 9-12 показаны распределения приведенных по Мизесу напряжений в элементах дентального имплантата марки Лико-М ДГ 4×10 в аналогичные моменты времени. Результаты упругого расчета имплантата марки Лико-М 4×10 Лико-М ДГ 4×10 приведены в сводной таблице 1. 50 Рис. 5. Распределение приведенных по Мизесу напряжений в винте дентального имплантата марки Лико-М 4×10 (time = 1 c) Fig. 5. Distribution of stresses reduced according to von Mises in the screw of a dental implant Liko-M 4×10 (time = 1 s) Рис. 6. Распределение приведенных по Мизесу напряжений в абатменте дентального имплантата марки Лико-М 4×10 (time = 1 c) Fig. 6. Distribution of stresses reduced according to Mises in the abutment of a dental implant Liko-M 4 × 10 (time = 1 s) 51 Рис. 7. Распределение приведенных по Мизесу напряжений в винте дентального имплантата марки Лико-М 4×10 (time = 2 c) Fig. 7. Distribution of stresses reduced according to von Mises in the screw of a dental implant Liko-M 4×10 (time = 2 s) Рис. 8. Распределение приведенных по Мизесу напряжений в абатменте дентального имплантата марки Лико-М 4×10 (time = 2 c) Fig. 8. Distribution of stresses reduced according to von Mises in the abutment of a dental implant Liko-M 4 × 10 (time = 2 s) 52 Рис. 9. Распределение приведенных по Мизесу напряжений в винте дентального имплантата марки Лико-М ДГ 4×10 (time = 1 c) Fig. 9. Distribution of stresses reduced according to Mises in the screw of a dental implant Liko-M DG 4×10 (time = 1 s) Рис. 10. Распределение приведенных по Мизесу напряжений в абатменте дентального имплантата марки Лико-М ДГ 4×10 (time = 1 c) Fig. 10. Distribution of stresses reduced according to Mises in the abutment of a dental implant Liko-M DG 4×10 (time = 1 s) 53 Рис. 11. Распределение приведенных по Мизесу напряжений в винте дентального имплантата марки Лико-М ДГ 4×10 (time =2 c) Fig. 11. Distribution of stresses reduced according to Mises in the screw of a dental implant Liko-M DG 4 × 10 (time = 2 s) Рис. 12. Распределение приведенных по Мизесу напряжений в абатменте дентального имплантата марки Лико-М ДГ 4×10 (time =2 c) Fig. 12. Distribution of stresses reduced according to Mises in the abutment of a dental implant Liko-M DG 4×10 (time = 2 s) Таблица 1. Основные результаты упругого расчета имплантата марки Лико-М 4×10 и Лико-М ДГ 4×10 Table 1. Main results of the elastic calculation of the Liko-M 4×10 and Liko-M DG 4×10 implants Наименование характеристики Марка имплантата Лико-M Лико-М ДГ time = 1 с time = 2 с time = 1 с time = 2 с Максимальное значение приведенных по Мизесу напряжений в винте, МПа 1798,3 1750 1114,5 1119,7 Максимальное значение приведенных по Мизесу напряжений в абатменте, МПа 1356 1355,6 1206,4 1195 54 Ввиду того, что максимальное значение приведенных по Мизесу напряжений в винте и абатменте превышают пределы текучести материалов, из которых они изготовлены, возникает необходимость проведения упругопластического расчета. Упругопластический расчет дентальных имплантатов марки Лико-М 4×10 и Лико-М ДГ 4×10. На рисунках 13-16 показаны распределения приведенных по Мизесу напряжений в элементах дентального имплантата марки Лико-М 4×10 в моменты времени, которые соответствуют завершению процесса предварительной затяжка винта (time = 1 c) и завершению процесса нагружения (time = 2 c). На рисунках 17-20 показаны распределения приведенных по Мизесу напряжений в элементах дентального имплантата марки Лико-М ДГ 4×10 в аналогичные моменты времени. Результаты упругого расчета имплантата марки Лико-М 4×10 Лико-М ДГ 4×10 приведены в сводной таблице 2. Рис. 13. Распределение приведенных по Мизесу напряжений в винте дентального имплантата марки Лико-М 4×10 (time = 1 c) Fig. 13. Distribution of stresses reduced according to von Mises in the screw of a dental implant Liko-M 4×10 (time = 1 s) Рис. 14. Распределение приведенных по Мизесу напряжений в абатменте дентального имплантата марки Лико-М 4×10 (time = 1 c) Fig. 14. Distribution of stresses reduced according to Mises in the abutment of a dental implant Liko-M 4 × 10 (time = 1 s) 55 Рис. 15. Распределение приведенных по Мизесу напряжений в винте дентального имплантата марки Лико-М 4×10 (time = 2 c) Fig. 15. Distribution of stresses reduced according to von Mises in the screw of a dental implant Liko-M 4×10 (time = 2 s) Рис. 16. Распределение приведенных по Мизесу напряжений в абатменте дентального имплантата марки Лико-М 4×10 (time = 2 c) Fig. 16. Distribution of stresses reduced according to Mises in the abutment of a dental implant Liko-M 4×10 (time = 2 s) 56 Рис. 17. Распределение приведенных по Мизесу напряжений в винте дентального имплантата марки Лико-М ДГ 4×10 (time = 1 c) Fig. 17. Distribution of stresses reduced according to Mises in the screw of a dental implant Liko-M DG 4×10 (time = 1 s) Рис. 18. Распределение приведенных по Мизесу напряжений в абатменте дентального имплантата марки Лико-М ДГ 4×10 (time = 1 c) Fig. 18. Distribution of stresses reduced according to Mises in the abutment of a dental implant Liko-M DG 4×10 (time = 1 s) 57 Рис. 19. Распределение приведенных по Мизесу напряжений в винте дентального имплантата марки Лико-М ДГ 4×10 (time =2 c) Fig. 19. Distribution of stresses reduced according to Mises in the screw of a dental implant Liko-M DG 4 × 10 (time = 2 s) Рис. 20. Распределение приведенных по Мизесу напряжений в абатменте дентального имплантата марки Лико-М ДГ 4×10 (time =2 c) Fig. 20. Distribution of stresses reduced according to Mises in the abutment of a dental implant Liko-M DG 4×10 (time = 2 s) Таблица 2. Основные результаты упругопластического расчета имплантатов марки Лико-М 4×10 и Лико-М ДГ 4×10 Table 2. Main results of elastoplastic calculation of implants of the brand Liko-M 4×10 and Liko-M DG 4×10 Наименование характеристики Марка имплантата Лико-M Лико-М ДГ time = 1 с time = 2 с time = 1 с time = 2 с Максимальное значение приведенных по Мизесу напряжений в винте, МПа 911,2 923,4 761,8 760,3 Максимальное значение приведенных по Мизесу напряжений в абатменте, МПа 750,4 759,3 787,7 792,5 58 Полученные квантитативные данные приведенных по Мизесу напряжений свидетельствуют о том, что имплантат марки Лико-М ДГ 4×10 ввиду конусной формы своего тела обладает меньшей, на 20% по сравнению с имплантатом марки Лико-М 4×10, потенциальной энергией формоизменений и деформации. Такие результаты особенно важны при клиническом использовании, ведь они определяют выбор имплантационной системы с наилучшими техническими характеристиками и наименьшей степенью деформации костных структур имплантационного ложа. Помимо результатов основных расчетов напряженно-деформированного состояния имплантатов марок Лико-М 4×10 и Лико-М ДГ 4×10, необходимых для оценки их статической прочности, были вычислены коэффициенты прочности тел имплантатов. Числовые данные приведены в таблице 3. Таблица 3. Коэффициенты запаса прочности тел имплантатов Table 3. Safety factors for implant bodies Этап нагружения Марка имплантата Лико-M Лико-М ДГ Упругий расчет Предварительная затяжка винта (первый этап нагружения) 0,205 0,824 Приложение нагрузки (второй этап нагружения) 0,204 0,751 Упругопластический расчет Предварительная затяжка винта (первый этап нагружения) 0,287 0,801 Приложение нагрузки (второй этап нагружения) 0,287 0,782 Полученные квантитативные данные запаса прочности тел имплантатов свидетельствуют о том, что имплантат марки Лико-М ДГ 4×10 примерно в 4 раза прочнее имплантата марки Лико-М 4×10, что говорит о более долгосрочном использовании данной имплантационной системы без возможного раннего риска поломки винта или замены имплантата. Относительные приведенные напряжения тел имплантатов вычисляются как обратные величины по отношению к значениям коэффициентов запаса прочности. Вычисленные значения относительных приведенных напряжений тел имплантатов отражены в таблице 4. Таблица 4. Относительное приведенное напряжение тел имплантатов Table 4. Relative reduced stress of implant bodies Этап нагружения Марка имплантата Лико-М Лико-М ДГ Упругий расчет Предварительная затяжка винта (первый этап нагружения) 4,88 1,21 Приложение нагрузки (второй этап нагружения) 4,9 1,33 Упругопластический расчет Предварительная затяжка винта (первый этап нагружения) 3,48 1,24 Приложение нагрузки (второй этап нагружения) 3,48 1,27 Полученные квантитативные данные относительных приведенных напряжений тел имплантатов аналогичным образом свидетельствуют о меньшем приложении сил для затяжки винта имплантата Лико-М ДГ 4×10, что также сказывается на его долгом клиническом использовании без возможных деформаций тела имплантата или отлома винта. Сравнительный анализ статической прочности имплантатов марок Лико-М 4×10 и Лико-М ДГ 4×10 позволил сделать следующие, значимые для практического использования имплантатов выводы: процесс нагружения имплантата является двухстадийным: на первом этапе происходит предварительная затяжка винта, а во второй этап происходит приложение нагрузки; в процессе нагружения имплантата уровень его нагруженности меняется нелинейно: на первом этапе формируется высокий уровень нагруженности, на втором этапе происходит перераспределение напряжений; распределение напряжений по объему деталей имплантата неоднородно, максимальные значения приведенных по Мизесу напряжений возникают в теле имплантата в месте контакта теле имплантата с абатментом; учитывая высокий уровень нагруженности деталей рассматриваемых имплантатов, возможным способом увеличения их статической прочности следует считать уменьшение величины предварительной затяжки винтов. 59 при сравнении двух имплантационных систем по физико-механическим свойствам их элементов и анализе статической прочности предпочтении при клиническом использовании отдается имплантатам марки Лико-М ДГ 4×10 за счет особенностей конструкции их тел, меньшего приложения сил для затяжки винта, меньших, почти на 20 %, значений напряжений по Мизесу в винте, а также большего коэффициента запаса прочности, что подтверждается количественными данными.
1. Pakhar'kov G. N., Popechitelev E. P. Principles and methods for ensuring the quality of medical and technical equipment for health care: a textbook. Saint Petersburg: Saint Petersburg Electrotechnical University “LETI”; 2003. 120 p.
2. Theory Reference for ANSYS and Workbench. Canonsburg: ANSYS Inc.; 2019.
3. Structural Analysis Guide. Canonsburg: ANSYS Inc.; 2019.
