مطالعه گرمایی – مکانیکی ایمپلنت های دندانی عملکردی درجه بندی شده با استفاده از روش المان محدود

[ad_1]

مطالعه گرمایی – مکانیکی ایمپلنت های دندانی عملکردی درجه بندی شده با استفاده از روش المان محدود

چکیده

این مقاله ، عملکرد گرمایی – مکانیکی ایمپلنت های دندانی  عملکردی درجه بندی شده از جنس تیاتنیوم / هیدروکسی آپاتایت (Ha/Ti)  را با روش المان محدود سه بعدی، بررسی ی کند. تنش ایجاد شده توسط نیروهای سطح جوونده برای این ایمپلنت های HA/Ti از نوع عملکردی درجه بندی شده (FG) در این مطالعه بررسی شده است تا بتوان آن ها را با تنش های مربوط با ایمپلنت های دندانی تیتانیوم، مقایسه کرد.  تاثیر گرمایی – مکانیکی تغییرات دمایی به دلیل فعالیت های دهانی روزانه نیز در این مطالعه بررسی شده است. عملکرد ایمپلنت های دندانی HA/Ti FG نیز نسبت به بیشترین تنش های ون میسز بستری شده است که در واقع یکی از شاخص های عملکردی عمومی می باشد، همچنین تنش کششی  / تنش اولیه اصلی برای مشکلات مکانیکی اتصال بین ایمپلنت و استخوان و تنش های فشردگی / تنش های اصلی سوم نیز برای جذب استخوان مورد ارزیابی قرار گرفته است. نتایج شبیه سازی ها نشان می دهد که تحت تاثیر تنها نیروی سطح جونده، ایمپلنت های FG با مقدار های مختلف از HA همراه با طول ایمپلنت، تقریبا عملکرد خوبی را ارائه می کنند در حالی که ایمپلنت های تیتانیوم تنش ون میسز بسیار بیشتری را تحمل می کنند. اما، زمانی که تنش های گرمایی نیز در نظر گرفته شود، ایمپلنت های FG که دارای HA با شاخص نمایی m=2 با کاهش دمای ۲۰ درجه سانتی گراد، بیشترین تنش صلی اول و تنش ون میسز را در میان تمام ایمپلنت های FG و تیتانیوم تحمل می کنند.

کلمات کلیدی : مطالعه مکانیکی – گرمایی ؛ شبیه سازی های المان محدود ؛ ایمپلنت های درجه بندی شده عملکردی تیتانیوم / هیدروکسی  آپاتایت ، قانون نمایی کسری

Abstract:

This article investigates the thermal–mechanical
performance of hydroxyapatite/titanium (HA/Ti) functionally
graded (FG) dental implants with the three-dimensional
finite element method. The stresses induced by occlusal
force for the present HA/Ti FG implant are calculated
to compare with the corresponding stresses for the
titanium dental implant. Thermal–mechanical effect of
temperature variation due to daily oral activity is also
studied. The HA/Ti FG dental implant performance is
evaluated against the maximum von Mises stress, which
is the general performance indicator, the first principal/
tensile stress for mechanical failure of implant-bone-bond
and the third principal/compressive stress for bone absorption.
Simulation results indicate that under the influence
of occlusal force only, the FG implants with different
HA fraction along the implant length perform almost
equally well, while the titanium implant sustains much
higher von Mises stress. However, when thermal stress
is also considered, the FG implant having HA fraction exponential
index of m ¼ ۲ with temperature decrease of
۲۰۸C yields the highest first principal and von Mises
stresses among all the FG and titanium implants. 2006
Wiley Periodicals, Inc. J Biomed Mater Res 80A: 146–۱۵۸,
۲۰۰۷
Key words: thermal–mechanical study; finite element simulation;
hydroxyapatite/titanium functionally graded dental
implant; fraction exponential rule

برای مشاهده ی مقاله ی  درمان ایمپلنت دندان در بیماران با پوکی استخوان اینجا کلیک کنید

مقدمه

ایمپلنت های دندانی یکی از رایج ترین جراحی های بالینی می باشد که برای به دست آوردن عملکرد یک دندان خراب مورد استفاده قرار می گیرد. بسیاری از موارد الزامی مانند زیست سازگاری، پایداری مکانیکی، رسانش گرمایی و غیره باید در این ایمپلنت ها فراهم شود. زیست سازگاری یکی از مهم ترین موضوعات در جراحی های ایمپلنت ها می باشد. این زیست سازگاری اشاره به حالتی دارد که محیط زیستی نسبت به حضور یک ایمپلنت واکنش نشان می دهد که نسبت به محیط زیستی یک وجود خارجی در نظر گفته می شود و ممکن است خطرناک و یا مخرب باشد. در طرف دیگر، بعضی از موارد تاثیر بسیار مثبتی بر روی محیط زیستی دارند، مانند بیوسرامیک ها، به خصوص کلسیم هیدروکسید که یک عامل زیستی فعال می باشد که ماهیت ماده زیستی طبیعی می باشد. در دنبال  رسیدن به یک ماده با زیست سازگاری بالا و در عین حال حفظ پایداری های مکانیکی، بیوسرامیک ها معمولا برای پوشش دادن ایمپلنت های فلزی مورد استفاده قرار می گیرند. مطالعه ها در رابطه با تماس بین استخوان و ایمپلنت نیز در مقاله های مختلف گزارش شده است. اگرچه در زمینه  زیست سازگاری و مقاومت ارتباط بین استخوان و ایمپلنت بهبود هایی ایجاد شده است، نیروی داخلی بیوسرامیک ها با فلز ممکن است یکی دیگر از منابع مشکلات گرمایی – مکانیکی باشد.

از نظر این موضوع که مواد زیستی طبیعی در واقع به صورت درجه بندی شده عمل می کنند، بیوسرامیک ها / فلز ها که به صورت خاص ترکیب های هیدروکسی آپاتایت / تیتانیوم (Ha/Ti) هستند و از جمله ایمپلنت های دندانی (FG) درجه بندی شده عملکردی مورد استفاده قرار می گیرند، یکی از بهترین جایگزین ها برای دندان های از دست رفته می باشند. Watari و همکارانش،  ایمپلنت های HA/Ti FG را تولید کردند و آن را در موش های ویستار، از نظر زیست سازگاری بررسی کردند. آن ها مشاهده کردند که ایمپلنت های HA/Ti FG  دارای زیست سازگاری بهتری نسبت به ایمپلنت هایی هستند که فقط ای تیتانیوم تولید شده اند. Yokuyama و همکارانش، ویژگی های مکانیکی و زیست سازگاری ایمپلنت های HA/Ti FG تولید شده با استفاده از روش تفجوشی جرقه ای ایجاد شده است را بررسی کردند و بیان کردند که با استفاده از این روش تا حد زیادی بهبود ایجاد شده است. Chu و همکارانش نیز مقاومت اتصال بین ایمپلنت و استخوان را به مقدار ۱۵۹MPa اندازه گیری کردند. Zhu و همکارانش نیز مقاومت برشی اتصال در ایمپلنت های HA/Ti FG  را به صورت ۶.۴۹MPa بعد از سه ماه، اندازه گیری کردند .  Chu و همکارانش مواد HA/Ti FG را ایجاد کردند که به صورت بهینه طراحی شده و ایجاد شده بود، و بر اساس کمترین تنش گرمایی پس ماند ساخته شده بود. Hedia و Mahmound از روش المان محدود (FE) استفاده کردند تا ایمپلنت های دندانی HA/Ti FG را بهینه کنند که بر اساس تنش های ون میسز حداقلی ساخته شده بود.

شکل ۱  مش کلی با شرایط بارگذاری و شرایط مرزی

در این مطالعه، روش FE سه بعدی برای مطالعه عملکرد ایمپلنت های دندانی HA/Ti FG با ارجاع به تنش های اطراف ایمپلنت ها، مورد استفاده قرار گرفته است.  ایمپلنت های تجاری تیتانیوم از سیستم Bioform در این مدل ها با استفاده از مواد HA/Ti FG جایگزین شده است.  به دلیل این که تنش های محیطی  بالاتر بر روی ایمپلنت می تواند باعث ایجاد یک احتمال بالاتر از شکست اتصال بین ایمپلنت و استخوان شود و تنش های فشردگی باعث جذب استخوان می شود، عملکرد های مکانیکی ایمپلنت ها با ارجاع به تنش های اولیه / کششی و تنش های فشردگی / سوم ، به علاوه شاخص عملکرد عمومی تنش های ون میسز بررسی می شود. مطالعه های پارامتری بر روی ترکیب های مختلف از ایمپلنت های FG بر اساس قانون نمایی Takashi و Naotake مورد استفاده قرار گرفته است.

در طرف دیگر، فرایند بلعیدن غذاهای سرد و گرم و یا آب باعث می شود که در محیط دهانی تغییرات دمایی ایجاد شود. تغییرات دمایی ممکن است در حد ۲۰ درجه سانتی گراد باشد. مطالعه فعلی همچنین تاثیر گرمایی – مکانیکی تغییرات دمایی بر روی عملکرد ایمپلنت های دندانی FG را بررسی می کند.

جدول ۱: ویژگی های مواد

مدل FE

حالت هندسی ایمپلنت ها برای دندان آسیای اول و آرواره پایین از مدل های FE ارائه شده توسط Las Casas و همکارانش به دست آمده است که از اسکن های مقطع نگاری کامپیوتری از ایمپلنت های دندانی سیستم Bioform و اسکن های CT آرواره پایین، ایجاد شده است.  این ایمپلنت ها دارای طول ۱۳ میلیمتر و قطع ۴ میلیمتر می باشد. این ایمپلنت ها یک سطح اریب موازی با بخش دیستال میانی دارد.  فرض شده است که یک لایه از استخوان اسفنجی به ضخامت ۱ میلیمتر دور ایمپلنت را فرا گرفته است. در این مطالعه، تنها ایمپلنت دندانی و سیستم های دهانی اطراف آن  مدل سازی می شود. بافت های استخوانی اطراف به اندازه ای کافی هستند که توزیع تنش محلی مشابه اطراف ایمپلنت دندانی مشابه با حالت کامل آرواره پایین را ایجاد کنند. مواد مورد استفاده برای ایجاد اتصال ها تیتانیوم می باشد، در حالی که ماده مورد استفاده برای خود ایمپلنت، HA/Ti FG می باشد.

شکل ۲  کسر حجمی از هیدروکسی آپاتایت در راستای طول ایمپلنت

شکل ۳  تغییرات ماژول های یانگ و CTE در راستای طول ایمپلنت

شکل ۵ تایید مدل فعلی نسبت به نتایج ارائه شده توسط Las Casas و همکارانش

شکل ۴  روش تقسیم بندی خطی برای تغییرات CTE

شکل ۶  گره های محیطی برای ارائه تنش.

مش های FE با شرایط بارگذاری مرزی و بارگذاری در شکل ۱ نشان داده شده است. ابعاد برای بخش های مرتبط با آرواره ها و ایمپلنت در این شکل مشخص شده است.  دو سطح انتهایی کاملا نسبت به هر گونه حرکت، محدود هستند. یک سطح کاملا کران دار نیز بین ایمپلنت و سطح اطراف بافت های استخوانی در نظر گرفته شده است به صورتی که آن ها ، همان گره هایی را به صورت مشترک داشته باشند که در سطح تماسی وجود دارد.

نیروی سطح جونده برای هر فرد متفاوت می باشد و حتی برای یک فرد، در شرایط مختلف این شرایط تفاوت می کنند. بازه تخمین زده شده از این نیرو در حالت یک دندان کامل بین ۲۰ تا۲۰۰ N می باشد. در این مطالعه، نویسنده ها قصد دارند تا عملکرد گرمایی – مکانیکی ایمپلن های دندانی با کسر های ترکیبی مختلف را در راستای طول ایمپلنت مطالعه کنند و قصد آن ها به دست آوردن سطح تنش دقیق در طول استفاده از دندان ها نمی باشد. ازین رو یک نیروی عمودی ۱۰۰N در این مطالعه در نظر گرفته شده است که نشان دهنده یک سطح جوندگی میانگین می باشد و به عنوان یک فشار یکنواخت بر روی سطح بالایی در نظر گرفته می شود ( شکل ۱).

شکل ۱  تنش های ون ویسز اطراف ایمپلنت که تنها تحت نیروهای جوندگی شکل می گیرند.

در طرف دیگر، بر اساس Toprali و Sasaki ، دمای دهانی در اثر فعالیت های روزانه کم و زیاد می شود، مانند بلعیدن مایعات داغ یا سرد که این تفاوت های دمایی می تواند در سطح ۲۰ درجه سانتی گراد باشد. تنش های گرمایی سپس از طریق بار های دمایی اندازه گیری می شود که برای کل سیستم دهانی، به صورت یک بازه از ۲۰- تا ۲۰ درجه سانتی گراد در نظر گرفته می شود.

ویژگی های در نظر گرفته شده برای هر ماده در جدول ۱ نشان داده شده است. باید به این نکته اشاره کرد که برای CTE های استخوان ها مقادیر بسیار متفاوتی توسط محقق های مختلف ارائه شده است، مثلا مقدار   توسط احمد و همکارانش، و مقدار  توسط داک و همکارانش ارائه شده است. در طرف دیگر، Toprali و Sasaki نیز از CTE های دندانی  برای استخوان لثه ای و  برای عاج های دندان مورد استفاده قرار گرفته است. تحقیقات بیشتر در مقالات دیگر نیز برای عاج دندان، مقدار  را ارائه کرده اند. به دلیل این که ترکیب ها و پیکربندی های ساختاری برای عاج ها ، مشابه با استخوان ها بسیار متفاوت هستند، CTE های دندانی با مقدار  برای CTE استخوانی در این مطالعه مورد استفاده قرار گرفته است.

شکل ۸  تنش های اصل سوم اطراف ایمپلنت تحت تنها نیروی جوندگی

برای ایمپلنت های FG دندانی مختلف، ترکیب های مختلف از قانون نمایی همراه با طول ایمپلنت برای این مطالعه پارامتری مورد استفاده قرار گرفته است. توزیع نمایی به سادگی برای این مدل سازی ها مورد استفاده قرار می گیرد زیرا حجم کسری بخش های HA در یک راس و مقدار صفر در اتصال در قسمت اتصالی بین ایمپلنت و دندان در نظر گرفته می شود. به این روش، این جهش تنش در این قسمت ها ایجاد نمی شود و در نتیجه زیست سازگاری در بالاترین حالت در قسمت راس ایجاد می شود. کسر حجمی برای هیدروکسی آپاتایت،  ، به صورت زیر نشان داده می شود :

که z  و  H جایگاه عمودی و طول ایمپلنت های دندانی را نشان میدهند.  همچنین کسر حجمی برای تیتانیوم  نیز به صورت زیر نوشته می شود :

شاخص نمایی m در معادله ۱ دارای مقادیر مختلف از ۰.۱ تا ۱۰ می باشد تا بتوانیم یک مطالعه پارامتری را انجام دهیم. تغییرات کسر حجمی در راستای طول ایمپلنت دندانی نسبت به مقادیر مختلف m به صورت گرافیکی در شکل ۲ نشان داده شده است. ویژگی های مد نظر برای ایمپلنت های FG ، یعنی ماژول یانگ E ، نسبت پواسون v  و ضریب های گرمایی C ، از ویژگی های هیدروکسی آپاتایت (HA) و تیتانیوم به دست آمده با کسر حجمی مربوطه، به صورت زیر به دست می آید :

که زیروند های t و h نشان دهنده ویژگی های تیتانیوم و هیدروکسی آپاتایت هستند. متغیر های محاسبه شده مرتبط با ماژول یانگ و ضریب افزایش گرمایی نسبت به شاخص های نمایی مختلف m در شکل ۳ نشان داده شده است.

شکل ۹  تنش های برشی اصلی اولیه اطراف ایمپلنت تحت تنها نیروی جوندگی

سایز گسسته این مش به صورت ۰.۳mm می باشد. یک تحلیل حساسیت سایز مش در این مطالعه انجام شده است. مش با سایز گسسته ۱ ، ۰.۵ و ۰.۳ به ترتیب برای ایمپلنت های دندانی و بافت های استخوانی اطراف آن مورد استفاده قرار گرفته است. مشخص شده است که این مش ها با ۰.۵ و ۰.۳ میلیمتر بهترین نتایج مشابه را به دست می آورند و بیشترین تنش ون میسز به دست آمده با مش ۰.۵ میلیمتر سایز گسسته دارای تمایز ۰.۲% نسبت به مقادیر به دست آمده از مش ۰.۳ میلیمتر می باشند. در طرف دیگر، مش با سایز گسسته ۱ میلیمتر دارای تفاوت های محسوس نسبت به مقادیر قبلی می باشد. ازین رو، مطالعه فعلی از سایز مش گسسته به صورت ۰.۳ میلیمتر استفاده می کند. یک مش پراکنده نیز برای بافت های استخوانی مورد استفاده قرار می گیرد که از ایمپلنت دور هستند. به صورت کلی، ۱۹۹.۰۰۸ المان چهار وجهی و ۳۵.۱۴۳ گره در این مدل مورد استفاده قرار گرفته است.

جدول ۲

یک UFIELD غیر روتین در Abaqus برای اجرای ویژگی های مواد FG در ایمپلنت مورد استفاده قرار گرفته است. ویژگی های مواد صاف و تغییرات در ایمپلنت های دندانی با خط های بخش بندی شده جایگزین شده است، مانند تخمین های CTE که در شکل ۴ نشان داده شده است. در حال حاضر یک هزار بخش برای ارائه تغییرات ویژگی های مواد مورد استفاده قرار گرفته است. با در نظر داشتن طول کلی ایمپلنت دندانی به صورت ۱۳ میلیمتر، طول هر کدام از بخش ها به صورت ۰.۰۱۳ میلیمتر بسیار کوچکتر از سایز ۳ میلیمتری مش می باشد. ازین رو، شبیه سازی فعلی از مواد FG می تواند به صحت کلی روش FE برای مواد همگن برسد.

تایید مدل

ویژگی مواد اولیه مورد استفاده به صورت تیتانیوم که در مطالعه Las Casas و همکارانش مورد استفاده قرار گرفته است با استفاده از مدل غیر روتین Abaqus اجرا شده است که در آن تایید ویژگی های مواد جایگزین داده های ثابت مواد باری تیتانیوم شده است.  تنها نیروی جوندگی به صورت ۱۰۰N در این مدل اعمال شده است.  تنش های اولیه اصلی و تنش های سوم در راستای محیط این ایمپلنت ها در قسمت های دیستال و میانی در شکل ۵ با یکدیگر مقایسه شده اند. می توان در شکل ۵ مشاهده کرد که نتایج شبیه سازی های فعلی نزدیک به نتایج شبیه سازی های انجام شده توسط Las Casas و همکارانش می باشد که از نظر سطح تنش کلی و گرایش های آن می باشد. تفاوت های بین مقادر پیک ممکن است از مش ها و ویژگی های نمونه برداری مختلف از گره ها ایجاد شود، به همین دلیل منحنی های تنش نسبت به منحنی های ارائه شده از Las Casas و همکارانش بسیار روان تر هستند.

گره های محیطی معمولا برای نشان دادن تنش مورد استفاده قرار می گیرند که در شکل ۵ نشان داده شده اند و تمام شکل های بعدی، در شکل ۶ رسم شده است. و شکل برش های باریک شده نیز در شکل ۶ نشان داده شده است.

نتایج شبیه سازی ها

شکل ۹-۷ نشان دهنده تنش های ون میسز، تنش اول و تنش سوم تحت تنها نیروی جوندگی برای FG های مختلف و ایمپلنت های تیتانیوم می باشد. هر کدام از نماد های موجود در این شکل ها متناسب با همان شکل تعریف می شوند. مثلا  نشان دهنده مواد FG در ایمپلنت با کسر HA با شاخص نمایی m=0.1 می باشد. ایمپلنت های FG  مختلف باعث می شوند که الگوهای بسیار مشابه از تنش های حول ایمپلنت ایجاد شود. در ارزیابی  تنش های عمومی، ایمپلنت های FG با کمترین کسر HA ، کران پایین را مشخص می کند در حالی که ایمپلنت های تیتانیومی در واقع کران بالا را مشخص می کند. در اصل، این نظم صعودی بر اساس شاخص نمایی افزایش پیدا می کند، یعنی هر چه شاخص نمایی بیشتر باشد، تنش کلی نیز بیشتر خواهد بود. این موضوع مطابق با تمایل تغییرات در ماژول یانگ می باشد و در شکل ۳ نیز نشان داده شده است که هر چه شاخص نمایی بالاتر باشد، ماژول کلی یانگ نیز بیشتر خواهد بود. دلیل این موضوع این است که ایمپلنت و استخوان های اطراف آن را می توان به صورت دو فنر موازی در نظر گرفت که نیروی جوندگی را متعادل می کنند، در نتیجه هر چه ایمپلنت سفت تر باشد، سهم نیرویی که دریافت می کند بیشتر است. باید به این نکته اشاره کرد که در شکل های ۹-۷ ، تنش پیک در قسمت های دهانی – زبانی به دلیل سه جفت از برش های باریک شده ایجاد می شود.

باید به این نکته اشاره کرد که مقدار جبری منفی کمتر در شکل ۷ نشان دهنده تنش های بالاتر فشردگی می باشد. بیشترین مقدار در راستای محیط ایمپلنت ها در جدول ۲ برای تمام موارد شبیه سازی ها نشان داده شده است و نمودار هیستوگرام در شکل ۱۰ نشان دهنده مقادیر برای ایمپلنت ها تحت تنها نیروی جوندگی می باشد. تقریبا تمام مقادیر ماکسیموم تنش نزدیک به محیط گردنی قرار دارند به جز چند مورد استثنا. بیشترین تنش ون میسز ( ۸.۰۲ MPa) ، از ایمپلنت های تیتانیوم ایجاد می شود که ۴۰.۷% نسبت به کمترین مقدار در ایمپلنت های FG که به صورت  بیشتر می باشد.

تفاوت های موجود در نیروهای اصلی فشردگی و نیروی های کششی خیلی محسوس نیستند زیرا ما این پارامتر ها را برای تنش های ون میسز در نظر می گیریم. بیشترین تنش فشردگی سوم از ایمپلنت های FG با m=0.1(-8.82MPa) ایجاد می شود که حدود۶.۵% بیشتر از مقدار کمترین از ایمپلنت های FG به صورت  می باشد. بیشترین تنش کششی نیز ای ایمپلنت های تیتانیوم ایجاد می شود ( ۱.۳۹MPa) که ۳۳.۶% نسبت به کمترین مقدار از ایمپلنت های FG به صورت  بیشتر می باشد. اگرچه تفاوت های درصدی برای تنش کششی بالا می باشد، اما تفاوت مطلق بسیار کم می باشد زیرا تنش های ماکسیموم کششی برای تمام ایمپلنت ها نسبت به تنش های فشردگی بسیار کمتر هستند.

تفاوت های بسیار کمی نیز برای تنش های ماکسیموم در میان ایمپلنت های FGمشاهده شده است. ایمپلنت های FG با  بیشترین تنش های ون میسز را ایجاد می کنند  ( ۵.۸۹MPa) ، در حالی کهی ایمپلنت های FG با m=0.2 ، کمترین  مقدار را ایجاد می کنند. بالاترین تنش اصلی سوم برای تمام ایمپلنت های FG از ایمپلنت هایی به صورت  ایجاد می شود در حالی که کمترین مقدار برای ایمپلنت های FG با m=5 و ۱۰ ، به صورت  است. بیشترین تنش اولیه از ایمپلنت های FG با m=5,10 ایجاد می شود و کمترین مقدار نیز از ایمپلنت های FG با  ایجاد می شود. تفاوت های درصدی بین بیشترین و کمترین مقدار به ترتیب برای کمترین مقادیر ماکسیموم تنش ون میسز، فشردگی و تنش کششی به صورت ۳.۳۳ ، ۶.۵۲ و  ۳۰.۷۶ درصد می باشد. اگرچه تفاوت های درصدی برای بیشترین تنش کششی تا ۳۰.۷۶% بالا می باشد، اما تفاوت های مطلق هنوز در حد کمی هستند زیرا تنش های کششی معمولا مقدار کمی دارند. ازین رو، می توان بیان کرد که تنها تحت نیروی جوندگی، عملکرد مکانیکی تمام ایمپلنت های FG تقریبا به صورت معادل خوب می باشد در حالی که تیتانیوم می تواند تنش های ون میسز بسیار بیشتری را تحمل کند.

شکل ۱۰ تنش های حول ایمپلنت به صورت ماکسیموم در قسمت ها دهانی – زبانی و قسمت های میانی – دیستال تحت تنها نیروی جوندگی

شکل ۱۱ تاثیرات تمایی حول ایمپلنت بر روی تنش های ون میسز

شکل ۱۲  تاثیرات دمایی حول ایمپلنت بر روی تنش اصلی سوم

شکل ۱۳  تاثیرات دمایی حول ایمپلنت بر روی تنش برشی اول

شکل ۱۴  تنش های محیطی ماکسیموم در قسمت های دهانی – زبانی و میانی – دیستال تحت نیروی جوندگی و بار های دمایی

تاثیر تغییرات دمایی به دلیل فعالیت های دهانی روزانه در شبیه سازی ها در بازه های دمایی ۲۰- تا ۲۰+ سانتی گراد نشان داده شده است و نیروی جوندگی نیز در این حالت ها در نظر گرفته شده است. تنش های حول ایمپلنت ها برای چهار ایمپلنت انتخاب شده FG و تیتانیوم در شکل ۱۳-۱۱ نشان داده شده است. می توان از این شکل ها مشاهده کرد که تغییرات دمایی تاثیر محسوسی بر روی نواحی گردنی نسبت به دیگر مناطق دارد.

تاثیر تغییرات دماییی بر روی تنش های ون میسز در شکل ۱۱ نشان داده شده است. مشاهده می شود که کاهش دما باعث می شود که سطح تنش ها به صورت محسوس افزایش پیدا کند در حالی که افزایش دما باعث می شود این تنش ها تا حدی کاهش پیدا کند. باید به این نکته اشاره کرد که DT در نمودار ها نشان دهنده بار گرمایی می باشد، مثلا DT=0 به معنی این است که هیچ بار گرمایی ایجاد نشده است و DT=20 هم نشان دهنده یک بار گرمایی ۲۰ درجه سانتی گرادی می باشد.

برای تنش های فشردگی  (شکل ۱۲) ، افزایش دمای ۲۰ درجه ای باعث می شود که تنش فشردگی به صورت محسوس نسبت به کاهش دما، افزایش بیشتری داشته باشد. این تاثیر بر روی نواحی گردنی در قسمت های میانی – دیستال بیشتر محسوس است.

برای تنش اصلی اول، می توان از شکل ۱۳ مشاهده کرد که با وجود ایمپلنت های FG مختلف، بار دمایی  به صورت افزایش و کاهش باعث می شود که تنش اصلی اول در نواحی گردنی به صورت محسوس کاهش پیدا کند در حالی که در قسمت راس ها باعث افزایش می شود. و این تاثیر حتی در نواحی گردنی در قسمت های میانی – دیستال محسوس تر می باشد.

تاثیر تغییرات دمایی همچنین در شکل  ۱۴ نیز نشان داده شده است که در این شکل، مقایسه بین بیشترین مقادیر در محیط قسمت های دهانی – زبانی و قسمت های میانی – دیستال را مشاهده می کنید. می توان از شکل ۱۴ و جدول ۲ مشاهده کرد که ایمپلنت های FG با m=2 بیشترین تنش ون میسز و تنش اول را با کاهش دمایی ۲۰ درجه تحمل می کنند ( به ترتیب ۵.۱۵ و ۹.۷۶MPa) . بیشترین تنش اصلی سوم نیز از ایمپلنت های تیتانیوم با کاهش دمایی  ایجاد می شود. ایمپلنت های FG با m=2 با کاهش دمایی هم بیشترین تنش اصلی سوم / فشردگی را در میان ایمپلنت های FG تحمل می کنند.

ایمپلنت های FG با m=0.2 بدن تغییرات دمایی نیز باعث می شود که کمترین تنش ون میسز ( ۵.۷MPa) ایجاد شود. ایمپلنت های FG با m=10 با کاهش دمای ۲۰ درجه سانتی گراد ( -۷.۷۰MPa) باعث می شود که کمترین تنش اصلی سوم ایجاد شود. همچنین ایمپلنت FG به صورت m=0.1 با کاهش دمایی ۲۰ درجه نیز باعث می شود که کمترین تنش اصلی اول (۰.۵۷MPa ) ایجاد شود.

به صورت خلاصه، کاهش دما باعث افزایش تنش می شود به خصوص تنش کششی که به صورت محسوس افزایش پیدا می کند. عملکرد مکانیکی نسبی ایمپلنت های FG و تیتانیوم تحت بار های دمایی و نیروی جوندگی نسبت به حالتی که فقط نیروی جوندگی در نظر گرفته می شود، بسیار متفاوت است.

با در نظر داشتن مقاوم خمشی ۱۵۹MPa در اتصال بین استخوان و ایمپلنت،  به نظر می رسد که مشتقات به دست آمده از تنش های کششی ماکسیموم برای تمام ایمپلنت های FG و تیتانیوم که در جدول ۲ مشاهده می شود، باعث نمی شوند که اتصال بین دندان و ایمپلنت آسیب ببیند. اما، ایمپلنت های FG با m=2 بیشترین احتمال از نظر شکست اتصال بین  ایمپلنت و دندان را در میان ایمپلنت های FG دارند که به دلیل تکرار یا شکست در اثر فرسودگی ایجاد می شود.

جمع بندی

تحت تنها نیروهای جوندگی، ایمپلنت های FG با کسر حجمی مختلف از HA تقریبا همه عملکرد خوبی دارند در حالی کهی تیتانیوم تنش های ون میسز بسیار بیشتری را به دست می آورد. عدم  تطابق ضریب های بسط گرمایی بین ایمپنت و استخوان میزبان باعث می شود که وقتی دمای دهانی تغییر می کند، تنش های اضافی ایجاد شود. از این مطالعه مشخص می شود که کاهش دما باعث افزایش تغییرات در تنش های ماکسیموم به صورت محسوس می شود. می تواند حتی باعث سه برابر شدن تنش های کششی شود. عملکرد ایمپلنت های دندانی از نظر تنش دمایی نسبت به حالتی که فقط نیروهای جوندگی در نظر گرفته می شود، بسیار متفاوت می باشد. زمانی که تاثیرات تغییرات دمایی در نظر گرفته می شود، ایمپلنت های FG با شاخص نمایی کسر HA به صورت m=2  بیشترین تنش ون ویسز و تنش کششی را در میان تمام ایمپلنت های FG و تیتانیوم تحمل می کند. ازین رو، تنش های گرمایی نباید برای ارزیابی عملکرد ایمپلنت های دندانی مورد غفلت قرار بگیرد.

برای دانلود کامل مقاله فارسی مطالعه گرمایی – مکانیکی ایمپلنت های دندانی عملکردی درجه بندی شده با استفاده از روش المان محدود اینجا کلیک کنید

دانلود ( Download )

برای دانلود کامل مقاله انگلیسی ( English ) مطالعه گرمایی – مکانیکی ایمپلنت های دندانی عملکردی درجه بندی شده با استفاده از روش المان محدود اینجا کلیک کنید

دانلود ( Download )

نوشته مطالعه گرمایی – مکانیکی ایمپلنت های دندانی عملکردی درجه بندی شده با استفاده از روش المان محدود اولین بار در دندان پزشک تهران، دندانپزشک تهران، دکتر کامیار شاطری، دندان پزشک تهران، دندان پزشکی تهران، دندان پزشک گیشا، دندان پزشک حرفه ای تهران. پدیدار شد.

[ad_2]

لینک منبع