Биомеханика включенных в блок имплантатов

В. А. Загорский

д. м. н., профессор кафедры терапевтической стоматологии с курсом ортопедической стоматологии Московской медицинской академии им. А. М. Сеченова

А. В. Севбитов

д. м. н., профессор, заведующий курсом ортопедической стоматологии Московской медицинской академии им. А. М. Сеченова

В. В. Загорский

студент V курса МГМСУ

Успешное пользование имплантатами и их долговечность, так же как и долговечность абатментов, участвующих в передаче жевательных и окклюзионных нагрузок, определяются степенью напряжений и выраженностью вызываемых ими деформаций подлежащей костной ткани. Анализируя клиническую ситуацию при обследовании пациентов, необходимо определить количество имплантатов, их конструкцию, направление установки и расположение их для оптимальной передачи нагрузок на подлежащие костные структуры. Необходимо оценить состояние костной ткани и слизистой оболочки протезного ложа, возможные общие и местные реакции организма на предлагаемое лечение.

Практически все предложения по изготовлению протезов, опирающихся на имплантаты, основаны на теориях и концепциях, предложенных на основе изучения строения и функционирования естественной окклюзии.

В этом процессе попытки, ошибки и интуиция занимают вполне законное место при конструировании зубных протезов на имплантатах. Нет ничего опасного в том, что конструктивное решение получено методом проб и ошибок. Это означает только одно — врач не знает, почему эта конструкция благополучно служит в полости рта и в какой период придет в негодность. Следует знать, что, если что-то работает, почему это происходит и каков механизм этой работы. Только в этом случае возможен успех при протезировании зубов на имплантатах.

В процессе изготовления протезов на имплантатах знание механизмов передачи напряжений от супраструктуры протеза на костную ткань челюсти имеет важное значение. Эти знания можно получить с помощью математических моделей методом конечных элементов, в основе построения которых лежат знания физических свойств костных структур челюстей черепа человека, имплантатов, твердых тканей зубов и пародонта, которые представлены нами в предыдущих статьях журнала.

Конструкции зубных протезов с опорой на имплантаты, применяемых для восстановления частичных и полных дефектов зубных рядов, во многом схожи и только в ряде случаев имеются особенности конструирования.

G. Weintraub (1987) полагает, что в норме горизонтальная физиологическая подвижность зубов находится в пределах 0,11—0,15 мм при действии силы в 300—500 г. Вертикальное перемещение зуба в тканях пародонта при нагрузке в 1—2 кг составляет 0,3—0,5 мм.

В тоже время Н. Aoki (1988), а затем и Е. Matsuo et all (1989) считают, что эти данные не совсем правомерны. Авторы усовершенствовали условия эксперимента с использованием электронной аппаратуры и сообщили, что амплитуда движений зуба гораздо больше. При этом значительная часть ее гасится за счет амортизационных свойств тканей периодонта, сосудисто-нервного пучка и затем альвеолярной кости. Увеличение амплитуды движений зуба обусловлено изменением соотношения его внеальвеолярной и альвеолярной частей.

При отсутствии большого количества зубов все чаще используют перекрывающие конструкции протезов, позволяющих передавать нагрузку как на оставшиеся зубы, имплантаты, так и на слизистую оболочку протезного ложа. В этих случаях базис перекрывающего протеза в дистальных отделах может погружаться в слизистую оболочку протезного ложа до 200 мкм. Любое жесткое соединение базиса съемного протеза с имплантатом будет действовать как рычаг первого рода по отношению к имплантату и кости. Поэтому соединение базиса перекрывающего протеза с имплантатом необходимо делать лабильным или полулабильным с распределением удерживающей протез нагрузки по вертикальной оси имплантатов.

Оптимальная нагрузка для опорных имплантатов определена нами строго по вертикальной оси в пределах его окклюзионной поверхности. Если применяется фиксация протеза за пределами окклюзионной поверхности имплантата, следует перенести точку крепления максимально ближе к десне.

Биомеханика одиночных имплантатов

Анализ картин напряжений и деформаций одиночных и объединенных в блок имплантатов показал, что реакция костной ткани отличается от аналогичной при протезировании одиночных зубов и при их объединении в блок зубным протезом. Мы полагаем, что между имплантатом из титана и окружающей его костной тканью существует тончайшая амортизирующая прослойка новообразованной костной ткани, позволяющая имплантату совершать микроэкскурсии.

Если при одиночно стоящем имплантате соединение в 17 Н/мм² соответствует нагрузке до 100 Н, то при установке нескольких имплантатов, которые жестко объединены структурой протеза, способность сопротивляться жевательной нагрузке резко возрастает. Важно, чтобы нагрузка от зубного протеза на имплантаты распределялась по его вертикальной оси, а зубной протез функционировал в соответствии с принципами сбалансированной окклюзии. Необходимо исключить множественные блокирующие контакты на защитных бугорках протеза — щечные бугорки зубов на верхней челюсти, язычные бугорки на нижней челюсти. Контакты следует оставить на опорных бугорках протеза — небные бугорки зубов верхней челюсти и щечные бугорки зубов нижней челюсти. Многое в движениях нижней челюсти и создании множественного контакта между искусственными зубными рядами, то есть сбалансированной окклюзии, определяет правильное формирование протетической плоскости в межчелюстном пространстве, особенно при отсутствии большого количества зубов и при потере последней пары зубов-антагонистов.

Клинический опыт показывает, что для фиксации перекрывающего протеза не применяют один имплантат (рис. 1а), так как дистальная часть базиса протеза при нагрузке будет действовать как рычаг, вывихивая имплантаты (рис. 1б). Установка одного имплантата может быть осуществлена как временная мера для стабилизации существующего съемного протеза, как опора для ортодонтического аппарата или как диагностическая для оценки реакции костной ткани.

Протезная конструкция, опирающаяся на два и более имплантата, имеет иную картину распределения напряжений и деформаций, чем одиночные, и определяется точкой приложения нагрузки от зубного протеза на балку, объединяющую имплантаты.

При двух имплантатах (рис. 2а), объединенных в блок балкой (рис. 2б), вертикальная нагрузка, приложенная в середине балки, вызывает напряжения, подобные распределению их в одиночных имплантатах. Основные напряжения концентрируются в месте приложения на балке (рис. 2в), затем равномерно распределяются по двум имплантатам, концентрируясь больше в их верхних двух третях. Подобное распределение напряжений аналогично напряжениям одиночного имплантата при действии нагрузки по вертикальной оси. Однако два имплантата, объединенных балкой, будут более устойчивы к жевательной нагрузке от съемного протеза. График распределения напряжений в имплантатах и костной ткани (наиболее нагруженных частях) показан на рис. 2г. Клинический опыт показывает, что подобное размещение опорных и удерживающих элементов на балке между имплантатами наиболее оптимально для функционирования съемного протеза с опорой на имплантаты.

Вертикальная нагрузка на один из двух имплантатов вызывает значительные, до 80 %, сжимающие напряжения в точке ее приложения, которые распределяются достаточно равномерно по телу опорного имплантата (рис. 3а), концентрируясь также в верхних двух его третях (рис. 3б). В противоположном имплантате в области соединения балки с его шейкой определяются до 70—80 % напряжений растягивающего характера, которые равномерно компенсируются в верхних двух третях конструкции по убывающей до его верхушки. График распределения напряжений в имплантате и костной ткани (наиболее нагруженной части) показан на рис. 3в.

Подобная картина возможна при погружении дистального отдела базиса съемного протеза в слизистую оболочку протезного ложа. Поэтому кратковременное действие этой нагрузки будет компенсировано костной тканью, окружающей имплантат. Однако постоянная или циклическая часто повторяющая нагрузка может вызвать деструктивные изменения в окружающей имплантат костной ткани.

Вертикальная нагрузка, приложенная к консоли одного из двух имплантатов, вызывает значительные, до 80 %, сжимающие напряжения в точке ее приложения, которые распределяются достаточно равномерно по телу опорного имплантата, концентрируясь также в верхних двух его третях (рис. 4а, б). В противоположном имплантате в области соединения ее балки с ее шейкой определяется до 70—80 % напряжений растягивающего характера, которые равномерно компенсируются в верхних двух третях конструкции по убывающей до его верхушки. График распределения напряжений в имплантате и костной ткани (наиболее нагруженных частях) показан на рис. 4в. Подобная картина возможна при погружении дистального отдела базиса съемного протеза в слизистую оболочку протезного ложа. Поэтому кратковременное действие этой нагрузки будет компенсировано костной тканью, окружающей имплантат. Однако постоянные или циклические, часто повторяющиеся нагрузки могут вызвать деструктивные изменения в костной ткани, окружающей имплантат.

При поперечной стабилизации следует учитывать взаимоотношения базиса съемного протеза со слизистой оболочкой протезного ложа, так как всегда происходит погружение концевого отдела базиса протеза на неподвижный имплантат в костной ткани. В этом случае жесткое крепление базиса к имплантату будет вызывать раскачивающую нагрузку на имплантат. Одним из выходов является использование парасагиттальной стабилизации, которая во многом позволяет перераспределить напряжения от съемного протеза на опорные имплантаты.

Биомеханика четырех имплантатов, объединенных в блок

Устойчивость к нагрузке отдельно установленных имплантатов при съемном протезировании можно значительно увеличить, соединив их балкой. Стабилизация по определенной плоскости называется плоскостным шинированием. Это может быть треугольное или круговое — по дуге — связывание между собой.

Анализ картин напряжений четырех имплантатов, установленных с усилием 17 Н/мм² при нагрузке в 100 Н, показывает, что наиболее устойчивой конструкцией изготовления зубных протезов будет опора на четыре и более имплантата. Анализ напряжений в центре балки при усилии 100 Н вызывает равномерное распределение напряжений в месте приложения нагрузки с убыванием значений по остальным имплантатам. Наибольшие значения напряжений локализуются в основном в верхних двух третях имплантатов по их вертикальной оси. Все напряжения компенсируются за счет количества имплантатов и объединяющей их балки (рис. 5а, б). График распределения напряжений в имплантате и костной ткани (наиболее нагруженных частях) показан на рисунке 5в.

При нагрузке, действующей на один из дистальных имплантатов, создается скопление напряжений в противоположных имплантатах в области их шеек и месте соединения с балкой. Кратковременная нагрузка на один из краевых имплантатов с усилием до 100 Н не определяет картины напряжений, значительно отличающейся от предыдущей. Это вызвано тем, что напряжения от опорного имплантата через балку в значительной мере компенсируются тремя оставшимися имплантатами (рис. 6а, б). В области шеек остальных имплантатов определяются растягивающие напряжения до 80 %, которые носят компенсированный характер. Следует остерегаться постоянной нагрузки на один из дистальных имплантатов для профилактики резорбции костной ткани. График распределения напряжений в имплантате и костной ткани (наиболее нагруженных частях) показан на рисунке 6в.

Кратковременная нагрузка за пределами установленных имплантатов до 4 мм вызывает незначительный эффект погружения опорного имплантата с распределением напряжений через балку на другие. Напряжения определяются в верхних двух третях имплантатов и в области соединения балки с имплантатом. Кратковременная нагрузка носит компенсированный характер (рис.7а, б). Однако постоянная нагрузка на консоль балки может провоцировать перегрузку костной ткани вокруг опорного имплантата с последующей деструкцией кости вокруг остальных имплантатов. График распределения напряжений в имплантате и костной ткани (наиболее нагруженных частях) показан на рисунке 7в.

В процессе исследования реакций упруго-напряженных состояний костной ткани и имплантатов нами были определены опорные реакции, возникающие в упругом слое, связывающем имплантат и кость. Модель костного ложа в челюсти с системой нагружающих ее сил показала, что максимальные напряжения действуют в поверхностном слое челюсти, а также у вершины имплантата. Однако напряжения, действующие в кости, в 8—10 раз меньше, чем напряжения, возникающие в теле имплантата, что обусловлено ее большим поперечным сечением и различием их механических характеристик. Прочность компактной костной ткани ниже прочности материала имплантата примерно в 8—10 раз (50 МПа по сравнению с пределом прочности титана 450—600МПа), что позволяет говорить об относительно одинаковых упругих компонентах, входящих в систему имплантат — кость. Мы полагаем, что одинаковая упругость материалов справедлива только при кратковременно действующей жевательной нагрузке до 200—300 Н. При этом возможен диапазон напряжений в этой системе от 3 до 10 МПа, что не вызывает разрушающих напряжений на границе костной ткани и имплантата. Естественно, что подобное утверждение может быть справедливо только для нормальной костной ткани и имплантатов, имеющих форму корня.

Проведенное исследование показало, что, несмотря на физические и структурные различия костных образований челюстно-лицевой области и имплантатов, их объединяет функция пережевывания пищи. При исследовании механических характеристик тканей челюстно-лицевой области установлено, что модули их упругости одинаковы или схожи. Поэтому для замещения дефектов зуба или зубных рядов необходимо использовать материал, соответствующий утраченным тканям по модулю упругости, поскольку известно, что конструкции, имеющие различные значения модулей упругости, но выполняющие одну функцию и соединенные в одно целое, быстро разрушаются. Это обусловлено формированием на границе разнородных материалов паразитарных напряжений, переходящих в разрушающие. Знание механических характеристик материала, из которого изготавливают имплантат, и замещаемых тканей позволяет увеличить продолжительность пользования имплантатами.

Костная ткань постоянно подвергается воздействию изменяющихся напряжений и деформаций, которые являются источником поддержания ее гомеостаза. Если рассматривать жизнедеятельность костной ткани как результат управляемых физико-химических и биомеханических процессов, постоянно обновляющихся под действием функциональной нагрузки, то оптимальной конструкцией имплантата будет такая, которая легко адаптируется к этим процессам. С этой точки зрения материал для изготовления имплантата должен соответствовать обменным реакциям, протекающим в костной ткани, не отторгаясь, а встраиваясь в нее. Такими свойствами обладают биоинертные и биоактивные материалы.

Проведенные нами биомеханические исследования и клинический опыт позволили систематизировать факторы, которые необходимо учитывать при проведении зубной имплантации.

• Форма имплантата. Лучшая первичная и последующая стабильность получена у имплантатов, имеющих конструкцию формы корня зуба. Это подтверждается биомеханическими исследованиями, так как они создают хорошую компрессию костной ткани по всей длине имплантата и особенно в области его шейки. Устанавливаемый имплантат должен быть длиннее и шире удаленного корня зуба.

• Геометрия и поверхность имплантата. За счет макроструктуры и микропористости многих видов увеличена их контактная поверхность с костью, что способствует лучшей остеоинтеграции.

• Стабильность имплантата. Лучшая получена у винтовых конструкций, и особенно имеющих форму самореза. Худшая — у цилиндрических и пластиночных имплантатов.

• Время оперативного вмешательства. На нижней челюсти в первую неделю определяется наивысшая стабилизация, затем она в течение двух недель нормализуется и остается в последующее время неизменной. На верхней челюсти, имеющей большое количество губчатой, часто рыхлой кости, не всегда удается создать первичную стабильность после установки абатмента, и только после минимальной функциональной нагрузки происходит уплотнение костной ткани вокруг имплантата и его стабилизация.