analise elementos finitos angulo mesa olcusal

Análise de tensões em implantes osseointegrados por elementos
finitos:variação da inclinação da cúspide e largura da mesa oclusal.
Finite element stress analysis in ossointegrated
impants: variation of cusp inclination and occlusal table width.
Resumo
O presente trabalho consiste em uma análise de tensões por elementos finitos de
implantes osseointegrados com variação no desenho da prótese. Foram comparadas
proteses sobre implantes mediante variação do ângulo de inclinação dacúspide e largura
da mesa oclusal. Gonstatouse que o aumento no ângulo cuspídeo acarretou uma
elevação das tensões nos componentes, assim como as coroas com uma mesa oclusal de
maior diâmetro vestíbulo-lingual apresentaram também um aumento de tensões no
complexo pilar-implante.
Abstract
The present article consists in a stress analyze using finite elements method to study
lhe stress variation of prothesis designo It was compared protheses supporting by
osseointegrated implants with variation inthe cusp inclination angle and lhe width of
occlusal tabIe. The results demonstrated high stress levei in protheses crowns with an
increasing in lhe cusp angle and in the crowns with an increasing in the occlusal table
width.
Palavras-chaves
Implante dentário, análise de elemento finito, análise de te~sões em implantes
Key-words
Dental Implant, finite element analysis, stress analysis implant.
Introdução
O novo conceito da osseointegração propiciou a reabilitação dos arcos edêntulos
com implantes dentários como uma práricaclinicade rotina. BRANEMARKetal., (1987)
propuseram protocolos que foram comprovados clinicamente por ADELL et ai., (1981),
demonstrando um elevado índice de sucesso.
No entanto, a literatura científica apresenta vários aspectos relacionados com as
complicações das reabilitações com implantes osseointegrados. Dentre as complicações
citadas, as complicações mecânicas na prótese podem levar a situações clinicas de difícil
solução.
(ADELLetal,
1981;RANGERTetal,
1989;NAERTetal.1992,
MORGAN
&JAMES.1993,LANEYetal,
1994,HAASetaI1995,
BALSHI
I
996,McGLUMPHY
etalI998,ECKERTetal,2000) RANGERT (1995), em análise retrospectivaafinnaram que
a sobrecarga pode levar a uma reabsorção e que esta parece preceder e contribuir para
a fratura de componentes dos implantes osseointegrados.
Aspectos relacionados ao desenho da prótese podem ser considerados como
potencializadores de forças decorrentes da carga mastigatória.
WEINBERG & KRUGER( 1995), afinnaramque para cada 100 de aumento na inclinação da
vertente da cúspide, acarreta em 30% de aumento da carga sobre a estrutura.
McGLUMPHY (1998), afirmaram que supraestruturas protéticas com as mesas
oclusais largas propiciam a ocorrência de contatos excêntricos e com isso são gerados
momentos e tensões desfavoráveis para o sistema.
O presente trabalho consiste em uma analise de tensões geradas sobre implantes
osseointegrados, utilizando o método de elementos finitos foram realizadas simulações
mediante a modelagem de reabilitações unitárias com implantes osseointegrados, no
sentido de avaliar o comportamento mecânico da estrutura em função do desenho da
prótese. Por isso foram avaliados 2 tipos de variações no desenho das supraestruturas
que foram a mesa oclusal e o ângulo cuspídeo.
Materiais e Métodos
Método de Elementos de Finitos
Utilizouse o método dos elementos finitos objetivando 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;BARBIERetal, 1998; STEGAROIUetal. , 1998a; I 998b).
Modelagem das Estruturas
Para a avaliação das tensões desenvolvidas no complexo pilar-implante foi
confeccionado um modelo que representa as relações entre estas estruturas. Foram
utilizadas as dimensões de peças fabricadas e comercializadas pela empresa Conexão
Sistema e Próteses (São Paulo, SP).
Utilizou-se um implante osseointegrado rosqueávelde 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. (MORAES, era/., 2001)
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 supra estrutura protética, foram modelados os componentes protéticos: o cilindro
ou "coping" de ouro do tipo conafuso de ouro na parte superior do pilar intermediário e a
coroa protética adaptada ao cilindro de ouro com revestimento de porcelana, coroa
angulada de 30 o e mesa oclusal estreita (2,5mm).
Um corte longitudinal destas estruturas foi modelado.
Desta forma, determinou-se a localização dos pontos do modelo e gerou-se uma
malha de elementos finitos que permitiu uma discretização das estruturas que
compunham o modelo, tendo sido realizada a análise de convergência da malha.
Propriedades Mecânicas
Foram utilizadas no programa as propriedades mecânicas dos materiais envolvidos
neste trabalho. O módulo de elasticidade e o coeficiente de Poisson para os materiais
envolvidos neste trabalho foram retirados da literatura e são apresentadas na TAB.1.
Hipóteses Simplificadoras
Para a viabilização deste trabalho, buscando tornar a modelagem e a solução do
processo possíveis, foram adotadàs algumas hipóteses simplificadoras. Os materiais
envolvidos nesta análise foram considerados homogêneos, isotrópicos e linearmente
elásticos. Uma estrutura axissimétrica foi definida para o modylo geométrico
bidimensional. Umasecção longitudinal das estruturas foi modelada.
As estruturas foram modeladas como sendo uma única 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.
Carregamentos
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;RICH1ER, 1995).
A análise efetuada constituiu na aplicação' de uma carga axial de 100 N
concentrada na metade do raio da pró tese (distribuída em uma linha) para análise da
variação do ângulo de inclinação da cúspide (30 ° e 45 O); e uma carga axial de 100 N
distribuídaem um segmento de 1,55 mm próximo a extremidade da coroa protética
(carga distribuída em uma área) para a.nálise da variação da largura da mesa oclusal
(estreita e larga).
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 no espaço e se opor às
forças externas.
Nas análises de variação do ângulo de inclinação da cúspide e variação da largura
da mesa oclusal, 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 pm"tir das imagens gráficas das tensões
de Von Mises obtidas com o programa Ansys. 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 ângulo de
inclinação da cúspide de 30 O(FIG.l) e ângulo de inclinação da cúspide de 45° (FIG.2),
foi possível determi nar as tensões máximas para os componentes modelados no
presente trabalho.
Na análise de variação do ângulo de inclinação da cúspide, as tensões máximas
para os componentes são apresentadas na TAB.2.
Estes resultados mostraram que a tensão máxima foi obtida para o componente
coroa protética, próximo à região de aplicação da carga para ambas inclinações de
ângulo cuspídeo.
A coroa protética e o parafuso de ouro mostraram um aumento de
aproximadamente 40% nas tensões para a condição de ângulo de inclinação da cúspide
de 45°.
A partir das imagens obtidas para a análise da variação da largura da mesaoclusal
em estreita (FIG.3) e larga (FIG.4), determinou-se as tensões máximas obtidas para os
componentes modelados neste trabalho.
Na análise da variação da largura da mesa oclusal, as tensões máximas obtidas
para cada componente modelado são apresentadas na TAB.3.
As tensões máximas foram observadas na região inferior, do pilar intermediário
paraacondição de mesaoclusal estreita (2,5 mm) e mesa oclusallarga (3,5 mm). As
tensões para esta região apresentaram-se aumentadas em aproximadamente 140%
para a condição de mesa oclusallarga.
Na T AB.3, é possível v~rificar que as tensões nos componentes analisados foram
maiores para a condição de mesa oclusallarga.
Discussão
Analisando-se a variação do ângulo de inclinação da cúspide com 30 ° (FIG.I) e
45° (FIG.2), observou-se tensões máximas no ponto de aplicação da carga na coroa
protética, para ambos os modelos, tendo sido encontrados os valores de 7,0 N/ mm2e
ION/mm2respectivamente(TAB. 2). Oaumentodainclinação da cúspide em 50 %, induziu
aumento da tensão em 40 %
.na coroa protética.
Para o parafuso de ouro os valores máximos de tensões encontrados foram de2,3
N/mm2 e 3,3 N/mm2respectivamente para o modelo com ângulo de inclinaçãode300e45
°. Assim como na coroa protética, ocorreu aumento de aproximadamente 40 % no nível
de tensão observada no parafuso de ouro com inclinação da cúspide de 45 °.
Para o cilindro de ouro, pilar intermediário e parafuso de fixação do pilar intermediário,
as tensões máximas encontradas foram de 2,2N!mm2.
Para o implante a tensão máxima foi de 1,5 N!mm2. Os níveis de tensões
encontrados para estes componentes foram, portanto, similares para ambos os modelos.
WEINBERG (1993) concluiu que o ângulo de inclinação da cúspide da coroa
protética é um fator importante nas reabilitações com implantes e sugere uma inclinação
pequena da cúspide. WEINBERG&KRUGER(1995),afirmaramque: l)para cada 10 graus de
aumento na inclinação da vertente da cúspide, existe aproximadamente 30% de
aumento da carga transferida ao sistema implante/prótese.
KAUKINEN eta/., (1996), estudaram a influência da forma oclusal na transferência
de forças mastigatórias em próteses implanto suportadas. Variando o ângulo de
inclinação dacúspide em O o e 30 o, verificaram que os modelos de O o apresentaram
redução de 50 % nas cargas dissipadas na prótese e no tecido ósseo. Observaram que
quanto menor a inclinação das vertentes das cúspides, menores seriam as forças laterais
ou transversais, o que beneficia a manutenção e preservação da osseointegração e dos
componentes do sistema.
No presente trabalho, um aumento de 15 o na inclinação da cúspide, gerou um
aumento de 40 % nas tensões transferidas aos componentes coroa protética e parafuso
de ouro. Este resultado está de acordo com os encontrados por WEINBERG & KRUGER
(1995) e KAUKlNEN et alo (1996), mostrando que a redução da inclinação das cúspides é
mais favorável, promovendo melhor dissipação das cargas nos componentes do sistema
prótese-implante.
Na presente análise a largura da mesa oclusal foi mantida e apenas a inclinação da
cúspide foi alterada.
Com o aumento do ângulo de inclinação da cúspide, verificamos um aumento da
área da coroa protética e um aumento das tensões cisalhantes. Comparando-se a
cúspide com um plano inclinado, o ângulo de inclinação da cúspide será o ângulo que o
plano inclinado faz com a horizontal. Então, uma força aplicada na coroa protética na
direção do longo eixo do implante, ou em um plano inclinado, apresenta duas
componentes. Uma componente normal ao plano inclinado no ponto de aplicação e outra
componente paralela ao plano no mesmo ponto. A componente paralela ao plano terá
valor igual ao produto da força aplicada pelo seno do ângulo de inclinação (FIG.5).
Portanto, quanto maior o ângulo de inclinação deste plano, ou quanto maior o
ângulo de inclinação da cúspide, maior será a componente que é paralela ao plano, e
maiores serão então as tensões de cisalhamento. O fato das forças anguladas ou
transversais gerarem componentes de cisalh~ento, prejudici-ais aos implantes, foi
também relatado por RANGERT etal., 1989; RlCHTER, 1995;NAERT, 1998EBRUNSKI,
1998. Oprocessode mastigação produz principalmente forças verticais na dentição. São
também criadas forças transversais em função do movimento horizontal da mandíbula e
da anatomia dentária (inclinação das cúspides dentárias). Estas forças são transferidas
através da prótese ao implante e finalmente ao osso. As forças axiais são mais
favoráveis, distribuindo o esforço com r:nais regularidade por todo o implante (RANGERT
et ai., 1989; RICHTER, 1995; NAERT, 1998;BRUNSKI, 1998).
Uma carga axial aplicada na coroa protética produz uma força resultante, cuja linha
de ação é perpendicular à inclinação da cúspide. O momento produzido por esta força
em relação ao implante é igual ao produto da força aplicada pela distância perpendicular
entre a linha de ação da força e o implante. Com o aumento do ângulo de inclinação da
cúspide, pode se observar que a distância perpendicular entre a linha de ação da força e
o implante aumenta. Assim, temos um aumento do momento na estrutura (FIG.6).
Este fato poderia explicar o aumento das tensões para a condição de carregamento
com inclinação da cúspide de 45 °, observada no pres~nte trabalho, sendo portanto, a
mais crítica.
Neste trabalho, como foi anteriormente citado, foram analisadas ainda as condições
de mesa oclusal estreita (1,5mm) elarga(3,5mm).
Mantendo-se todos os parâmetros constantes e variando-se a largura da mesa
oclusal, pode-se constatar que o aumento da largura da mesa oclusal não apresenta
diferenças qualitativas significantes entre os dois perfis de distribuição de tensões.
(FIG.3 e FIG.4). Mas, háditerença no valor das tensões quando se modifica a largura da
mesa oclusal.
As maiores tensões observadas, ao analisarmos a mesa oclusal estreita (2,5 mm) e
a larga (3,5 mm), ocorreram na região inferior do abutment, e atingiram o
valormáximode 1,3 N/mm2 e 3, I N/mm", respectivamente. (T AB. 6.6). Sendo o
segundo valor cerca de 140 % maior que o primeiro.
Ao analisarmos as tensões para a condição de mesa oclusal maior, verificamos um
aumento do nível de tensões em todos os componentes do sistema de implante
osseointegrado., quando comparado com a condição de mesa oclusal estreita.
Na coroa protética observou-se o valor máximo de 0,7 N/ mm:!e I,ON/mm2 para
mesa o clusal estreita
e mesa oclusal larga, respecti vamente. Para o implante os
valores foram 1,2 N/mm2 e 1,7 N/mm:!, respectivamente. Estes valores correspondem
a tensões aumentadas para o implante em aproximadamente 40 % para a condição de
mesa oclusallarga quando comparada com a condição de mesa oclusal estreita.
Para o parafuso de ouro, cilindro de ouro e parafuso de fixação do pilar
intermediário, as tensões máximas encontradas foram 90% maiores para a condição de
mesa oclusal larga quando comparada com as observadas para a condição de mesa
oclusal estrcita.
Segundo RICHTER (1989), para minimizaros problemas causados por cargas
horizontais, é aconselhável o aumento do diâmetro do implante e o estreitamento da
mesa oclusal. Resultadosemelhante foi obtidoporWEINBERG( 1993), oqual analisou a
largura da mesa oclusal ou largura da coroa protética, concluindo que uma mesa oclusal
estreita reduziria as cargas sobre os implantes, resultado que também foi encontrado
neste trabalho, onde se observou a redução dos níveis de tensões para todos os
componentes do sistema de implante osseointegrado analisado, para a condição de
mesa oclusal estreita.
RANGERT eta/., (1995), em análise retrospectiva afirmaram que a sobrecarga
induz a uma reabsorção óssea e que esta parece preceder e contribuir para a fratura dos
componentes do implante. Sugerem a diminuição dos braços de alavanca, estreitamento
da mesa oclusal, e a centralização dos contatos oclusais com o objetivo de reduzir a
ocorrência de cargas excêntricas, responsáveis pela fIexão da estrutura e por gerarem
um momento maior. Estas cargas associadas a uma mesa oclusal larga geram tensões
elevadas na região inferior do pilar intermediário na região de osso cortical, podendo
levar a uma severa reabsorção óssea e conseqüentemente a perda do implante,
confolme dito anteriormente.
Mc GLUMPHY .(1998), afirmam que mesas oclusais largas promovem contatos
excêntricos. Os resultados encontrados no presente trabalho mostraram que a mesa
oclusal mais larga deve ser evitada, uma vez que gerou tensões mais elevadas nos
componentes do sistema. Para se manter os componentes dos sistemas de implantes em
condições de suportarem as. cargas mastigatórias, deve-se ajustar a oclusão de forma a
direcionar élS forças na direção do longo eixo do implante, reduzindo-se o braço de
alavanca, e a ocorrência de contatos excêntricos.
Os resultados de simulação por elementos finitos variando-se a largura da mesa oclusal,
mostram que quanto maior a mesa oclusal, mais desfavorável é a distribuição de
tensões. Este comportamento pode ser atribuído ao aumento do momento gerado petas
cargas excêntricas, as quais estão presentes na estrutura quando em função (FIG. 7)
Conclusões
A analise da variação do ângulo de inclinação da cúspide de 30 ° para 45°,
mostrou que a condição de cúspide inclinada de 45 o é crítica em relação a de 30 °.
Verificou-se que o aumento da inclinação aumenta as tensões na coroa protética e
no parafuso de ouro. Para o cilindro de ouro, pilar intermediário, parafuso de fixação do
pilar intermediário e implante, os níveis de tensões encontrados foram similares em
ambos os modelos.
O aumento da largura da mesa oclusal elevou as tensões em todos os
componentes do sistema de implante osseointegrado analisado
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