Avaliação biomecânica de implantes imediatos com carga imediata: análise 3D em elementos finitos

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1 Avaliação biomecânica de implantes imediatos com carga imediata: análise 3D em elementos finitos Biomechanical evaluation of immediately placed implants: CT-based 3D finite element analysis Roberto Sales e PESSOA 1, Luiza MURARU 2, Luis Geraldo VAZ 3, Elcio MARCANTONIO JUNIOR 4, Jos Vander SLOTEN 2, Sérgio Ricardo de OLIVEIRA 5, Siegfried V. N. JAECQUES 6 RESUMO Objetivo: o objetivo do presente estudo foi analisar o ambiente biomecânico de implantes imediatos com carga imediata, comparando 3 diferentes magnitudes de carga. Material e Métodos: um modelo em elementos finitos de um incisivo central superior contendo um implante cônico de 13 mm de comprimento e 4,5 mm de plataforma, hexágono interno, foi construído. Elementos de contato friccional foram utilizados para simular as interfaces entre o osso, implante, abutment e parafuso do abutment. Foram aplicadas forças de 50, 100 e 200 N na extremidade superior do abutment. Os dados para a deformação equivalente no osso, as tensões equivalentes no parafuso, deslocamento relativo osso-implante e gap do abutment foram calculados. Resultados/Conclusão: u magnitude das cargas aplicadas sobre os implantes imediatos com carga imediata influenciam significativamente o ambiente biomecânico deste protocolo. Palavras-chave: Implantes dentários. Biomecânica. Osseointegração. ABSTRACT Objective: the purpose of the present study was to evaluate the biomechanical environment of immediately placed implants, by comparing three different loading magnitudes. Material and Methods: a CT-based finite element model of an upper central incisor extraction socket was constructed containing a conical internal hex 13-mm implant. Frictional contact elements were used in the bone, implant, abutment and abutment screw interfaces. Forces of 50, 100 and 200 N were applied on the superior central region of the abutment. Data for the peak equivalent strain in the bone, peak Von Mises stress in the abutment screw, bone-to-implant relative displacement and abutment gap were calculated. Results/ Conclusion: the loading magnitudes applied over the implants are capable to greatly influence the biomechanical environment in immediately placed protocol. Key words: Dental implants. Biomechanics. Osseointegration. Endereço para correspondência: Roberto Sales e Pessoa UNESP - Faculdade de Odontologia de Araraquara Departamento de Diagnóstico e Cirurgia Rua Humaitá, Sala Araraquara - São Paulo - Brasil rp@inpes.com.br Recebido: 02/07/2009 Aceito: 07/08/ Doutorando em Periodontia da Faculdade de Odntologia de Araraquara, Universidade Estadual Paulista, Araraquara, SP, Brasil. 2. Divisão de Biomecânica e Design em Engenharia, Katholieke Universiteit Leuven, Leuven, Bélgica. 3. Professor Adjunto do Departamento de Materiais Dentários e Prótese, Faculdade de Odontologia de Araraquara, Universidade Estadual Paulista, Araraquara, SP, Brasil. 4. Professor Titular da Disciplina de Periodontia, Departamento de Diagnóstico e Cirurgia, Faculdade de Odontologia de Araraquara, Universidade Estadual Paulista, Araraquara, SP, Brasil. 5. Doutor em Odontologia (Periodontia). Pesquisador do Departamento de Periodontia e Implantodontia, Instituto de Pesquisa e Ensino em Saúde, Uberlândia, MG, Brasil. 6. Departamento de Dentística, Patologia Oral e Cirurgia Maxilofacial, Katholieke Universiteit Leuven, Leuven, Bélgica. 10 Innov Implant J, Biomater Esthet, São Paulo, v. 4, n. 2, p , maio/ago. 2009

2 ARTIGOS CIENTÍFICOS Pessoa RS e, Muraru L, Vaz LG, Marcantonio Junior E, Sloten JV, Oliveira RS de, Jaecques SVN INTRODUÇÃO Implantes com carga imediata e precoce têm sido amplamente utilizados na tentativa de minimizar o tempo de espera pela reabilitação de elementos dentais perdidos 11,14,20,26. Do ponto de vista clínico, o carregamento imediato de implantes oferece muitos benefícios, pois a estética e a função são imediatamente restauradas. Em algumas situações, este protocolo é associado à instalação imediata de implantes em alvéolos de extração, reduzindo o número de procedimentos cirúrgicos e otimizando os resultados estéticos 12,32. Neste sentido, protocolos de implantes imediatos com carga imediata têm sido apresentados como alternativas mais alinhadas às expectativas dos pacientes. Entretanto, independe de se o implante é colocado em função posteriormente a um período de reparação sem cargas, ou imediatamente após a instalação, a previsibilidade e o sucesso ao longo prazo do tratamento é altamente infl uenciado pelo ambiente biomecânico ao qual o implante está exposto. O íntimo contato na interface permite que cargas aplicadas sobre as próteses implantosuportadas sejam transmitidas diretamente ao osso adjacente. A concentração de deformações pode exceder os limites de tolerância do osso, causar o acúmulo de microdanos, e induzir a reabsorção óssea 10,18,26. Sob certas circunstâncias, este carregamento oclusal excessivo pode causar a falência da ossoeintegração e a perda do implante Além disso, o nível do osso de suporte é um dos fatores mais importantes na determinação da posição dos tecidos moles peri-implantares e, consequentemente, na manutenção da harmonia estética peri-implantar. Desta forma, mesmo que não progressivas, reabsorções ósseas nas faces vestibular e proximais dos implantes podem levar a recessões e ausência de papila, respectivamente 2,35. No caso dos implantes em fase de reparação, relacionados aos protocolos com carga imediata, o requerimento principal é controlar a movimentação relativa na interface entre o implante e o osso. Micromovimentos que excedam 150 µm podem induzir a formação de tecido conjuntivo fi broso em detrimento à desejável reparação óssea 5-6,16,34. Por outro lado, um deslocamento do implante entre 30 e 90 µm infl uenciam positivamente a osseointegração comparado com nenhum deslocamento 37. Um complicador nos casos de carga imediata é a existência de uma delicada interação entre a reabsorção óssea nas regiões de contato osso/implante e a formação óssea nas regiões livres de contato, nos primeiros períodos após a inserção do implante 3. Sendo a capacidade biomecânica do osso em formação muito menor que a do tecido ósseo funcionalmente adaptado, é crucial atingir uma alta estabilidade primária intraóssea e um ambiente biomecânico favorável. Outra difi culdade, considerando implantes instalados em alvéolos de extração, é o inevitável defeito ósseo na região marginal 27,31. Este defeito aumenta consideravelmente a proporção coroa/implante e, teoricamente, leva a maiores tendências ao deslocamento do implante 1. O complexo desenho dos implantes e sua relação com os tecidos de suporte e a estrutura protética reabilitadora impedem o uso de fórmulas simples na análise do efeito de cargas externas e sua relação com as tensões internas e deformações. Nestes tipos de análises, os métodos de elementos fi nitos têm proporcionado dados valiosos, a um custo operacional relativamente baixo e um tempo reduzidos. Além disso, estes métodos são capazes de fornecer informações desconhecidas dos estudos clínicos e de proporcionar grande versatilidade na variação de situações: geometrias, propriedades mecânicas e forças aplicadas 15. Neste sentido, o método de elementos fi nitos tem sido aplicado à área de implantes dentais para prognosticar o padrão de distribuição de tensões, deformações e deslocamentos não apenas na comparação de vários designes de implantes, mas também remodelando diferentes cenários clínicos e desenhos de próteses 17,19,25. Existe na literatura uma quantidade relativamente grande de estudos avaliando os fatores que infl uenciam o ambiente biomecânico e consequentemente a previsibilidade de implantes osseointegrados. Porém, uma quantidade limitada de informação está disponível sobre as variáveis que determinam os resultados positivos de implantes imediatos com carga imediata 30. Assim como apenas uma análise em elementos fi nitos foi encontrada simulando o ambiente biomecânico nesta situação clínica específi ca 29. Sendo assim, o objetivo do presente estudo foi avaliar a distribuição e valores das deformações e deslocamentos de implantes imediatamente carregados em alvéolos de extração. MATERIAL E MÉTODOS O modelo 3D sólido do alvéolo de extração de um incisivo central superior foi reconstruído a partir dos tons de cinza de uma tomografi a computadorizada (TC), por meio de um programa de processamento de imagens (Mimics 9.11, Materialise, Haasrode, Bélgica). As imagens da TC foram adquiridas de uma peça anatômica, emprestada do Departamento de Anatomia da Faculdade de Odontologia de Araraquara, Universidade Estadual Paulista, utilizando um tomógrafo Picker UltraZ CT (Picker International Inc., Cleveland, OH, Estados Unidos). Os dados consistiam de cortes contíguos em relação ao eixo Z e tinha um tamanho de voxel de 0,391 x 0,391 x 1,000 mm. O modelo sólido em computer-aided design (CAD) de um implante cônico hexágono interno de 13 mm, com plataforma de 4,3 mm, abutment e parafuso do abutment, foram fornecidos pelo fabricante (SIN - Sistema de Implante, São Paulo, SP, Brasil). O modelo do implante foi importado ao programa Mimics (Materialise, Haasrode, Bélgica) e posicionado 1 mm abaixo da crista óssea alveolar, em uma posição central e direção palatal 30. Após a colocação do implante no posicionamento correto, o componente e parafuso foram alinhados ao implante. As roscas do parafuso foram editadas para que coincidissem perfeitamente às roscas internas do implante, com o objetivo de melhorar o contato nesta região. Não foram realizadas simplifi cações relativas Innov Implant J, Biomater Esthet, São Paulo, v. 4, n. 2, p , maio/ago

3 Avaliação biomecânica de implantes imediatos com carga imediata: análise 3D em elementos finitos à condição espiral das roscas. A perfuração de inserção do implante foi obtida por subtração com a ferramenta Boolean subtraction. Osso, implante, abutment e parafuso forma malhados em separado no MSC.Patran 2005r2 (MSC.Software, Gouda, Holanda) (Figura 1). O tamanho dos melhores elementos utilizados nas malhas tetraédricas resultantes era em torno de 50 µm. Os diferentes níveis de refi namento da malha foram utilizados para reconhecimento de detalhes dos designs (roscas). O número total de elementos e nós nos modelos eram em média e , respectivamente. Elementos de contato friccional foram utilizados para similar a interface entre o osso e o implante, bem como entre os componentes do sistema do implante em contato, com um coefi ciente de fricção µ de 0,3 e 0,5, respectivamente 19,25. Em interfaces de contato friccional, pequenos deslocamentos sem interpenetrações são permitidos entre os componentes dos modelos, promovendo uma representação mais realística da situação de carga imediata 19. Forças de 50 N, 100 N e 200 N foram aplicadas no topo do componente, na região central, e em direção vestíbulo-palatina, com 45 graus de inclinação em relação ao eixo longitudinal do implante. Os modelos tiveram seu deslocamento limitado em todas as direções nos nós das bordas mesial e distal do modelo do osso. Um total de 3 modelos foram preparados. A análise e o pós-processamento forma realizados por meio do programa de elementos fi nitos MSC.MARC/Mentat 2005r3 (MSC.Software, Gouda, Holanda). Dados para o pico de deformação equivalente no osso e deslocamento relativo entre o implante e o osso, além dos valores das tensões equivalentes no parafuso do abutment e o gap do abument, foram calculados. RESULTADOS Figura 1 - Modelos em elementos finitos. A - Implante. B - Abutment. C - Parafuso. Propriedades elásticas da malha do osso foram atribuídas baseadas nos valores dos tons de cinza das imagens da TC 23. Por meio deste procedimento, elementos contidos nas trabéculas ósseas e medula podem ser discriminados. Os valores do módulo de elasticidade e coefi ciente de Poisson para os materiais usados no presente estudo podem ser encontrados na Tabela Tabela 1 - Propriedades mecânicas do osso, implante e componentes. Propriedades Modulo de Elasticidade (E) [MPa] Coeficiente de Poisson (n) [-] Titânio Materiais Osso Cortical Osso Medular ,33 0,30 0,30 Os resultados para o pico de EQV strain, deslocamento relativo do implante, tensões equivalentes no parafuso e gap do abutment estão apresentados na Tabela 2, para os três carregamentos aplicados. É possível observar que a magnitude da carga tem uma infl uência signifi cativa nos valores dos parâmetros avaliados. Picos de deformação e deslocamentos signifi cativamente maiores são observados quando os implantes são carregados à 200 N de força. De forma análoga, os deslocamentos relativos foram 4 vezes maiores para um carregamento de 200 N quando comparado ao carregamento de 50 N. Da mesma maneira, as tensões no parafuso e o gap aumentam consideravelmente com o aumento da força empregada no carregamento. Tabela 2 - Resultados para o pico de tensão equivalente no osso (EQV strain), pico de tensão equivalente no parafuso do abutment (EQV stress), deslocamento relativo entre o osso e o implante e gap do abutment, para todos os modelos simulados. Situação Clínica Implante imediato com carga imediata Carga EQV strain (µɛ) Osso Deslocamento implanteosso (µm) EQV stress (MPa) Parafuso Gap (µm) 50 N ,5 119,7 8,4 100 N ,1 234,1 16,2 200 N ,7 464,0 32,5 A Figura 2 mostra a distribuição de deformações no osso por uma vista oclusal e em um corte no plano sagital mediano, 12 Innov Implant J, Biomater Esthet, São Paulo, v. 4, n. 2, p , maio/ago. 2009

4 ARTIGOS CIENTÍFICOS Pessoa RS e, Muraru L, Vaz LG, Marcantonio Junior E, Sloten JV, Oliveira RS de, Jaecques SVN respectivamente, para as três magnitudes de carga aplicadas. A escala de deformações foi ajustada para variar entre 100 e 4000 µɛ (Frost 1987). Independentemente da magnitude do carregamento, as maiores concentrações de deformações foram encontradas na face vestibular da interface osso/implante. Porém, uma quantidade signifi cativamente maior de regiões com deformação acima dos 4000 µɛ é encontrada, principalmente no carregamento de 200 N. Interessante notar também, que deformações acima de 100 µɛ são encontrados na taboa óssea vestibular, para as três magnitudes de carga. Figura 3 - Distribuição de tensões equivalentes (EQV stress) (MPa) na região da conexão protética. foi incluída no modelo. Conforme relatado anteriormente, o gap aumenta consideravelmente com o aumento da carga aplicada sobre o abutment. DISCUSSÃO Figura 2 - Distribuição de deformações equivalentes (EQV strain) (µɛ) no osso para os 3 carregamentos simulados: A-C: Vista oclusal. D-E: Corte sagital mediano. A distribuição de tensões equivalentes na região da conexão protética do implante está ilustrada na Figura 3. Nota-se que apenas uma pequena parte das tensões nesta região estão concentradas no parafuso do abutment. As paredes laterais da conexão interna são responsáveis pela absorção de maior parte da carga aplicada sobre o abutment. A estabilidade do abutment foi avaliada por meio do calculo do gap vertical 24. Entretanto, é importante enfatizar que o gap reportado no presente estudo é devido ao movimento e deformação do abutment como consequência direta da carga aplicada. Nenhuma desadaptação prévia, como normalmente é encontrada em encaixes do tipo hexágono externo e interno, A presente análise em elementos fi nitos foi realizada com o objetivo de avaliar o ambiente biomecânico de implantes imediatos com carga imediata. Ficou demonstrado que a magnitude da carga aplicada sobre o abutment do implante infl uencia signifi cativamente a concentração de deformações no osso e o deslocamento relativo entre o implante e osso. Desta forma, no protocolo de implantes instalados em alvéolos de extração, uma alta estabilidade primária e a ausência de sobrecargas, são parâmetros essenciais para o sucesso do tratamento. Forças adversas sobre a prótese implantossuportada podem não apenas causar afrouxamento do parafuso protético e falhas mecânicas 25,33, como também impedir a osseointegração 10,18, No presente estudo, concentrações de deformações signifi cativamente altas foram encontradas de forma generalizada na face vestibular da interface osso/implante para o carregamento com 200 N de força. Para os carregamentos de 100 N e, principalmente de 50 N, apenas uma pequena região do osso apresentou deformações acima de µɛ. Estes achados estão em concordância com a análise em elementos fi nitos recentemente publicada por Pessoa e colaboradores que demonstraram que a magnitude da carga é o fator com maior porcentagem de contribuição para as deformações encontradas em modelos de implantes imediatos com carga imediata 29. Na presente análise, para facilitar a visualização do estado de deformações no osso, a escala foi ajustada para variar entre 100 e µɛ. Frost considerou 4000 µɛ como um possível gatilho Innov Implant J, Biomater Esthet, São Paulo, v. 4, n. 2, p , maio/ago

5 Avaliação biomecânica de implantes imediatos com carga imediata: análise 3D em elementos finitos para a reabsorção óssea patológica 13. Por meio de uma análise em elementos fi nitos baseada em imagens de TC estimou-se os valores de deformação associados à reabsorção óssea induzida por sobrecarga como sendo de µɛ. Não obstante, apesar de o pico de deformação exceder as µɛ para todas as simulações realizadas, isto não implica necessariamente sobrecarga óssea e perda do implante 10. Mais que apenas a amplitude da deformação, também a frequência e o número de ciclos são parâmetros capazes de infl uenciar signifi cativamente a resposta adaptativa do osso cortical 9. Além disso, o carregamento aplicado no presente estudo foi estático e o osso responde a carregamentos dinâmicos 10. Desta forma, o presente estudo focou apenas na avaliação dos valores relativos das deformações encontradas em diferentes magnitudes de carregamento. Outra observação interessante é o fato de que alguma concentração de deformações foi encontrada na superfície externa da taboa óssea vestibular. Resultados análogos também foram observados 7, em um modelo de cadáver. Os autores argumentaram que pouco carregamento é transferido para a vestibular do osso marginal devido a ausência de contato direto com o implante, por causa do defeito ósseo tridimensional, resultado das diferenças de dimensões entre o implante e o alvéolo. Entretanto, em uma situação clínica real, uma vez que o implante é imediatamente instalado, o coágulo e depois o tecido conjuntivo inicial, dentro do defeito ósseo, podem transferir cargas funcionais e estimular o osso que não está em contato direto com o implante 3. Especula-se se este estímulo poderia evitar a atrofi a por desuso e a perda da taboa óssea vestibular 4,11. Em essência, um dos elementos mais críticos na promoção da formação óssea ao redor de implantes imediatamente carregados é uma interface osso/implante que permita pouca micromovimentação relativa 16,37. No presente estudo, todas as 3 magnitudes de carregamento apresentaram valores de deslocamento relativos entre 7 e 30 µm. Apesar de diferenças importantes em relação, por exemplo, ao design do implante, a situação clínica, e a magnitude e direção dos carregamentos, os resultados apresentados no presente estudo estão em linha com outras análises em elementos fi nitos de implantes com carga imediata. Reportou-se um deslocamento máximo de 12,5 µm entre implantes com roscas e o osso, para um carregamento de 100 N 19. Simulando implantes com carga imediata na região de pré-molar, encontrou-se um deslocamento máximo do implante de 12,67 µm 28. Em relação à distribuição de tensões nas regiões da conexão protética, a presente análise em elementos fi nitos demonstrou que, no caso de conexões internas, as paredes laterais do abutment ajudam a dissipar as forças e proteger o parafuso de tensões excessivas. Da mesma forma, conexões internas são mais mecanicamente mais estáveis e apresentam menores valores de gap, comparadas com as conexões em hexágono externo 25,29. Apesar de ampliar os conhecimentos disponíveis sobre o ambiente biomecânico de implantes imediatos com carga imediata, os resultados obtidos pela presente análise em elementos fi nitos devem ser ponderados com cautela. Não é possível neste estudo responder à questão de se a sobrecarga óssea realmente acontece nos implantes imediatos com carga imediata simulados. A resposta a esta pergunta é de fato paciente específi ca, e requer um modelo em elementos fi nitos paciente específi co, que incorpore a anatomia óssea específi ca, a distribuição de densidade óssea, o posicionamento do implante e medições in vivo das cargas aplicadas sobre os implantes 36. Além disso, suposições feitas durante o processo de desenvolvimento de um modelo em elementos fi nitos, principalmente relacionadas às propriedades dos materiais e às condições de interface, limitam a análise dos valores absolutos das tensões/deformações e deslocamentos calculados. Nestes casos, uma rigorosa validação experimental é essencialmente necessária. No entanto, para os valores relativos, em um quadro comparativo, é possível verifi car as variações na distribuição e valores de tensões, deformações e deslocamentos associados aos diferentes níveis de carregamento. Porém, para defi nir a signifi cância estatística e a porcentagens de contribuição da magnitude da carga em relação a outros fatores como o tipo de conexão protética, a situação clínica e o design do implante seriam necessários um número maior de modelos que permitisse uma análise estatística dos dados 8,29. CONCLUSÃO Dentro das limitações desta análise em elementos fi nitos é possível concluir que a magnitude das cargas aplicadas sobre os implantes imediatos com carga imediata infl uenciam signifi cativamente o ambiente biomecânico deste protocolo. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à SIN - Sistema de Implante por ceder os CADs dos implantes e componentes. Roberto Pessoa agradece as bolsas e auxílios pesquisa da Fapesp projeto 2006/ , CAPES e CNPq. Siegfried Jaecques agradece fomentos da K.U.Leuven research fund (project OT/06/58). O método de desenvolvimento dos modelos em elementos fi nitos a partir de tomografi as computadorizadas aplicadas no presente estudo foi baseado em pesquisas fomentadas pelo EU Framework Programme 5 Quality of Life project QLK6-CT IMLOAD. 14 Innov Implant J, Biomater Esthet, São Paulo, v. 4, n. 2, p , maio/ago. 2009

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