BME Vásárhelyi Pál Építőmérnöki és Földtudományi Doktori Iskola

BME Tartószerkezetek Mechanikája Tanszék

Témavezető: Dr. Bojtár Imre

A szivacsos csont mikroszerkezetének mechanikai viselkedése a fogprotézis környezetében

A kutatási téma bemutatása

    A fogászati implantátumok alkalmazása napjainkban a legelterjedtebb és élettani szempontból a legmegfelelőbb eljárás a szájsebészetben a foghiányok pótlására. A fogászati implantátumok mesterséges foggyökérpótlások, melyeket kisebb szájsebészeti beavatkozással az állcsontba ültetnek. Feladatuk, hogy tartsák és az állcsonthoz rögzítsék a fogpótlást. Számos élettani, anyagi és mechanikai tényezőtől függően az implantátumok alkalmazásának előnyös és hátrányos hatásai is lehetnek a környező csontszövetre. Ezek fényében olyan implantátumokat kell alkalmazni, melyek képesek a rágóerőket a fiziológiailag megengedett határokon belül közvetíteni a csontszövetre, és olyan geometriával rendelkeznek, mely elősegíti a csontszövet növekedését. A legkedvezőbb geometria kialakításához ismerni kell a különféle típusú implantátumok környezetében kialakuló feszültségek eloszlását. Ezeknek a rendszereknek hagyományos mechanikai laborkísérletekben alkalmazott közvetlen – általában roncsoló hatással járó – mechanikai vizsgálatai élő emberben lehetetlenek, és állatkísérletek esetén is csak korlátozottan végezhetőek, így az implantátumok mechanikai vizsgálatakor más módszerekhez kell folyamodnunk.

A csont biomechanikai viselkedésének becslésére legáltalánosabban elterjedt eljárás a numerikus szimulációk, ezen belül a végeselemes analízis alkalmazása.

    

          

Fogászati implantátumok

A kutatóhely rövid bemutatása

    A Tartószerkezetek Mechanikája Tanszék a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Építőmérnöki Karának legintenzívebb kutatómunkát folytató tanszéke. Kutatóink a tudományos tevékenységünk oroszlánrészét kitevő mechanikai alapkutatásokon felül számos, az építőmérnöki szakmát előremozdító kutatásban vesznek részt, valamint eredményesek a mechanika és az orvostudomány határterületét képező biomechanika tudományában.
    Oktatási munkánk – a leendő építőmérnökök mechanika tudásának megalapozása – felelősségteljes feladat.

A kutatás történetének, tágabb kontextusának bemutatása

    Az elmúlt években több tanulmány készült arra vonatkozóan, hogy miként lehetne az implantátumok környezetében kialakuló feszültségcsúcsokat csökkenteni, és minél egyenletesebb feszültségeloszlást elérni a csontban. Az eredmények azt mutatták, hogy ez kedvezőbb menetalak-választással, az implantátum hosszának és átmérőjének növelésével, vagy a protézis és az implantátum közötti irányított teherátadással valósítható meg. A legtöbb közölt munka végeselem-módszeren alapuló számítógépes programmal modellezi az implantátum és a csont makroszkopikus geometriáját, azzal a közelítéssel élve, hogy az anyagok homogének és lineárisan rugalmasak. A csont-implantátum határfelületen a legtöbb modell teljes osszeointegrációt (a két anyag között tökéletes kötést) feltételez.
    Mivel a csont mikroszerkezeti felépítése hatással van annak makromechanikai tulajdonságaira is, a szakirodalomban számos munka foglalkozik az emberi csontvázrendszer különféle csontjainak mikroszerkezeti végeselemes modellezésével. Az esetek többségében ezek a modellek a gerinccsigolyákból vagy a combcsontból származó csontmintákat vizsgálják, és nem tartalmaznak implantátumot a szivacsos csontban, vagy tömör csontállományt körülötte. A legtöbb közölt munkában közvetlenül a csont számítógépes rekonstrukciójára – általában mikro-CT felvételekre (nagy felbontású 3D röntgenfelvétel) – építik a végeselemes modellt, majd az ezeken végzett mechanikai szimulációk alapján következtetnek a csont mechanikai tulajdonságaira.

A kutatás célja, a megválaszolandó kérdések

    PhD dolgozatom keretein belül a fogászati implantátumokat körülvevő csontszövet végeselemes modellezésével foglalkozom, különös tekintettel a szivacsos csontállomány mikroszerkezetére. A dolgozat a Semmelweis Egyetem Szájsebészeti Klinikája munkatársaival szoros együttműködésben készül. Elsődleges célja egy olyan numerikus csontmodell elkészítése, paraméterezése és tesztelése, amelynek mechanikai tulajdonságai megfelelnek a szivacsos csonténak, és amely a csavarimplantátumok végeselemes modelljeivel kombinálva a korábbiaknál egyszerűbb, gyorsabb és a mindennapi orvosi gyakorlatban is alkalmazható módon alkalmas az implantátumokat övező csontszövet mechanikai viselkedésének vizsgálatára, valamint a csontban a terhelések hatására bekövetkező átalakulási folyamatok szimulálására.

    A komplex modellezési folyamat keretében olyan csavarimplantátum-modellezési eljárás kidolgozását tervezzük, amelynél a különböző geometriai tulajdonságok a szájsebész javaslata alapján tetszőlegesen változtathatók. A kapott csavarmodellt a szivacsos és tömör csonttal kombinálva, a csont és implantátum közötti tökéletlen kapcsolatot is figyelembe véve szeretnénk a különféle csonttípusokhoz legmegfelelőbb menetalakot meghatározni.

Módszerek

    A komplex modellezési folyamat több részfeladatra tagolható: az implantátum, a tömör csont, a szivacsos csont, valamint a csont és az implantátum közötti határfelület és a tökéletlen kapcsolat modellezésére, végül a teljes modell összeállítására.

Az implantátum modellje:

    Eljárást dolgoztunk ki a csavarimplantátumok geometriájának matematikai függvényekkel történő leírására, melyben a modellezést számos változtatható paraméterrel tettük gyorsabbá és egyszerűbbé. A szájsebész által kiválasztott implantátum alakja és mérete alapján módosítható paraméterek a következők: az implantátum hossza, átmérője, a menet alakja, mélysége és a menetemelkedés, melyek a hossz mentén tetszőleges függvény szerint vagy szakaszosan változtathatók, valamint a csavarcsúcs kialakítása.

A csont modellje:

    A szivacsos csont porózus anyagát mikroszerkezeti végeselemes keretmodellel vettük figyelembe, míg a tömör csont anyagát homogén, lineárisan rugalmas kontinuumként kezeltük. A szivacsos csont csontgerendáit reprezentáló keretszerkezetet egy sztochasztikusan generált ponthalmaz elemeinek adott szabály szerinti összekötésével nyertük, melynek geometriai, mechanikai és anyagtulajdonságai a valós csont paraméterei szerint módosíthatók.

    A csont mint élő szövet élettartama során folyamatos átalakuláson, megújuláson megy keresztül. A csontátalakulás eredménye a szivacsos csontban megfigyelhető és az erővonalak irányát követő csontszerkezet. A csontátalakulás modellezésére a csont mikroszerkezeti végeselemes keretmodelljét használtuk fel. Az itt bemutatott vizsgálatokban a csont egy kocka alakú tartományát vizsgáltuk nyomó terhelés és nyírás hatására, valamint csavarimplantátummal kombinálva.

A csontimplantátum határfelületének modellje:

    A csont és az implantátum határfelületén az irodalomban fellelhető végeselemes modellek tökéletes osszeointegrációt feltételeznek, ami azt jelenti, hogy a csont tökéletesen kötődik az implantátum teljes felületéhez, ami nem feltételezhető a gyógyulási idő alatt, és erősen vitatható a teljes gyógyulást követően is. Ennek oka egy közbenső átmeneti réteg kialakulása a két anyag között, amely különböző mértékben tapadhat az implantátum felületéhez. Az osszeointegráció tökéletlenségét az előbb említett közbenső réteget reprezentáló végeselemes héjmodellel vettük figyelembe.

Eddigi eredmények

    A mindennapos szájsebészeti tervezés megkönnyítésére kidolgoztuk az ábrán látható paraméterek (implantátum hossza, átmérője, a menet alakja, mélysége, a menetemelkedés, valamint a csavarcsúcs kialakítása) alapján módosítható, a csavarimplantátum modellezésére szolgáló eljárást, melyet lehetőségünk volt egy jelenleg fejlesztés alatt álló implantátumcsoport tervezésénél a gyakorlatban is alkalmazni.

    A szivacsos csont itt bemutatott modelljében (balra) egy 5 mm x 5 mm x 5 mm méretű, kocka alakú tartomány belsejében 4000 csomópontot elhelyezve, és mindegyiket a hozzá legközelebb eső 7 másik csomóponttal sarokmereven összekötve olyan geometriai elrendezést kapunk, melyben minden egyes csontgerendácskát egyetlen rúdelem reprezentál. A tömör csont modellje a jobb oldali ábrán látható.

          

    A csont terhelések hatására történő átalakulásának szimulációjához két eltérő, a keretmodell elemeit terheléstől függően átrendező eljárást dolgoztunk ki: egy adott terheléshez tartozó ideális rúdelrendezést adó, valamint egy változó terhelési folyamatot követni és a csontszerkezetet hozzá alakítani képes algoritmust. Az első algoritmussal lépésről lépésre kialakuló keretmodell felépülését mutatja a következő három animáció, melyekben a nyomásra kialakuló csontgerendácskákat piros, a húzás hatására kialakulókat kék szín jelzi.

                                                                                                                                                                               

Csontfelépülés – nyomóterhelés          Csontfelépülés – nyíróterhelés          Csontfelépülés – implantátum körül

    A csont és az implantátum közötti tökéletlen kapcsolat modellezésére kidolgoztunk egy közbenső hártyaréteget, mely eltérő arányban boríthatja az implantátum felületét, és kapcsolja azt a csonthoz (az itt látható példában 30%-ban a csúcsnál, 60%-ban a középső részen és 90%-ban a felső, tömör csonthoz kapcsolódó részen).

    A fent ismertetett részmodellekből összeállítottuk az alsó állcsontban elhelyezett csavarimplantátum végeselemes modelljét, melynek tesztelése és geometriai és anyagtulajdonságai hatásának vizsgálata jelenleg is zajlik.

Várható impakt, további kutatás

   A fogászati implantátumok végeselemes modellezésére PhD munkám keretein belül kifejlesztett módszer a geometriai paraméterek egyszerű és gyors módosítási lehetősége révén segítséget nyújt a csavarimplantátumok fejlesztésében. A csavar számítógépes modelljét generáló algoritmusunkat eredményesen hasznosítjuk egy jelenleg tervezés alatt álló, mindennapi szájsebészeti alkalmazásra szánt implantátumcsoport fejlesztésében.
    Jelenleg a csont és az implantátum tulajdonságai (geometriai, anyag és mechanikai) változásának a csont és implantátum mechanikai viselkedésére gyakorolt hatását vizsgáljuk a komplex, állcsontba helyezett implantátumot szimuláló modell segítségével. Vizsgálati eredményeink alapján a végső cél a különféle anatómiai tulajdonságokkal rendelkező csontszerkezetekhez legmegfelelőbb implantátumgeometria megtalálására szolgáló eljárás kidolgozása.

Saját publikációk, hivatkozások, linkgyűjtemény

Kapcsolódó saját publikációk listája:

Lakatos É.: Az emberi állkapocs csontszerkezetének mechanikai tulajdonságai, A Műszaki Mechanika és a Tartószerkezetek Mechanikája Tanszék szemináriuma, Budapest, 2007
    
Lakatos É., Bojtár I.: The Biomechanical Behaviour of the Trabecular Bone Surrounding Dental Implants, 3rd Hungarian Conference on Biomechanics, Budapest, 2008. július 4 – 5., 159 – 167. oldal cikk megnyitása

Lakatos É., Bojtár I.: Stochastically Generated Finite Element Beam Model for Dental Research, Periodica Polytechnica Ser. Civ. Eng., 53 (1) 3 – 8. oldal (2009) cikk megnyitása

Lakatos É., Bojtár I.: Stochastically Generated Finite Element Beam Model of the Trabecular Bone Surrounding Dental Implants, International Conference on Tissue Engineering. Leiria, Portugália, 2009.07.09 – 2009.07.11., 257 – 264. oldalcikk megnyitása

Lakatos É., Bojtár I.: Stochastically Generated Finite Element Beam Model for Dental Research, 17th Inter-Institute Seminar for Young Researchers, Krakkó, Lengyelország, 2009. május 22 – 23, 9. oldal

Lakatos É., Bojtár I.: Algorithms for simulations of the trabecular bone remodelling by means of a stochastically generated finite element frame model, Journal of Biomechanics (publikálásra benyújtva)

Lakatos É., Bojtár I.: A Szivacsos Csont Átalakulásának Modellezése Sztochasztikusan Generált Keretmodell Segítségével, Biomechanica Hungarica, 3 (2), (2010) (közlésre elfogadva)

Lakatos É., Bojtár I.: Microstructural simulations of the bone surrounding dental implants by means of a stochastically generated frame model, 4th Hungarian Conference on Biomechanics, Pécs, 2010. május 7 – 8., Biomechanica Hungarica, 3 (1) 143 – 150. oldal cikk megnyitása

Lakatos É.: A szivacsos csont mikroszerkezetének végeselemes keretmodellje és alkalmazása a szájsebészetben, A Műszaki Mechanika és a Tartószerkezetek Mechanikája Tanszék szemináriuma, Budapest, 2010

Hivatkozások listája

Hasznos linkek:

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem

Tartószerkezetek Mechanikája Tanszék

Magyar Biomechanikai Társaság

Periodica Polytechnica

Journal of Biomechanics

Bone
Journal of Oral Implantology