Návrh porézní kovové struktury pro použití v intraoseálních částech zubních a ortopedických implantátů

Abstract

Tato práce se zaměřuje na biologické a mechanické požadavky na nitrokostní části implantátů s porézními povrchovými strukturami a dává důraz na aplikaci v dentálních implantátech, kde malé rozměry implantátů představují náročnější, ale neméně přínosnou integraci povrchových vrstev. Porézní struktury představují unikátní způsob sjednocení globálního modulu pružnosti kosti a implantátu snížením tuhosti implantátu. Tato redukce tuhosti je přínosná, protože snižuje účinek napěťového štítu. Největší pozornost byla věnována návrhu a 3D modelování porézní struktury, zkoumání jejích vlastností a vývoji gyroidního dentálního implantátu a jeho numerického modelu. Gyroid je porézní struktura, která se ve vědecké literatuře objevuje čím dále častěji a zajistila si již své vlastní místo v oblasti náhrad, kde je její výhodou redukce napěťového štítu a zlepšování klinické funkce. Z literatury a již dříve provedených experimentů byla vyhodnocena optimální velikost pórů a tloušťka stěn struktury. Dále jsou diskutovány vhodné materiály pro výrobu a také úskalí výroby metodou 3D tisku, která vznikají při tištění tenkých stěn a úzkých trámců. Pro účely mechanických zkoušek bylo vyrobeno několik variant trabekulárních a gyroidních struktur a jejich následně zjištěné mechanické vlastnosti byly přeneseny do konečněprvkového modelu lidské mandibuly anonymního pacienta s gyroidním, dentálním implantátem. Simulace dokazují, že tělesa implantátů s nižšími moduly pružnosti zlepšují rozdělení napětí v kosti a zmenšují lokální extrémy napětí. Dalším závěrem práce je optimální globální modul pružnosti struktury, který by měl být v rozmezí ca. tři až deset GPa.

This thesis outlines the basic biological and mechanical requirements for intraosseous parts of implants equipped with porous parts and emphasizes dental restorations, where small dimensions of implants seem to provide geometrically challenging but nonetheless beneficial integration of porous layers. Porous structures offer a unique way of matching the global modulus of the implant with bone by reducing the stiffness of the implant. This reduction of stiffness is advantageous as it reduces the stress shielding effect. The design, 3D modeling of the porous structure, investigation of its properties and development of a gyroid-equipped dental implant and its numerical quantitative computed tomographybased finite element analysis (QCT/FEA) model were given the most attention. The gyroid is a porous structure that has recently been rapidly emerging in scientific literature and has taken a significant foothold in restorative medicine, reportedly reducing the stress shielding effect and improving clinical performance. The optimal pore size and wall width were determined from the literature research and previous experiments. The most suitable materials and means of production of porous structures are discussed, as are complications that arise when 3D printing fine trabeculae and walls. Multiple variants of the gyroid and trabecular structures were 3D-printed for mechanical tests, and their evaluation was confronted with a QCT/FEA model of the human mandible of an anonymous patient with a custom-designed gyroid-equipped dental implant. The simulations show that implant bodies with lower moduli provide favorable stress distributions in bone and lower peaks of stress. The work also concludes that the optimal global modulus of the structure should be ca. three to ten GPa