(Luận văn thạc sĩ hcmute) sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để dự đoán độ bền mỏi của vít cấy nha khoa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ VĂN AN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN ĐỂ DỰ ĐOÁN ĐỘ BỀN MỎI CỦA VÍT CẤY NHA KHOA S K C 0 9 NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204 S KC 0 Tp Hồ Chí Minh, 2012 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ VĂN AN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN ĐỂ DỰ ĐỐN ĐỘ BỀN MỎI CỦA VÍT CẤY NHA KHOA NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY – 605204 HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN TRƯỜNG THỊNH Tp Hồ Chí Minh, 2012 Luan van LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC Họ Tên: LÊ VĂN AN Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 16-10-1986 Nơi sinh: Bến Tre Địa liên lạc: Khu C, Trường ĐH Đồng Tháp Điện thoại: 0917730738 Email: levanandhdt@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO Đại học Hệ đào tạo: quy Thời gian đào tạo: năm 2005-2009 Nơi học: Trường Đại Học Đồng Tháp Địa chỉ: 783-Phạm Hữu Lầu, Phường 6, Tp Cao Lãnh, Tỉnh Đồng Tháp Ngành học: Kỹ thuật công nghiệp Cao học Hệ đào tạo: quy Thời gian đào tạo: năm 2010-2012 Nơi học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh Địa chỉ: 01-Võ Văn Ngân, P Linh Chiểu, Q Thủ Đức, Tphcm Ngành học: Chế Tạo Máy Trang i Luan van LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 7năm 2012 Trang ii Luan van LỜI CẢM ƠN Học viên xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô giáo trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh giảng dạy học viên suốt thời gian học tập nghiên cứu trường Xin cảm ơn quý Thầy, Cơ phịng Đào tạo sau đại học Khoa Cơ Khí Máy trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh Đặc biệt, học viên xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành Thầy- TS Nguyễn Trường Thịnh tận tình hướng dẫn cho học viên trình thực luận văn tốt nghiệp Cuối cùng, xin cảm ơn góp ý chia sẻ tất Anh Chị học viên lớp Trang iii Luan van TÓM TẮT Phương pháp phần tử hữu hạn thí nghiệm độ mỏi thực để dự đốn tính bền mỏi cho cấy ghép nha khoa Độ tin cậy ổn định hệ thống cấy ghép xác định điều kiện cường độ mỏi Hiện nay, cấy ghép tốn gần chỉnh sửa sau lắp vào Từ quan điểm sinh học – kĩ thuật, độ bền mỏi hệ thống cấy ghép nha khoa phải đánh giá mơ (FEA) Trong nghiên cứu này, tính bền mỏi hệ thống cấy ghép dự đoán U-fit Trường ứng suất vít cấy tính phương pháp phần tử hữu hạn đàn hồi – dẻo ứng suất mỏi tương đương Từ suy chu kì mỏi tương ứng với ứng suất mỏi tương đương Chu kì mỏi vít cấy nha khoa bị ảnh hưởng nhiều yếu tố Chẳng hạn như: tính chất vật liệu làm vít cấy, tải khác nhau, cân nặng, chiều cao, tuổi tác, tiếp xúc bên mặt phân cách vít cấy sức căng vít cấy, thói quen xấu bệnh nhân, lực ngẫu nhiên hình thành khoang miệng,…Tuy nhiên, đề tài nghiên cứu ảnh hưởng vật liệu, tải khác nhau, cân nặng, tuổi tác chiều cao đến chu kì mỏi vít cấy Các yếu tố khác tiếp tục nghiên cứu thời gian tới Trong cơng trình này, để đánh giá độ tin cậy tính bền mỏi hệ thống cấy ghép nha khoa, thí nghiệm độ mỏi thực so sánh với kết thử nghiệm Sau tiến hành tính tốn thử nghiệm, tơi thấy hai kết gần giống Vì vậy, kết luận: kết mô Ansys dựa tảng phương pháp phần tử hữu hạn hoàn tồn tin tưởng Trang iv Luan van ABSTRACT Finite element analysis and fatigue test are performed to estimate the fatigue strength for the implant system The reliability and the stability of implant system can be defined in terms of the fatigue strength Not only is an implant is expensive, but it is almost impossible to correct after it is inserted From a bio-engineering standpoint, the fatigue strength of the dental implant system must be evaluated by simulation (FEA) In this paper, the fatigue strengths of three implant systems are estimated: U-fit The stress fields in implants are calculated by elastic-plastic finite element analysis, and the equivalent fatigue stress, considering the contact and preload stretching of a screw by torque for tightening an abutment, is obtained Fatigue life, which is affected by the contact in the screwed interface and pretension in the screw, is then determined To evaluate the reliability of the calculated fatigue strength, fatigue test is performed Cycle fatigue of dental implant is affected by many factors such as material properties screws implanted, boundary conditions, weight, height, age, exposure within the boundary ofscrew screw and the tension in the trees, the bad habits of the patient, the random force formed in the oral cavity, etc However, in this topic I only studied the effects of the material, the boundary conditions, weight, age, height cycle fatigue of dental implant screws Other factors affecting the fatigue cycle of screw dental implants I will continue to study in the future In this study, to assess the reliability of the fatigue properties of the dental implant system, fatigue testing is done and compared with experimental results After the calculation and testing, I found two nearly identical results, indicating that the simulation results by ANSYS based on the finite element method can completely trust Trang v Luan van MỤC LỤC TRANG CHƯƠNG I TỔNG QUAN Tình hình nghiên cứu 1.1 Nước 1.2 Trong nước Hướng nghiên cứu 3 Nhiệm vụ đề tài phạm vi nghiên cứu 4 Phương pháp nghiên cứu CHƯƠNG II GIỚI THIỆU CẤY GHÉP NHA KHOA 2.1 Sơ lược phát triển cấy ghép nha khoa 2.2 Hiện tượng tích hợp xương 2.3 Bề mặt tiếp xúc mô mềm 11 2.4 Các giai đoạn đặt vít cấy nha khoa 14 2.5 Các loại hệ thống vít cấy nha khoa 14 2.6 Sự phục hồi chức phận giả 16 CHƯƠNG III NHỮNG ỨNG DỤNG CHO CÔNG NGHỆ CẤY NHA KHOA 3.1 Giới thiệu 22 3.2 Bề mặt tiếp xúc xương – vít cấy nha khoa 23 3.2.1 Giới thiệu 23 3.2.2 Sự truyền dẫn ứng suất vấn đề thiết kế vít cấy 23 3.2.2.1 Tải 24 3.2.2.2 Thuộc tính vật liệu 24 3.2.2.3 Hình học vít cấy 26 3.2.2.4 Cấu trúc bề mặt 28 Trang vi Luan van 3.2.2.5 Bề mặt tự nhiên vít cấy – xương 29 3.2.2.6 Chất lượng số lượng xương xung quanh vít cấy nha khoa 29 3.2.3 Kết luận 31 CHƯƠNG IV QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH LỰC NHAI VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN LỰC NHAI 4.1 Quá trình hình thành lực nhai 33 4.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến lực nhai 34 4.2.1 Cân nặng 34 4.2.2 Chiều cao 35 4.2.3 Tuổi tác 36 CHƯƠNG V PHƯƠNG PHÁP LUẬN VÀ VẬT LIỆU 5.1 Giới thiệu 38 5.2 Vít cấy 39 5.3 Phương pháp phần tử hữu hạn 41 5.4 Độ bền mỏi 45 5.5 Thử nghiệm mỏi 45 CHƯƠNG VI TÍNH TỐN MỎI BẰNG PHẦN MỀM ANSYS 6.1 Mơ hình tốn học 48 6.2 Tính tốn độ mỏi FEA 49 CHƯƠNG VII KẾT LUẬN 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 Trang vii Luan van DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT FEM: Finite Element Method: Phần tử hữu hạn FEA: Finite Element Analysis: Phân tích phần tử hữu hạn PMNs: Polymorphonuclear leukocyte: Các bạch cầu trung tính ROD : Axit arginine-glycine-aspartatic MMPs: Matrix metalloproteinases: Chất metalloproteinase TIMPs: Tissue inhibitors of metalloproteinases:Chất ức chế mô metalloproteinase GCF: Gingival crevicular fluid: Nướu JE: Junctional epithelium:Biểu mô nối SD: Sulcus depth: Chiều sâu rãnh SN : Stress versus life curves: Đường cong quan hệ ứng suất tuổi thọ Trang viii Luan van Hình 6.9: Kết mơ ứng suất vít cấy Hình 6.10: Kết mơ tuổi thọ vít cấy Trang 54 Luan van Hình 6.11: Đồ thị phá hủy vít cấy nha khoa Hình 6.12: Hệ số an tồn vít cấy nha khoa Trang 55 Luan van Hình 6.13: Đồ thị biểu diễn biểu đồ độ nhạy vít cấy Biểu đồ độ nhạy cho biết tuổi thọ vùng nguy hiểm (vùng gần phục hình vùng vít) tuổi thọ vít cấy tải thay đổi từ 50% - 150% (200N – 600N) Ở đây, ta thấy tải trọng mức 50% vít cấy có tuổi thọ 1.44e+5 chu kì ứng suất tương đương, tải trọng tăng đến 150 % tuổi thọ vít cấy nha khoa 3.32e+3 Trƣờng hợp 3: Trong trường hợp chúng tơi xét tải đặt vào vít cấy 500N Theo trường hợp dự đốn chu kì mỏi hệ thống vít cấy nha khoa, muốn kiểm tra lại lần Chúng tơi có kết quả: biến dạng, ứng suất tương đương, tuổi thọ, đồ thị phá hoại hệ số an tồn vít cấy, kết hiển thị từ hình 6.14 đến hình 6.19 Trang 56 Luan van Hình 6.14: Kết mơ biến dạng vít cấy Hình 6.15: Kết mơ ứng suất vít cấy Trang 57 Luan van Hình 6.16: Kết mơ tuổi thọ vít cấy Hình 6.17: Đồ thị phá hủy vít cấy Trang 58 Luan van Hình 6.18: Hệ số an toản vít cấy Hình 6.19: Đồ biểu diễn biểu đồ độ nhạy vít cấy Trang 59 Luan van Biểu đồ độ nhạy cho biết tuổi thọ vùng nguy hiểm (vùng gần phục hình vít cấy) tuổi thọ vít cấy tải thay đổi từ 50% - 150% (250N – 750N) Khi tải trọng mức 50% vít cấy có tuổi thọ 1.e+7 chu kì (tức lớn nhất, trường hợp vít cấy bảo hành lâu nhất), tải tăng đến 150 % tuổi thọ tiến chu kì Tóm lại, ba trường hợp đặt tải vào vít cấy nha khoa, vùng có nguy phá hủy nhiều lỗ vít, trục abutment thân vít Do q trình đặt tải sinh khả nới lỏng lỗ vít trục abutment Bên cạnh đó, vít cấy nha khoa cắm vào xương hàm, xương hàm bao quanh vít cấy, vùng vít cấy có nguy phá hủy khơng có xương hàm bao quanh mà có nướu bao quanh Trang 60 Luan van Chƣơng VII KẾT LUẬN Bảng 7.1: Thử nghiệm kết Vít cấy Tải lớn nhất(kgf) Tải nhỏ nhất(kgf) Tần số(Hz) Chu kì mỏi U-fit 50 14 2215.4; 3686 U-fit 40 14 11811;12673 U-fit 30 14 32690;34794 Phân tích ứng suất hệ thống cấy ghép loại U-fit xác định phương pháp phần tử hữu hạn Kết quả, chu kì mỏi bao gồm ứng suất trước xiết chặt vít tiếp xúc mặt phân cách vít với abutment tính tốn từ ứng suất tương đương trục, xác định phương pháp Sine Trong nghiên cứu này, so sánh tính tốn độ bền mỏi với liệu thí nghiệm trình bày cân xác Với kết đường cong S-N hệ thống vít cấy nha khoa khác hồn tồn dự đốn Sau tiến hành thử nghiệm mỏi theo tiêu chuẩn ISO 14801 mô phần mềm Ansys, kết hai phép thử gần giống nhau, chênh lệch không đáng kể Như vậy, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để dự đốn chu kì mỏi vít cấy nha khoa hồn tồn tin tưởng được, phương pháp tốn chi phí thời gian cho người thực Trang 61 Luan van Hình 7.1: Kết so sánh thử nghiệm tính tốn chu kì mỏi vít cấy Trang 62 Luan van Tài liệu tham khảo Tiếng Việt Hoàng Tử Hùng, Các q trình sinh học vít cấy nha khoa , Đại Học Y Dược Tp HCM Nguyễn Hoài Sơn, Phương pháp phần tử hữu hạn, Nhà xuất Đại học Quốc gia Tp HCM Tiếng Anh O Neal RB, Sauk JJ, Somerman MJ (1992) Biological requirements for material integration J Oral Implantol 18:243-255 Schwartz Z, Lohmann CH, Cochran DL, Sylvia VL, Dean DD, Boyan BD (1999) Bone regulating mechanisms on implant surfaces Proceedings of the Third European Workshop on Periodontology-Implant Dentistry 1:41-54 Kasemo B, Lausmaa J (1994) Material-tissue interfaces: the role of surface properties and processes Environ Health Perspect, 102 Suppl 5:41-45 Cassiede P, Dennis JE, Ma F, Caplan Al (1996) Osteochondrogenic potential of marrow mesenchymal progenitor cells closed to TGF-beta or PDGF-BB as assayed in vivo and in vitro J Bone Miner Res 11:1264-1273 Sinha RK, Tuan RS (1996) Regulation of human osteoblast integrin expression by orthopedic implant materials Bone 18:451-457 Steinemann SG (1996) Metal implants and surface reactions Injury, 27 Suppl 3: SC16-22 Kohavi D, Schwartz Z, Amir D, Mai CM, Gross U, Sela J (1992) Effect of titanium implants on primary mineralization following and 14 days of rat tibial healing Biomaterials 13:255-260 10 Schatzker J (1995) Osseointegration of metal Can J Surg 38 Suppl l:S49-54 24 Schenk RK, Buser D (2000) Osseointegration: a reality Periodontol 17:22-35 Trang 63 Luan van 11 Nomura T, Ishii A, Shimizu H, Taguchi N, Yoshie H, Kusakari H, et al (2000) Tissue inhibitor of metalloproteinases 1, matrix metalloproteinases-1 and-8, and collagenase activity levels in periimplant crevicular fluid after implantation Clin Oral Implants Res 11:430-440 12 Sela J, Gross UM, Kohavi D, Shani J, Boyan BD, Schwartz Z, et al (1999) Woven bone formation around implants and the effect of bacterial infection J Long Term Eff Med Implants 9:47-65 13 Cochran DL, Hermann JS, Schenk RK, Higginbottom FL, Buser D (1997) Biologic width around titanium implants A histometric analysis of the implantogingival junction around unloaded and loaded nonsubmergpd implants in the canine mandible J Periodontol 68:186-198 14 Lindhe J, Berglundh T (2000) The interface between the mucosa and the implant Periodontol 17:47-54 15 Gould TR, Brunette DM, Westbury L (1981) The attachment mechanism of epithelial cells to titanium in vitro J Periodontal Res 16:611-616 16 McKinney RV, Steflik DE, Koth DL (1985) Evidence for a junctional epithehal attachment to ceramic dental implants A transmission electron microscopic study J Periodontol 56:579-591 27 Kawahara H, Kawahara D, Mimura Y, Takashima Y, Ong JL (1998) Morphologic studies on the biologic seal of titanium dental implants Report II In vivo study on the defending mechanism of epithehal adhesions/attachment against invasive factors Int J Oral Maxillofac Implants 13:465-473 18 Kawahara H, Kawahara D, Hashimoto K, Takashima Y, Ong JL (1998) Morphologic studies on the biologic seal of titanium dental implants Report I In vitro study on the epithelialization mechanism around the dental implant Int J Oral Maxillofac Implants 13:457-464 29 Adell R, Lekholm U, Rockier B, Branemark PI, Lindhe J, Eriksson B, et al (1986) Marginal tissue reactions at osseointegrated titanium fixtures (I) A 3-year longitudinal prospective study Int J Oral Maxillofac Surg 15:39-52 Trang 64 Luan van 20 Lekholm U, Adell R, Lindhe J, Branemark PI, Eriksson B, Rockier B, et al (1986) Marginal tissue reactions at osseointegrated titanium fixtures (II) A crosssectional retrospective study Int J Oral Maxillofac Surg 15:53-61 21 Chavrier CA, Couble ML (1999) Ultrastructural immunohistochemical study of interstitial collagenous components of the healthy human keratinized mucosa surrounding implants Int J Oral Maxillofac Implants 14:108-112 55 Comut AA, Weber HP, Shortkroff S, Cui FZ, Spector M (2001) Connective tissue orientation around dental implants in a canine model Clin Oral Implants Res 12:433-440 22 Chavrier C, Couble ML, Hartmann DJ (1994) Qualitative study of collagenous and noncoUagenous Glycoproteins of the human healthy keratinized mucosa surrounding implants Clin Oral Implants Res 5:117-124 23 Zitzmann NU, Berghundh T, Marinello CP, Lindhe J (2001) Experimental periimplant mucositis in man J Clin Periodontol 28:517-523 24 Marchetti C, Farina A, Comaglia AI (2002) Microscopic, immunocytochemical, and ultrastructural properties of periimplant mucosa in humans J Periodontol 73:555-563 25 Barber HD, Seckinger RJ, Silverstein K, Abugazaleh K (1996) Comparison of soft tissue healing and osseointegration of IMZ implants placed in one-stage and two-stage techniques: a pilot study Inq)lant Dent 5:11-14 26 Kohal RJ, De LaRosa M, Patrick D, Hurzeler MB, Caffesse RG (1999) Clinical and histologic evaluation of submerged and nonsubmerged hydroxyapatite-coated implants: a preliminary study in dogs Int J Oral Maxillofac Implants 14:824-834 27 Ivanoff CJ, Sennerby L, Lekhobn U (1996) Influence of initial implant mobility on the integration of titanium implants An experimental study in rabbits Clin Oral Implants Res 7:120-127 28 Pilliar RM, Deporter DA, Watson PA, Valiquette N (1991) Dental implant design-effect on bone remodelling J Biomed Mater Res 25:467-483 Trang 65 Luan van 29 Vaillancount H, Pillar RM, McCammond D (1996) Factors affecting crestal bone loss with dental implants partially covered with a porous coating: a finite element analysis Int J Oral Maxillofac Implants 11:351-359 30 Zhang JK, Chen ZQ (1998) The study of effects of changes of the elastic modulus of the materials substitute to human hard tissues on the mechanical state in the implant-bone interface by three-dimensional anisotropic finite element analysis West China Journal of Stomatology 16:274-278 31 BenzingUR, Gall H, Weber H (1995) Biomechanical aspects of two different implant-prosthetic concepts for edentulous maxillae Int J Oral Maxillofac Implants 10:188-198 32 Steggaroiu R, Kusakari H, Nishiyama S, Miyakawa O (1998) Influence of prosthesis material on stress distribution in bone and implant: a 3-dimensional finite element analysis Int J Oral Maxillofac Implants 13:781-790 33 Hobkirk JA, Psarros KJ (1992) The influnce of occlusal surface material on peak masticatory forces using ossointegrated implant-sup ported prostheses Int J Oral Maxillofac Implants 7:354-362 34 Mailath G, Stoiber B, Watzek G, Matejka M (1989) Bone resorption at the entry of osseointegrated implants-a biomechanical phenomenon Finite element study Z Stomatol 86:207-216 35 Riegpr MR, Farced K, Adams WK, Tanquist RA (1989) Bone stress distribution for three endosseous implants J Prosthet Dent 61: 223-238 36 Matsushita Y, Kitoh M, Mizuta K, Ikeda H, Suetsugu T (1990) Twodimensional FEA analysis of hydros apatite implants: diameter effects on stress distribution J Oral Implantol 16:6-11 37 Clift SE, Fisher J, Edwards BN (1995) Comparative analysis of bone stresses and strains in the Intoss dental implant with and without a flexible internal post Proc Inst Mech Eng[H] 209:139-147 Trang 66 Luan van 38 Meijer GJ, Starmans FJ, de Putter C, van Blitterswijk CA (1995) The influence of a flexible coating on the bone stress around dental implants J Oral Rehabil 22: 105-111 39 Vaillancourt H, Pilliar RM, McCammond D (1995) Finite element analysis of crestal bone loss around porous-coated dental implants J Appl Biomater 6: 267282 40 Vaillancourt H, Pilliar RM, McCammond D (1996) Factors affecting crestal bone loss with dental implants partially covered with a porous coating: a finite element analysis Int J Oral Maxillofac Implants 11:351-359 41 Wiskott HW, Reiser UC (1999) Lack of integration of smooth titanium surfaces: a working hypothesis based on strains generated in the surrounding bone Clin Oral Implants Res 10:429-444 42 Branemark PI, 1983, Occeoitegration and its experimental background Journal of Prosthetic Dentistry 50, 399-410 43 Adell, R., Lekholm, U., Branemark, P I., 1981, A 15 year study of osseointegrated edentulous jaw, Journal of Oral and Maxillofacial, 387 44 Brunski J E, Hipp J, E, 1984, In the forces on endosteal implant: A measurement system and biomechanical consideration, Journal of Prosthetic Dentistry 51, 82 Trang 67 Luan van Luan van ... PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ VĂN AN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN ĐỂ DỰ ĐOÁN ĐỘ BỀN MỎI CỦA VÍT CẤY NHA KHOA NGÀNH: CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY – 605204 HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN... titanium sử dụng để sản xuất vít cấy[ 43] Những vít cấy titanium thành công điều trị nha khoa Tuy nhiên, với tất lợi tiềm cấy ghép, bác sĩ nha khoa dự việc sử dụng cơng nghệ để giải vấn đề việc thực cấy. .. cấy, bao gồm vít cấy loại khối sử dụng cho lần phẫu thuật vít cấy loại hai khối sử dụng cho hai lần phẫu thuật Hình 3.2 mơ hình hai loại vít cấy nha khoa loại khối vít cấy hai khối Vít cấy khối có