Interdisciplinary system approach and concept of experimental and analytical method of material selection and design planning in order to improve effectiveness of periodontitis treatment

Full Text

Введение

Перспективным направлением развития современной стоматологии является разработка и внедрение новых ортопедических конструкций, а также поиск и изучение свойств материалов для их изготовления [1–3]. Актуальным подходом в решении комплексных задач подобного рода является использование методов материаловедения и биомеханического моделирования, которые позволяют определить физико-механические характеристики конструкционных материалов и провести точную оценку характера распределения функциональных нагружений при использовании лечебно-профилактических аппаратов и протезов [4–8].

Проектирование многоэлементных пространственных конструкций рационально с использованием четкого алгоритма последовательных действий – именно такой подход позволит повысить точность количественной оценки действующих напряжений в зависимости от типа и геометрии конструкционных элементов ортопедических аппаратов, исключить или минимизировать вероятность ошибочного выбора их сочетания, которое выходило бы за рамки адекватного функционирования зубочелюстной системы с помощью выбранной расчетной модели [6–9].

Цель исследования – нормализация функционирования пародонтального комплекса в условиях начальной стадии воспалительно-деструктивного процесса при пародонтите при использовании авторской конструкции лечебно-профилактической назубной шины путем определения физико-механических характеристик основного конструкционного материала и биомеханического анализа распределения функциональных нагружений в зубочелюстной системе человека. 

Материалы и методы исследования

На базе кафедры механики сплошных сред и вычислительных технологий Пермского государственного национально-исследовательского университета с использованием четырехвекторного испытательного стенда Zwick/Roell (Германия) проведено экспериментальное исследование по определению физико-механических характеристик термопластического материала, выбранного в качестве конструкционного для изготовления шинирующей конструкции (рис. 1, а). Образцы полимера, изготовленные методикой литьевого прессования, растягивались непрерывно с постоянной скоростью 50 мм/мин до момента появления пластических деформаций. Анализ диаграмм зависимости удлинения образца от величины нагрузки позволил определить область линейной деформации для нахождения коэффициента Пуассона.

На кафедре ортопедической стоматологии ПГМУ имени академика Е.А. Вагнера при помощи CAE-программ создан 3D-прототип шинирующей конструкции для иммобилизации зубов при пародонтите (рис. 1, б). При моделировании лечебно-профилактической шины учитывали геометрию основных конструкционных элементов и известные физико-механические характеристики термопластического материала.

 

Рис. 1. Доклинические исследования: а – испытываемый образец с метками в захвате; б – 3D-прототип лечебно-профилактической шинирующей конструкции

 

Биомеханические исследования по определению характера распределения функциональных напряжений в тканях пародонта проведены на кафедре вычислительной математики, механики и биомеханики Пермского национально-исследовательского политехнического университета. В рамках решения математических задач разработаны и реализованы численные методы решения, а также построены алгоритмы основных вычислительных процедур, основанные на использовании метода конечных элементов и возможностей лицензионного программного комплекса ANSYS 19.2‎ (ANSYS, Inc., США). Компьютерные кластеры с установленными на них программными продуктами позволили провести точный анализ процессов, происходящих в зубочелюстной системе человека, и оптимизировать параметры лечебно-профилактической шинирующей конструкции.

Клиническое обследование и комплексное лечение пациентов молодого возраста (23 женщины и 11 мужчин в возрасте от 20 до 35 лет) с хроническим генерализованным пародонтитом легкой степени тяжести, включающее мероприятия по повышению уровня гигиенического состояния полости рта, местное медикаментозное антибактериальное и противовоспалительное лечение, а также избирательное пришлифовывание и рациональное протезирование по показаниям, проводили на базе кафедры ортопедической стоматологии ПГМУ имени академика Е.А. Вагнера и ООО «МЦ “Диомид”». Пациентам для иммобилизации зубов и перераспределения функциональных нагружений были изготовлены съемные лечебно-профилактические назубные шины [10]. Динамику патологических изменений и эффективности сплинт-терапии оценивали при помощи комплексного стоматологического обследования, включающего анализ функциональных методов оценки гемодинамики тканей пародонта (реопарадонтографии прибором «Минимакс Допплер Фоно», Россия) и подвижности зубов (периотестометрия – Periotest M, Германия).

Статистический анализ данных осуществлялся между средними величинами. Нормальность распределения показателей определяли при помощи критерия Шапиро – Уилка. Оценка статистической значимости различий показателей в динамике осуществлялась при помощи рангового Т-критерия Уилкоксона. 

Результаты и их обсуждение

Результаты экспериментального определения величины продольной и поперечной деформации 12 образцов были ранжированы по показателю «максимальное напряжение». Результаты испытаний четырех образцов термопласта Dental D, имеющих средние значения, отражены в табл. 1. В ходе эксперимента установлено, что изучаемый материал демонстрирует упругопластическое «поведение», характеризующееся существенным изменением формы и размеров образцов. К моменту разрушения в них развивались значительные деформации.

 

Таблица 1

Результаты механических испытаний образцов термопласта Dental D при скорости нагружения 50 мм/мин

Обозначение	Fмакс – максимальное напряжение	εмакс – деформация при максимальномнапряжении	a0 – толщина образца	b0 – ширина образца	S0 – площадь поперечного сечения
	42,89	4,61	2,4	9,5	22,80
	43,90	4,47	2,3	9,5	21,85
	42,55	5,51	2,35	9,7	22,80
	42,65	4,00	2,45	9,7	23,77

 

В зоне линейной (упругой) деформации были отдельно построены диаграммы временной зависимости продольной (рис. 2, а) и поперечной деформаций (рис. 2, б).

 

Рис. 2. Диаграммы деформации образцов материала Dental D: а – продольная; б – поперечная

 

Следует отметить, что значительные продольные и поперечные деформации наступали практически одновременно и сохранялись после снятия напряжения. В результате математического вычисления величина коэффициента Пуассона термопластического материала Dental D составила 0,44 ± 0,01, что позволяет судить о достаточной эластичности предлагаемого конструкционного материала.

Для обоснования использования авторской конструкции при проведении расчетов, основанных на применении метода биомеханического моделирования, рассматривалось распределение функциональных нагружений и величина перемещения зубов при начальной стадии пародонтита с учетом воздействия жевательной нагрузки, а также при иммобилизации зубов авторской шиной. Одной из задач биомеханического моделирования являлось определение напряжений, возникающих в зубах с периодонтом, теле нижней челюсти и конструкции шины, полученные значения сравнивались с предельным значением прочности на разрыв конструкционного материала. По данным, представленным в табл. 2, видно, что использование шин из термопластического полимера снижает максимальные значения напряжений в конструкции и зубах.

 

Таблица 2

Сравнение максимальных значений напряжений, деформаций и перемещений в исследуемой области (зубы, шина (при наличии) и костная ткань)

Параметр	Максимальное значение
	интенсивность напряжений, * 107 Па	интенсивность деформаций, * 10–3	перемещения, * 10–5 м
Без шины	7,3	4,02	4,7–14,5
Dental D	7,26	4	4,4–8

Примечание: перемещения в норме = 5–15 мкм [11].

 

В ходе исследования установлено, что зона максимальных напряжений в зубах располагается в области контакта с шиной в обоих случаях и равномерно распределяется по всему зубному ряду (рис. 3, а, б). Анализ полученных результатов позволяет констатировать, что использование шинирующих конструкций из термопластического материала при действии нагрузки показало себя как эффективный метод снижения подвижности зубов до физиологического уровня (рис. 3, в, г). Сравнение напряженного деформированного состояния в модели, состоящей из зубов, тела нижней челюсти с периодонтом и шинирующих конструкций из термопласта, показало, что величины интенсивностей напряжений в материале не превышают допустимых значений предела прочности. Это позволяет утверждать, что рассматриваемый материал можно применять в качестве конструкционного для изготовления шин при пародонтите.

 

Рис. 3. Результаты биомеханического анализа в теле нижней челюсти, зубах и шинирующей конструкции: а, б – интенсивность напряжений по Мизесу; в, г – амплитуда перемещения зубов

 

Таким образом, использование шинирующей конструкции из полимерного материала Dental D позволяет перераспределить функциональную нагрузку по зубному ряду и снизить нагрузку на альвеолярную часть нижней челюсти, являющуюся опорной зоной зубов, вступивших в процесс жевания. Термопластический полимер, предложенный в качестве конструкционного материала, и тип разработанной лечебно-профилактической конструкции отвечают всем требованиям, предъявляемым к шинирующим аппаратам, и могут эффективно применяться на этапах лечения заболеваний пародонта с целью обеспечения «физиологического поведения» зубов при жевательных нагрузках (до 250 Н).

Результаты проведенной ультразвуковой допплерографии у пациентов с начальной стадией пародонтита до лечения демонстрировали умеренное изменение гемодинамики и свидетельствовали о сохранении компенсаторно-приспособительных механизмов регуляции тканевого кровотока на начальной стадии генерализованного пародонтита. Анализ результатов клинических исследований в динамике показал, что включение мероприятий по нормализации оптимальных окклюзионных взаимоотношений и перераспределению функциональных нагружений в тканях пародонта в комплекс традиционных лечебно-профилактических мероприятий обеспечивает уменьшение воспалительных явлений и, как результат, стойкое достоверное улучшений средних реологических показателей в ближайшие и отдаленные сроки наблюдения (табл. 3).

 

Таблица 3

Средние значения результатов клинического обследования в динамике лечения

Показатель	До лечения	Через месяц	Через 6 месяцев	Через 12 месяцев
Vam, см/с	0,284 ± 0,005	0,327 ± 0,005*	0,342 ± 0,005*	0,397 ± 0,004*
Qam, мл/мин	0,012 ± 0,001	0,014 ± 0,001	0,016 ± 0,001*	0,018 ± 0,001*
PI	2,216 ± 0,008	2,209 ± 0,008	2,200 ± 0,007*	2,196 ± 0,008 *
RI	0,840 ± 0,004	0,838 ± 0,004	0,835 ± 0,004	0,832 ± 0,003*
Периотестометрия	5,07 ± 0,22	3,92 ± 0,17*	3,19 ± 0,14*	2,42 ± 0,15*

Примечание: * – статистически значимые значения от исходного уровня, р ≤ 0,05 по критерию Уилкоксона

 

Результаты периотестометрии пациентов до лечения в среднем составляли 5,01 ± 0,93 усл. ед., что соответствовало крайним показателям физиологической подвижности зубов и компенсированному состоянию опорного аппарата зуба. Проведенное консервативное лечения привело к снятию воспалительного процесса в тканях пародонта зубов. Результатом ортопедического этапа лечения хронического генерализованного пародонтита, включающего иммобилизацию зубов авторской конструкцией шины, стало уменьшение очагов остеопороза костной ткани альвеолярной части нижней челюсти и сужение периодонтальных щелей, вызванное улучшением гемодинамики тканей пародонта, что в комплексе привело к уменьшению амплитуды смещения зубов в отдаленные сроки наблюдения.

Выводы 

1. Изученные свойства термопластического материала и результаты биомеханического анализа параметров разработанной шинирующей конструкции позволили предположить, что применение полимера в качестве конструкционного для изготовления лечебно-профилактических шин и их конструкционные особенности позволят уменьшить уровень растягивающих напряжений в тканях пародонта, сохранить подвижность зубов в пределах физиологической нормы и стабилизировать гемодинамику.
2. В ходе проведенных клинических исследований определено, что при использовании шинирующей конструкции из материала с упругопластичными свойствами при начальной стадии хронического генерализованного пародонтита происходит равномерное перераспределение функциональных нагружений по всему зубному ряду, плавно переходящее на костную ткань альвеолярной части нижней челюсти, а также ограничение амплитуды смещения зубов, включенных в шину, до нормальных значений вне зависимости от направления нагрузки и расположения кламмеров шинирующей конструкции.
3. Упругопрочностные характеристики и пластичность термопластического материала в разработанной конструкции соответствуют упругому поведению периодонта, сохраняя при этом автономность зубов и единство зубного ряда, что подтверждено результатами клинических методов исследования.

About the authors

N. B. Astashina

E.A. Vagner Perm State Medical University

Author for correspondence.
Email: nb.astashina@gmail.com

MD, PhD, Associate Professor, Head of Department of Orthopedic Dentistry

Russian Federation, Perm

E. P. Rogozhnikova

E.A. Vagner Perm State Medical University

Email: nb.astashina@gmail.com

Assistant, Department of Orthopedic Dentistry

Russian Federation, Perm

A. F. Merzlyakov

Perm State Research University

Email: nb.astashina@gmail.com

Head of Laboratory of Thermomechanical Testing Methods

Russian Federation, Perm

V. N. Nikitin

Perm State Research Polytechnic University

Email: nb.astashina@gmail.com

Associate Professor, Department of Calculus Mathematics, Mechanics and Biomechanics

Russian Federation, Perm

References

Supplementary files