Retention System and Splinting on Morse Taper Implants in the Posterior Maxilla by 3D Finite Element Analysis

Abstract The purpose of this study was to evaluate different retention systems (cement- or screw-retained) and crown designs (non-splinted or splinted) of fixed implant-supported restorations, in terms of stress distributions in implants/components and bone tissue, by 3-dimensional (3D) finite element analysis. Four 3D models were simulated with the InVesalius, Rhinoceros 3D, and SolidWorks programs. Models were made of type III bone from the posterior maxillary area. Models included three 4.0-mm-diameter Morse taper (MT) implants with different lengths, which supported metal-ceramic crowns. Models were processed by the Femap and NeiNastran programs, using an axial force of 400 N and oblique force of 200 N. Results were visualized as the von Mises stress and maximum principal stress (σmax). Under axial loading, there was no difference in the distribution of stress in implants/components between retention systems and splinted crowns; however, in oblique loading, cemented prostheses showed better stress distribution than screwed prostheses, whereas splinted crowns tended to reduce stress in the implant of the first molar. In the bone tissue cemented prostheses showed better stress distribution in bone tissue than screwed prostheses under axial and oblique loading. The splinted design only had an effect in the screwed prosthesis, with no influence in the cemented prosthesis. Cemented prostheses on MT implants showed more favorable stress distributions in implants/components and bone tissue. Splinting was favorable for stress distribution only for screwed prostheses under oblique loading.

Resumo O objetivo deste estudo foi avaliar diferentes sistemas de retenção (cimentada x parafusada) e configuração da coroas (unitárias x esplintadas) de próteses fixas implantossuportadas em relação a distribuição de tensões nos implantes/componentes e tecido ósseo pela análise de elementos finitos 3D. Quatro modelos 3D foram simulados com auxílio dos programas Invesalius, e Rhinoceros 3D, e SolidWorks. Os modelos foram confeccionados simulando bloco ósseo de região posterior da maxila (tipo ósseo III), com 3 implantes cone Morse com 4,0 mm de diâmetro e diferentes comprimentos, suportando prótese metalocerâmica de 3 elementos. Os modelos foram processados pelos programas FEMAP e NEiNastran sob força axial de 400 N e oblíqua de 200N. Os resultados foram plotados através de mapas de tensão de von Mises (vM) (implantes e componentes) e tensão máxima principal (TMP) (tecido ósseo). Sobre o carregamento axial, não foi observada diferenças entre os diferentes sistemas de retenção e tipo de prótese na distribuição das tensões nos implantes/componentes, porém, sobre o carregamento oblíquo as próteses cimentadas apresentaram melhor distribuição de tensões em comparação com as próteses parafusadas, enquanto que as próteses esplintadas apresentou uma tendência de redução das tensões no implante do primeiro molar. No tecido ósseo as próteses cimentadas apresentaram melhor distribuição das tensões em comparação com as próteses parafusadas, independente do carregamento. A esplintagem foi favorável somente para as próteses parafusadas, não havendo influência sobre as próteses cimentadas. As próteses cimentadas sobre implantes cone Morse apresentam melhor comportamento biomecânico nos implantes/componentes e tecido ósseo. A esplintagem foi efetiva somente nas próteses parafusadas sob carregamento oblíquo.

3-D simulation of posterior fossa reduction in Chiari I / Simulação em 3D da redução da fossa posterior no Chiari do tipo I

ABSTRACT We proposed a 3D model to evaluate the role of platybasia and clivus length in the development of Chiari I (CI). Using a computer aided design software, two DICOM files of a normal CT scan and MR were used to simulate different clivus lengths (CL) and also different basal angles (BA). The final posterior fossa volume (PFV) was obtained for each variation and the percentage of the volumetric change was acquired with the same method. The initial normal values of CL and BA were 35.65 mm and 112.66º respectively, with a total PFV of 209 ml. Ranging the CL from 34.65 to 29.65 – 24.65 – 19.65, there was a PFV decrease of 0.47% – 1.12% – 1.69%, respectively. Ranging the BA from 122.66º to 127.66º – 142.66º, the PFV decreased 0.69% – 3.23%, respectively. Our model highlights the importance of the basal angle and clivus length to the development of CI.

RESUMO No presente estudo, propusemos a criação de um modelo computacional em 3D com elaboração de software onde dois arquivos em formato DICOM com uma TC e RNM de crânio foram usados para simular diferentes mensurações na extensão do clivus (EC) e no ângulo basal (AB). O volume final da fossa posterior (VFP) foi obtido em cada variação, bem como a percentagem de volume alterada. O tamanho inicial da EC era de 35,65 mm e o do AB era de 112.66º, com um VFP de 209 ml. Variando a EC de 34,65 para 29,65 – 24.65 e 19.65, houve uma diminuição do VFP de 0.47%, 1.12% e 1.69%, respectivamente. Variando o AB de 122,66º para 127,66º e 142,66º, o VFP diminui para 0.69% e 3.23%, respectivamente. Nosso modelo enfatiza a importância da patogênese do aumento do AB e do encurtamento do clivus no desenvolvimento do Chiari I.

Total deformation of multiple implant-supported prostheses through three-dimensional finite element analysis / Deformación total de prótesis múltiple implanto-soportadas a través de un análisis tridimensional por elementos finitos

The purpose of this study was to evaluate through finite element analysis (FEA) the total deformation or displacement as a whole system of multiple implant-supported prostheses in the maxillary anterior region with different implant's length, connection, location and restoration material. An edentulous anterior region of a hemi-maxilla model was used in finite element analysis. The simulations were divided in two groups according to treatment plan: 1) two implants were placed in the upper central incisors, simulating an implant-supported fixed prosthesis (acrylic resin and metal-ceramic) of four elements with cantilever of both upper lateral incisors; 2) two implants placed in the upper lateral incisors, simulating a conventional fixed prosthesis of four elements with both upper central incisors as pontic. Models with cantilever prosthesis in acrylic resin showed the highest values of total deformation, which were 17 times higher than those of metal-ceramic in the distal face of the lateral incisors, regardless of the type of implant connection. In conventional prostheses in acrylic resin, external hexagon connections had lower total deformation values compared with morse taper connection. Also, the implant length was found to have no effect on the values of total deformation. In conclusion, total deformation was substantially greater in all models with acrylic resin restorations.

El propósito de este estudio fue evaluar mediante análisis de elementos finitos (FEA) la deformación total o desplazamiento como un sistema completo de prótesis múltiples implanto-soportadas en la región anterior de la maxila con diferentes longitudes, conexiones y posiciones del implantes y variando el material de restauración. Se utlizó un modelo hemi-maxilar de una región anterior desdentada de un modelo para ser analizado por medio de elementos finitos. Las simulaciones fueron divididas en dos grupos de acuerdo con el plan de tratamiento: 1) dos implantes se colocaron en los incisivos centrales superiores, simulando una prótesis fija implanto-soportada (resina acrílica y metal-cerámica) de cuatro elementos con cantilever de ambos incisivos laterales superiores; 2) dos implantes colocados en los incisivos laterales superiores, simulando una prótesis fija convencional de cuatro elementos con los dos incisivos centrales superiores como póntico. Los modelos con prótesis en cantilever en resina acrílica mostraron los mayores valores de deformación total, siendo 17 veces mayor a los de metal-cerámica en la cara distal de los incisivos laterales, independientemente del tipo de conexión del implante. En las prótesis convencionales en resina acrílica, las conexiones hexagonales externas tenían valores deformación total más bajos en comparación con la conexión cono morse. También, se encontró que la longitud del implante no mostró ninguna influencia en los valores de la deformación total. En conclusión, la deformación total fue sustancialmente mayor en todos los modelos con restauraciones de resina acrílica.

Biomechanics of the human canine pillar based on its geometry using finite element analysis / Biomecánica del pilar canino en el cráneo humano basada en la geometría utilizando análisis de elementos finitos

This study evaluated the stress distribution based on the canine pillar geometry in human skull, using a finite element analysis. Computed tomography of human skull was used to build a finite element model, which was composed by all bony structures of canine pillar: canine eminence, canine fossa, frontal process of maxilla, glabellum and superciliary arch. A support on the bite contact of maxillary canine tooth and a resultant force of the masticatory muscles was applied in the simulation. Equivalent Von-mises and maximum principal stresses were analyzed along the structures that compose the canine pillar geometry. Von-mises stress presented high stress concentrated at the canine fossa and frontal process of maxilla. Maximum principal stress showed compression areas at the canine fossa and part of frontal process and tensile stress at canine eminence and part of the frontal process. In conclusion, the different stress areas means different force concentrations transmitted along the canine pillar geometry during a peak canine bite.

Este estudio evaluó la distribución de la tensión sobre la geometría del pilar canino en el cráneo humano, utilizando análisis de elementos finitos. Se usó la tomografía computarizada de cráneo humano para construir un modelo de elementos finitos compuesto por todas las estructuras óseas del pilar canino: eminencia canina, fosa canina, proceso frontal del maxilar, glabela y arco superciliar. Se aplicó en la simulación un soporte ubicado sobre el contacto de mordida del diente canino maxilar y una fuerza resultante de los músculos de la masticación. Tensiones Equivalentes de Von-Mises y tensiones principales máximas fueron analizadas a lo largo de las estructuras que componen la geometría de pilar canino. La tensión de Von-Mises fue alta y concentrada en la fosa canina y proceso frontal del maxilar. La tensión principal máxima mostró áreas de compresión en la fosa canina y parte del proceso frontal y la tensión de tracción en la eminencia canina y parte del proceso frontal. Las diferentes áreas de tensión significan diferentes concentraciones de tensiones transmitida a lo largo de la geometría del pilar canino durante una mordedura canina máxima.

Stress distribution in human zygomatic pillar using three-dimensional finite element analysis / Distribución de la tensión en el pilar cigomático humano usando análisis de elementos finitos tridimensional

This paper aimed to analyze stress distribution in human zygomatic pillar during masseter muscle contraction using three-dimensional finite element analysis. A three-dimensional model and hemi facial skull were produced based on CT-scan data. An adult male skull with structural anatomy integrity was used as model. Muscles forces were applied at origin of elevator muscles and supports was applied at the occlusal surfaces at first and second molars to simulate a masticatory load and stimulate the zygomatic pillar. Supports were applied to the occlusal contacts. Symmetry conditions were placed at the mid-sagittal plane. For the top and back cutting plane, constraints were used. Equivalent Von-Mises Stress and Maximum Principal Stress analysis were performed from the stress fields along the zygomatic pillar. It was represented by stress concentration at the alveolar process, zygomatic bone, frontal and temporal process of zygomatic bone and superciliary arch. Stress line indicates distribution of stress from maxilla toward the frontal and temporal bone. The stresses occurred due to resultant occlusal forces is mainly supported by the zygomatic bone, non-uniformly distributed and predominantly through the zygomatic pillar. This study contributed to better understanding of stress distribution in zygomatic pillar to understand the influence of chewing on zygomatic pillar morphology and also be useful for clinical practice.

El objetivo de este artículo fue analizar la distribución de la tensión en el pilar cigomático humano durante la contracción del músculo masetero utilizando análisis de elementos finitos tridimensionales. Un modelo de tres dimensiones de dientes del hemicráneo facial fueron producidos sobre la base de datos de CT-scan. Se utilizó como modelo un cráneo adulto de sexo masculino con la integridad de la anatomía estructural. Fuerzas musculares se aplicaron en el origen de los ascensores de los músculos de la mandíbula y soportes se aplicaron a la superficie oclusal del primer y segundo molar para simular una carga masticatoria y estimular el pilar cigomático. Condiciones de simetría se colocaron en el plano mediano. Se utilizaron restricciones en los planos superior y posterior. El análisis de las tensiones equivalentes von-Mises y máximo director se realizó a través del campo de esfuerzos a lo largo del pilar cigomático. Fue representada la concentración de esfuerzos en el proceso alveolar, hueso cigomático, proceso frontal y temporal del hueso cigomático y el arco superciliar. La línea de tensión indica la distribución de la tensión del maxilar hacia el hueso frontal y temporal. Las tensiones se produjeron debido a las fuerzas oclusales resultantes, que se apoyan principalmente por el hueso cigomático, distribuidas de manera no uniforme y sobre todo a través del pilar cigomático. Este estudio ha contribuido a una mejor comprensión de la distribución de la tensión en el pilar cigomático para entender la influencia de la masticación sobre la morfología de este pilar y ser de utilidad en la práctica clínica.

Finite element analysis and fracture resistance testing of a new intraradicular post

OBJECTIVES: The objective of the present study was to evaluate a prefabricated intraradicular threaded pure titanium post, designed and developed at the São José dos Campos School of Dentistry - UNESP, Brazil. This new post was designed to minimize stresses observed with prefabricated post systems and to improve cost-benefits. MATERIAL AND METHODS: Fracture resistance testing of the post/core/root complex, fracture analysis by microscopy and stress analysis by the finite element method were used for post evaluation. The following four prefabricated metal post systems were analyzed: group 1, experimental post; group 2, modification of the experimental post; group 3, Flexi Post, and group 4, Para Post. For the analysis of fracture resistance, 40 bovine teeth were randomly assigned to the four groups (n=10) and used for the fabrication of test specimens simulating the situation in the mouth. The test specimens were subjected to compressive strength testing until fracture in an EMIC universal testing machine. After fracture of the test specimens, their roots were sectioned and analyzed by microscopy. For the finite element method, specimens of the fracture resistance test were simulated by computer modeling to determine the stress distribution pattern in the post systems studied. RESULTS: The fracture test presented the following averages and standard deviation: G1 (45.63±8.77), G2 (49.98±7.08), G3 (43.84±5.52), G4 (47.61±7.23). Stress was homogenously distributed along the body of the intraradicular post in group 1, whereas high stress concentrations in certain regions were observed in the other groups. These stress concentrations in the body of the post induced the same stress concentration in root dentin. CONCLUSIONS: The experimental post (original and modified versions) presented similar fracture resistance and better results in the stress analysis when compared with the commercial post systems tested (08/2008-PA/CEP).

Análise bidimensional de tensões em modelo de segundo pré-molar inferior, reconstruído com pinos de fibra de vidro e de carbono, por meio dos elementos finitos / Stress distribution in a second lower pre-molar reconstructed with fiber glass and carbon post systems by 2D finite element analysis

O objetivo deste trabalho foi analisar comparativamente, pelo Método dos Elementos Finitos, a distribuição de tensões internas em dois modelos bidimensionais de um segundo pré-molar inferior, sem remanescente coronário, em uma vista mesial. A análise foi realizada comparando pinos de fibras de vidro e de carbono, ambos com formato paralelo e escalonado. Foi aplicado um carregamento de 100N, distribuído na superfície da porção coronária do núcleo de resina composta, em sentido longitudinal. A análise dos dados foi realizada com um software específico e os resultados visualizados pelo critério de von Mises. Nas condições "simuladas", foi possível concluir que: houve uma distribuição de tensões uniforme no interior dos modelos na região da raiz e nos 2/3 inferiores dos pinos, tanto os de fibra de carbono quanto os de fibra de vidro, o que indica que o direcionamento da aplicação de carregamento no sentido longitudinal contribuiu com a uniformidade na distribuição das tensões; no terço superior ocorreram concentrações de tensões nos ângulos das paredes de resina para os dois modelos, provavelmente devido à geometria existente nas regiões referidas; ocorreu uma concentração de tensões nos ângulos da região da porção coronária de resina, com valores quantitativos diferentes para os dois modelos, indicando que as propriedades mecânicas dos pinos interferem na concentração de tensões; uma maior concentração de tensões ocorreu na porção coronária de resina e terço superior do pino de fibra de vidro devido ao fenômeno chamado "stress shielding".

Análise 3D do comportamento biomecânico de dentes reabilitados com retentores de fibra e cerâmico: método dos elementos finitos / 3D biomechanical analysis of the behavior of restored tooth with fiber glass and ceramic posts: finite element method

Este estudo objetivou analisar tridimensionalmente, por meio de Método dos Elementos Finitos(MEF), o comportamento biomecânico de um incisivo central superior tratado endodonticamente e reabilitado com diferentes retentores intrarradiculares pré-fabricados de fibra de vidro e zircônio e restaurados com coroas totalmente cerâmicas. Foram construídos modelos tridimensionais do incisivo central superior com 2 mm de remanescente dentinário na porção coronária. Uma carga de 10 N foi aplicada no terço incisal, nas cristas marginais mesial e distal, da superficie palatal. A análise dos dados foi realizada pelo programa computacional NEiNastran® - Noram Engineering, Inc. (Westminster, CA, USA). Os resultados de tensão máxima principal obtidos mostraram que houve diferenças significativas na distribuição de tensão entre o dente restaurado e os diferentes retentores intrarradiculares, de modo que o retentor de fibra de vidro demonstrou um comportamento biomecânico mais apropriado para utilização clínica que o retentor cerâmico.