Distribuição de tensões em um modelo tridimensional de canino e pré-molares superiores sob diferentes carregamentos oclusais: análise pelo método de elementos finitos / Stress distribution in a three-dimensional model of canine and premolars superiors under different occlusal loads: analysis by finite element method

RESUMO

O objetivo desse estudo foi analisar, por meio do Método de Elementos Finitos, a distribuição de tensões na estrutura dentária, no ligamento periodontal (LP) e no osso alveolar em um modelo tridimensional do canino (23), primeiro (24) e segundo pré-molares superiores (25) submetidos à ação de cargas axiais e oblíquas. Além disso, objetivou-se avaliar a influência do ponto de contato proximal na distribuição das tensões no modelo de três dentes (M1), comparado a um modelo unitário do 24 (M2). As propriedades mecânicas bem como as condições de contorno e carregamento foram determinadas no programa de elementos finitos Ansys®. Cargas axiais e oblíquas foram aplicadas nas seguintes simulações C1) Carga axial nos contatos A e B no dente 24; C2) Contato excêntrico no dente 24; C3) Carga oblíqua de 45N, com inclinação de 45o no contato A do dente 24; C4) Carga oblíqua de 45N, com inclinação de 45o no contato B do dente 24; C5) Cargas axiais simultâneas, de 70N na ponta de cúspide do dente 23, 90N nos contatos A e B do dente 24 e de 105N nos contaos A e B do dente 25. Para estimar a possibilidade de falha no esmalte, as tensões máximas principais foram analisadas e deformações máximas e mínimas principais foram analisadas no LP e no osso alveolar, sendo que ambos foram comparados a valores encontrados em outros estudos com metodologia similar. Em C1, a distribuição de tensões foi mais favorável para as estruturas dente-LP-osso, com picos de tensões semelhantes em M1 e M2. Em C2, tensões deslocaramse para apical, devido ao contato entre os dentes 24 e 23 em M1; os picos de tensões foram maiores em M1 do que em M2 no esmalte e no osso e o inverso ocorreu na dentina e no LP. Em C3, tensões de tração concentraram-se na região cervical do esmalte e na furca do dente 24; os picos das tensões no esmalte, osso e LP foram menores em M1 comparado a M2, mas na dentina ocorreu o contrário (M1>M2). Em C4, ocorreu o maior pico de tensão de tração no esmalte, tensões de tração concentraram-se na furca do dente 24; esmalte e dentina comportaram-se de forma similar (M1>M2) e osso e LP também (M1˂M2). Em C5, tensões de tração se concentraram no osso alveolar do dente 23. Os contatos proximais em M1 permitiram a distribuição das tensões de forma mais homogênea para o LP e osso que em M2. Exceto em C1, a distribuição de tensões no esmalte cervical, na dentina, no LP e no osso alveolar diferiram em um modelo unitário comparado a um de três dentes, devido à presença dos contatos proximais.

ABSTRACT

The direction, type and magnitude of loads on the oclusal surface and also the characteristics of the support structures determines the stress distribution. The aim of this study was to analyze, by the finite element method, the stress distribution on the first superior premolar, in a tridimensional (3D) model subjected to various types of loadings considering the enamel anisotropic or isotropic. The geometric modeling was performed based on a computed tomography (CT) scan. The mechanical properties as well as the loading conditions determined by the Abaqus® finite element program. Axial and oblique loads were applied on the occlusal surface of the first superior premolar in the following conditions I) 30N axial load applied simultaneously on the occlusal contacts A and B and in the mesial marginal ridge, totaling 90N; II) 90N axial load in the mesial longitudinal edge of the lingual cusp, simulating eccentric contact; III) 45N oblique load with a 45o inclination on theocclusal contact A; IV) 45N oblique load with a 45o inclination on the occlusal contact B. To estimate the possibility of failure in the simulated structures, the maximum principal stress were analyzed and compared to known tensile strength values of the tissues studied. The results showed compression stress on the side in which the load was applied and tensile stress on the opposite side. Tensile stress concentrates mainly in the cervical region of the tooth and in the alveolar insertion bone. Anisotropic models revealed areas of tensile stress concentration smaller than the isotropic models. It was concluded that the isotropic 3D models were suitable for analyzing the stress distribution in teeth, because they are less complex models to build and produced similar results compared to the anisotropic models. The cervical enamel seems to be more susceptible to fracture because of the largest stress concentration on this area, associated with its composition and anatomical characteristics