Comportamiento Mecánico de un Premolar Humano Sano Sometido a Fuerzas Funcionales y Disfuncionales en un MEF / Mechanical Behavior of a Healthy Human Premolar Subjected to Functional and Dysfunctional Forces in a FEM

El propósito de este estudio fue analizar el comportamiento mecánico de la estructura dental sana de un primer premolar inferior humano sometido a fuerzas funcionales y disfuncionales en diferentes direcciones. Se buscó comprender, bajo las variables contempladas, las zonas de concentración de esfuerzos que conllevan al daño estructural de sus constituyentes y tejidos adyacentes. Se realizó el modelo 3D de la reconstrucción de un archivo TAC de un primer premolar inferior, que incluyó esmalte, dentina, ligamento periodontal y hueso alveolar considerando tres variables: dirección, magnitud y área de la fuerza aplicada. La dirección fue dirigida en tres vectores (vertical, tangencial y horizontal) bajo cuatro magnitudes, una funcional de 35 N y tres disfuncionales de 170, 310 y 445 N, aplicadas sobre un área de la cara oclusal y/o vestibular del premolar que involucró tres contactos estabilizadores (A, B y C) y dos paradores de cierre. Los resultados obtenidos explican el fenómeno de combinar tres vectores, cuatro magnitudes y un área de aplicación de la fuerza, donde los valores de esfuerzo efectivo equivalente Von Mises muestran valores máximos a partir de los 60 MPa. Los valores de tensión máximos se localizan, bajo la carga horizontal a 170 N y en el proceso masticatorio en la zona cervical, cuando la fuerza pasa del 60 %. Sobre la base de los hallazgos de este estudio, se puede concluir que la reacción de los tejidos a fuerzas funcionales y disfuncionales varía de acuerdo con la magnitud, dirección y área de aplicación de la fuerza. Los valores de tensión resultan ser más altos bajo la aplicación de fuerzas disfuncionales tanto en magnitud como en dirección, produciendo esfuerzos tensiles significativos para la estructura dental y periodontal cervical, mientras que, bajo las cargas funcionales aplicadas en cualquier dirección, no se generan esfuerzos lesivos. Esto supone el reconocimiento del poder de detrimento estructural del diente y periodonto frente al bruxismo céntrico y excéntrico.

SUMMARY: The purpose of this study was to analyze the mechanical behavior of the healthy dental structure of a human mandibular first premolar subjected to functional and dysfunctional forces in different directions. It was sought to understand, under the contemplated variables, the areas of stress concentration that lead to structural damage of its constituents and adjacent tissues. The 3D model of the reconstruction of a CT file of a lower first premolar was made, which included enamel, dentin, periodontal ligament and alveolar bone considering three variables: direction, magnitude and area of the applied force. The direction was directed in three vectors (vertical, tangential and horizontal) under four magnitudes, one functional of 35 N and three dysfunctional of 170, 310 and 445 N, applied to an area of the occlusal and/or buccal face of the premolar that involved three stabilizing contacts (A, B and C) and two closing stops. The results obtained explain the phenomenon of combining three vectors, four magnitudes and an area of force application, where the values of effective equivalent Von Mises stress show maximum values from 60 MPa. The maximum tension values are located under the horizontal load at 170 N and in the masticatory process in the cervical area, when the force exceeds 60%. Based on the findings of this study, it can be concluded that the reaction of tissues to functional and dysfunctional forces varies according to the magnitude, direction, and area of application of the force. The stress values turn out to be higher under the application of dysfunctional forces both in magnitude and in direction, producing significant tensile stresses for the dental and cervical periodontal structure, while under functional loads applied in any direction, no damaging stresses are generated. This supposes the recognition of the power of structural detriment of the tooth and periodontium against centric and eccentric bruxism.

Finite element analysis of a new intervertebral disc prosthesis developed for the canine cervical spine / Elementos finitos de uma nova prótese de disco intervertebral desenvolvida para a coluna cervical canina

ABSTRACT: Cervical spondylomyelopathy (CSM) is a disease that affects mostly large- and giant-breed dogs. It is characterized by abnormalities of the cervical spine that may cause damage to the spinal cord and nerve roots. Cervical disc arthroplasty has been proposed as a treatment option in veterinary medicine. The current study evaluated the main stresses in a novel canine vertebral disc prosthesis and vertebral bodies using finite element analysis. Two experimental groups were created based on the material used for the prosthesis: stainless steel group (SSG) and titanium alloy group (TAG). Vertebral and prosthetic average equivalents von-Mises stress (VMS) and minimum principal stress (MiPS) were assessed while compressive, tensile, and lateral bending shear loads were applied. The stainless steel group had greater VMS distribution on all the evaluated parameters while the titanium alloy group had greater MiPS. Stresses were more concentrated on the lateral and ventral surfaces of the vertebral bodies than on their endplates. The average prosthetic stresses were more concentrated on the bone/implant contact surface than on the prosthesis/screw interface. Maximum stresses were concentrated in the screws' cranial surface. The novel prosthesis allows even distribution along the vertebral body. Comparing prosthesis materials, titanium alloy was marginally superior regarding average stresses in all directions and should be less likely to suffer subsidence.

RESUMO: Espondilomielopatia cervical (EMC) é uma doença que geralmente afeta cães de raças grandes e gigantes. Ela é caracterizada por anormalidades da coluna cervical que podem causar danos à medula espinhal ou às raízes nervosas. Artroplastia cervical com prótese de disco tem sido proposta como opção de tratamento na medicina veterinária. O presente estudo teve como objetivo avaliar os principais estresses em uma nova prótese de disco intervertebral canina e corpos vertebrais por meio da análise de elementos finitos. Foram compostos dois grupos experimentais que representaram o material constituinte da nova prótese: grupos aço inoxidável (SSG) e o liga de titânio (TAG). Tensões equivalente de von-Mises (VMS) e tensão principal mínima (MiPS) média foram avaliadas sob forças de compressão, tração e torção para vértebras e prótese. O grupo SSG teve maior distribuição de VMS para todos parâmetros avaliados, enquanto o grupo TAG teve maior MiPS. Estresses estiveram mais concentrados nas superfícies lateral e ventral dos corpos vertebrais do que nas placas terminais. Os estresses médios da prótese foram mais concentrados na superfície de contato osso/implante do que na interface prótese/parafuso. Estresses máximos foram concentrados na superfície cranial do parafuso. A nova prótese permitiu distribuição uniforme do estresse ao longo do corpo vertebral. Comparando os materiais da prótese, a liga de titânio foi marginalmente superior quanto aos estresses médios em todas as direções, sendo menos provável que sofra afundamento da prótese.

Finite element analysis of a new intervertebral disc prosthesis developed for the canine cervical spine / Elementos finitos de uma nova prótese de disco intervertebral desenvolvida para a coluna cervical canina

Cervical spondylomyelopathy (CSM) is a disease that affects mostly large- and giant-breed dogs. It is characterized by abnormalities of the cervical spine that may cause damage to the spinal cord and nerve roots. Cervical disc arthroplasty has been proposed as a treatment option in veterinary medicine. The current study evaluated the main stresses in a novel canine vertebral disc prosthesis and vertebral bodies using finite element analysis. Two experimental groups were created based on the material used for the prosthesis: stainless steel group (SSG) and titanium alloy group (TAG). Vertebral and prosthetic average equivalents von-Mises stress (VMS) and minimum principal stress (MiPS) were assessed while compressive, tensile, and lateral bending shear loads were applied. The stainless steel group had greater VMS distribution on all the evaluated parameters while the titanium alloy group had greater MiPS. Stresses were more concentrated on the lateral and ventral surfaces of the vertebral bodies than on their endplates. The average prosthetic stresses were more concentrated on the bone/implant contact surface than on the prosthesis/screw interface. Maximum stresses were concentrated in the screws' cranial surface. The novel prosthesis allows even distribution along the vertebral body. Comparing prosthesis materials, titanium alloy was marginally superior regarding average stresses in all directions and should be less likely to suffer subsidence.

Espondilomielopatia cervical (EMC) é uma doença que geralmente afeta cães de raças grandes e gigantes. Ela é caracterizada por anormalidades da coluna cervical que podem causar danos à medula espinhal ou às raízes nervosas. Artroplastia cervical com prótese de disco tem sido proposta como opção de tratamento na medicina veterinária. O presente estudo teve como objetivo avaliar os principais estresses em uma nova prótese de disco intervertebral canina e corpos vertebrais por meio da análise de elementos finitos. Foram compostos dois grupos experimentais que representaram o material constituinte da nova prótese: grupos aço inoxidável (SSG) e o liga de titânio (TAG). Tensões equivalente de von-Mises (VMS) e tensão principal mínima (MiPS) média foram avaliadas sob forças de compressão, tração e torção para vértebras e prótese. O grupo SSG teve maior distribuição de VMS para todos parâmetros avaliados, enquanto o grupo TAG teve maior MiPS. Estresses estiveram mais concentrados nas superfícies lateral e ventral dos corpos vertebrais do que nas placas terminais. Os estresses médios da prótese foram mais concentrados na superfície de contato osso/implante do que na interface prótese/parafuso. Estresses máximos foram concentrados na superfície cranial do parafuso. A nova prótese permitiu distribuição uniforme do estresse ao longo do corpo vertebral. Comparando os materiais da prótese, a liga de titânio foi marginalmente superior quanto aos estresses médios em todas as direções, sendo menos provável que sofra afundamento da prótese.