Luận văn Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để dự đoán độ bền mỏi của vít cấy nha khoa (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để dự đoán độ bền mỏi của vít cấy nha khoa (Phần 1)

1. 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 NHAS K C 0 0 3KHOA9 5 9 NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204 S KC 0 0 3 8 0 1 Tp. Hồ Chí Minh, 2012
2. 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 ĐOÁN 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
3. 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 NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204 S KC 0 0 3 8 0 1 Tp. Hồ Chí Minh, 2012
4. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC Họ và Tên: LÊ VĂN AN Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 16-10-1986 Nơi sinh: Bến Tre Địa chỉ liên lạc: Khu C, Trường ĐH Đồng Tháp Điện thoại: 0917730738 Email: levanandhdt@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO 1. Đại học Hệ đào tạo: chính 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 2. Cao học Hệ đào tạo: chính 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
5. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 7năm 2012 Trang ii
6. 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 đã giảng dạy học viên trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu tại trường. Xin cảm ơn quý Thầy, Cô của phòng Đào tạo sau đại học và 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 đối với Thầy- TS. Nguyễn Trường Thịnh đã tận tình hướng dẫn cho học viên trong quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp. Cuối cùng, xin cảm ơn sự góp ý và chia sẻ của tất cả các Anh Chị học viên trong lớp. Trang iii
7. TÓM TẮT Phương pháp phần tử hữu hạn và thí nghiệm độ mỏi sẽ được thực hiện để dự đoán tính bền mỏi cho cấy ghép nha khoa. Độ tin cậy và sự ổn định của hệ thống cấy ghép có thể được xác định trong điều kiện của cường độ mỏi. Hiện nay, cấy ghép còn rất tốn kém và gần như là không thể chỉnh sửa sau khi được lắp vào. Từ quan điểm sinh học – kĩ thuật, độ bền mỏi của hệ thống cấy ghép nha khoa phải được đánh giá bởi mô phỏng (FEA). Trong nghiên cứu này, tính bền mỏi của hệ thống cấy ghép được dự đoán là U-fit. Trường ứng suất trong vít cấy được tính bằng phương pháp phần tử hữu hạn đàn hồi – dẻo và ứng suất mỏi tương đương. Từ đó suy ra được chu kì mỏi tương ứng với ứng suất mỏi tương đương. Chu kì mỏi của vít cấy nha khoa bị ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố. Chẳng hạn như: tính chất của vật liệu làm vít cấy, các tải khác nhau, cân nặng, chiều cao, tuổi tác, các tiếp xúc bên trong mặt phân cách của vít cấy và sức căng trong vít cấy, các thói quen xấu của bệnh nhân, các lực ngẫu nhiên hình thành trong khoang miệng, Tuy nhiên, trong đề tài này chúng tôi chỉ nghiên cứu các ảnh hưởng của vật liệu, các tải khác nhau, cân nặng, tuổi tác và chiều cao đến chu kì mỏi của vít cấy. Các yếu tố khác chúng tôi sẽ tiếp tục nghiên cứu trong thời gian tới. Trong công trình này, để đánh giá độ tin cậy của tính bền mỏi của hệ thống cấy ghép nha khoa, thí nghiệm độ mỏi được thực hiện và so sánh với kết quả thử nghiệm. Sau khi tiến hành tính toán và thử nghiệm, tôi thấy hai kết quả này gần giống nhau. Vì vậy, có thể kết luận: kết quả mô phỏng bằng Ansys dựa trên nền tảng của phương pháp phần tử hữu hạn hoàn toàn có thể tin tưởng được. Trang iv
8. 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
9. MỤC LỤC TRANG CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1. Tình hình nghiên cứu 1 1.1. Nước ngoài 1 1.2. Trong nước 3 2. Hướng nghiên cứu 3 3. Nhiệm vụ đề tài và phạm vi nghiên cứu 4 4. Phương pháp nghiên cứu 5 CHƯƠNG II GIỚI THIỆU CẤY GHÉP NHA KHOA 2.1. Sơ lược sự phát triển của cấy ghép nha khoa 6 2.2. Hiện tượng tích hợp xương 7 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 năng của bộ 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 và 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
10. 3.2.2.5. Bề mặt tự nhiên của vít cấy – xương 29 3.2.2.6. Chất lượng và 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 TOÁN MỎI BẰNG PHẦN MỀM ANSYS 6.1. Mô hình toán học 48 6.2. Tính toán độ mỏi bằng FEA 49 CHƯƠNG VII KẾT LUẬN 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 Trang vii
11. 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 nền 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 và tuổi thọ Trang viii
12. DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Tạo lưới cho phân tích phần tử hữu hạn 4 Hình 2.1. Chuỗi các sự kiện trong suốt quá trình tích hợp xương của vít cấy 7 Hình 2.2. Vùng mất răng trước khi phẫu thuật 17 Hình 2.3. Chụp X – quang để nhận biết được mật độ xương vùng mất răng 17 Hình 2.4. Tiến hành khoan xương ngay vùng mất răng 17 Hình 2.5. Chụp X – quang để kiểm tra vị trí và góc gập của vít cấy nha khoa 18 Hình 2.6. Vít cấy một khối được đặt vào đúng vị trí theo yêu cầu kỹ thuật 18 Hình 2.7. Khâu vết thương vùng đặt vít cấy nha khoa 19 Hình 2.8. Vết thương vùng cấy ghép đã lành sau hai tuần 19 Hình 2.9. Bốn tháng sau, công đoạn cuối cùng là gắn phục hình giả 19 Hình 2.10. Chụp X – quang lần cuối để kiểm tra hệ thống 20 Hình 3.1. Các loại vít cấy thông dụng 27 Hình 3.2. Vít cấy một khối và hai khối 28 Hình 4.1. Sự nghiến răng 33 Hình 4.2. Răng dưới bắt đằu di chuyển 33 Hình 4.3. Răng tiếp tục di chuyển 34 Hình 4.4. Kết thúc quá trình nhai 34 Hình 4.5. Đồ thị biểu diễn cân nặng ảnh hưởng đến lực nhai 35 Hình 4.6. Đồ thị biểu diễn chiều cao ảnh hưởng đến lực nhai 35 Hình 4.7. Đồ thị biểu diễn tuổi tác ảnh hưởng đến lực nhai 36 Hình 5.1. Mô hình hóa hình dạng vít cấy 40 Hình 5.2. Chia lưới vít cấy 44 Hình 5.3. Vít cấy nha khoa được kẹp chặt trên máy điện thủy lực 2200 INSTRON. 46 Hình 5.4. Đường cong mỏi của trục vít hợp kim titanium 46 Hình 5.5. Đường cong mỏi của phục hình SM45C 47 Hình 6.1. Mô hình toán của vít cấy loại U-fit 48 Hình 6.2. Biến dạng của vít cấy 50 Trang ix
13. Hình 6.3. Ứng suất của vít cấy 50 Hình 6.4. Tuổi thọ của vít cấy 51 Hình 6.5. Đồ thị phá hoại 51 Hình 6.6. Hệ số an toàn 52 Hình 6.7. Biểu đồ độ nhạy 52 Hình 6.8. Biến dạng của vít cấy 53 Hình 6.9. Ứng suất của vít cấy 54 Hình 6.10. Tuổi thọ của vít cấy 54 Hình 6.11. Đồ thị phá hoại 55 Hình 6.12. Hệ số an toàn 55 Hình 6.13. Biểu đồ độ nhạy 56 Hình 6.14. Biến dạng của vít cấy 57 Hình 6.15. Ứng suất của vít cấy 57 Hình 6.16. Tuổi thọ của vít cấy 58 Hình 6.17. Đồ thị phá hoại 58 Hình 6.18. Hệ số an toàn 59 Hình 6.19. Biểu đồ độ nhạy 59 Hình 7.1. Đồ thị biểu diễn số liệu tính toán và thử nghiệm 61 Trang x
14. DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Răng cấy ghép, so với răng tự nhiên 13 Bảng 2.2. Phân loại vít cấy theo số lần phẫu thuật, giao diện kết nối, và dạng hình học 15 Bảng 2.3. Tiêu chuẩn lựa chọn vít cấy nha khoa 15 Bảng 2.4. Răng cấy ghép và răng tự nhiên 20 Bảng 5.1. Thông số kĩ thuật của vít cấy nha khoa 40 Bảng 7.1. Thử nghiệm và kết quả 59 Trang xi
15. Chƣơng I TỔNG QUAN Trong nghiên cứu này, chúng tôi sẽ dự đoán độ bền mỏi của vít cấy nha khoa loại U-fit dựa trên nền tảng của phương pháp phần tử hữu hạn. Vít cấy nha khoa được làm bằng titanium nguyên chất hoặc hợp kim titanium vì loại vật liệu này có khả năng tích hợp được với xương hàm của chủ thể, chúng không xảy ra bất kì phản ứng bất lợi nào với chủ thể cũng như không bị đào thải bởi các phản ứng chống lại sự xâm nhập lạ vào cơ thể của chủ thể. Sau khi vít cấy được cấy vào vị trí mất răng, các phản ứng sinh học sẽ xảy ra để tích hợp vít cấy vào xương như chân răng thật được gắn vào xương hàm. Phục hình giả sẽ được gắn trên vít cấy, lúc đó người được cấy răng có thể thực hiện chế độ ăn nhai như lúc chưa mất răng. Để dự đoán độ bền mỏi của vít cấy, chúng tôi sẽ dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn (FEM). FEM là một phương pháp rất tổng quát và hữu hiệu cho lời giải số nhiều lớp bài toán kỹ thuật khác nhau. Từ việc phân tích trạng thái ứng suất, biến dạng trong các kết cấu cơ khí, các chi tiết trong ô tô, máy bay, tàu thuỷ, khung nhà cao tầng, dầm cầu, đến những bài toán của lý thuyết trường như: lý thuyết truyền nhiệt, cơ học chất lỏng, thuỷ đàn hồi, khí đàn hồi, điện – từ trường, Trong nghiên cứu này, với sự hỗ trợ của máy tính và hệ thống CAD, chúng tôi đã dự đoán được độ bền mỏi của vít cấy nha khoa. 1. Tình hình nghiên cứu 1.1. Nƣớc ngoài Đại đa số các nhà máy chuyên thiết kế, tính toán và sản xuất vít cấy nha khoa tập trung ở Mỹ, Hàn Quốc và Irael. Người ta đã không ngừng nghiên cứu và cho ra thị Trang 1
16. trường những sản phẩm vít cấy ngày càng hoàn thiện về mẫu mã và chất lượng để đáp ứng nhu cầu của bệnh nhân. Giữa những năm 1990, một hướng mới của kĩ thuật cấy ghép nha khoa được công bố, phát hiện này được xem là bước đột phá trong việc điều trị cho những bệnh nhân mất toàn bộ răng, đó là kĩ thuật “Implant All on 4”. Kĩ thuật này chỉ cần bốn vít cấy nha khoa được đặt gần vùng răng cửa để nâng đỡ cả một hàm phục hình giả. Phương pháp này hoàn toàn ưu việt hơn các phương pháp điều trị trước đây: chỉ cần bốn vít cấy cho toàn hàm răng. Điều này mang tới rất nhiều lợi ích cho bệnh nhân: giảm được chi phí điều trị, giảm bớt thời gian phẫu thuật, quá trình tích hợp xương giữa vít cấy và xương hàm cũng diễn ra nhanh hơn. Trong suốt thời gian sau đó, công nghệ này không ngừng phát triển, nhưng tỉ lệ thành công của cấy ghép nha khoa còn phụ thuộc rất nhiều vào tay nghề của bác sĩ, do quá trình tương thích sinh học của vít cấy và xương hàm chưa được dự đoán và thử nghiệm với sự hỗ trợ mạnh mẽ của phương pháp phần tử hữu hạn và máy tính. Đầu năm 2000, Công ty Implant Nobel Biocare của Mỹ hợp tác với chuyên gia vít cấy nha khoa nổi tiếng Paulo Malo. Họ bắt đầu sử dụng các nghiên cứu mô phỏng trên máy tính và các nghiên cứu cơ- sinh học để theo dõi các phản ứng cơ - sinh học trên vít cấy nha khoa, thời gian tích hợp xương của bệnh nhân; các thí nghiệm lâm sàng được tiến hành để đưa ra được quy trình điều trị mất răng bằng vít cấy nha khoa một cách hoàn thiện nhất. Dễ thấy rằng các đề tài nghiên cứu về vít cấy nha khoa chủ yếu chỉ là những nghiên cứu về khả năng tương thích sinh học của vật liệu làm vít cấy đối với chủ thể. Bên cạnh đó, cũng có một số nghiên cứu nói về các tác dụng cũng như sự hình thành các lực tác động đến vít cấy nha khoa. Số ít công trình khác giới thiệu tổng quan những thành tựu và sự tiến bộ trong công nghệ nha khoa được thiết kế với sự hỗ trợ máy tính có khả năng phân tích mạnh mẽ do FEM mang lại. Các bài viết này giới thiệu tổng quan về vít cấy nha khoa bao gồm: vật liệu, các thông số kỹ thuật, sự hình thành xương bao vây vít cấy, vít cấy cơ sinh tương tác với xương hàm. Bước đầu nghiên cứu đã đưa ra những giả thiết, các phương pháp nghiên cứu để đi đến Trang 2
17. khả năng có thể dự đoán được ứng suất và độ biến dạng của vít cấy nha khoa trong trường hợp tương tác với các lực tác động trong khoang miệng khi được đặt vào xương hàm của chủ thể. Có thể xem nghiên cứu này là nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo nhằm nâng cao độ an toàn và tính chính xác của hệ thông vít cấy. Bên cạnh đó, vài công trình đã đề xuất một phương pháp phân tích khác là phương pháp đa phần tử hữu hạn để tìm hiểu phản ứng cơ- sinh học của vít cấy nha khoa / hệ thống hàm dưới. Sau khi tìm hiểu các phản ứng cơ- sinh ở mức độ vĩ mô, các vít cấy nha khoa với kích thước và các thông số kỹ thuật phù hợp nhất sẽ được đề xuất. Mô hình hàm dưới bao gồm: phân loại chức năng vật liệu sinh học (biomaterial ) (FGB) trong vít cấy nha khoa; hàm dưới và vít cấy nha khoa; giao diện hàm dưới. Hàm dưới được xây dựng với xương xốp và xương vỏ sẽ bị phân bậc trong tính chất cơ học giữa hai xương này. 1.2. Trong nƣớc Có thể lấy điểm mốc- năm 1995- khi Tổ chức Sức khỏe tình nguyện của Hoa Kỳ (HVO) ký văn bản hợp tác chuyển giao kĩ thuật cấy ghép cho Viện Răng Hàm Mặt Trung ương. Chương trình kéo dài từ 1995 – 2000. Cho đến nay, việc cấy ghép nha khoa tại Việt Nam đã khá phổ biến và mọi người đã có hiểu biết tương đối về giải pháp phục hồi này. Tuy vậy, có một thực tế là các nghiên cứu ở Việt Nam về vít cấy nha khoa rất hạn chế, chỉ thể nói đến những công trình của GS.TS Hoàng Tử Hùng. Tuy nhiên những bài viết này cũng chỉ mang tính chất y học thuần túy- tìm hiểu sâu về tương tác sinh học của vật liệu sinh học với mô xương và chủ thể. 2. Hƣớng nghiên cứu Từ những nền tảng đó, chúng tôi tiến hành nghiên cứu công trình khoa học của mình, hi vọng sẽ có chút đóng góp cho đề tài thiết thực này. Để cải thiện hiệu suất hoặc phát triển một hệ thống cấy ghép mới, các mẫu thiết kế khác nhau được sản xuất, sau đó là khâu thử nghiệm độ mỏi cho mỗi trường hợp của các mẫu thiết kế. Để dự đoán kì hạn mỏi, chúng tôi sẽ sử dụng phương pháp phân tích số - phương pháp thường áp dụng trong việc phát triển một sản phẩm mới Trang 3
18. và tăng cường hiệu suất của nó, cụ thể ở đây lả FEM. Từ một quan điểm sinh học – kĩ thuật, nghiên cứu này nhằm mục đích sử dụng FEM để dự đoán kì hạn mỏi của một hệ thống cấy ghép bị tải trọng mỏi của quá trình nhai (lực nhai). Dùng FEM để mô phỏng và xác định sự phân bố ứng suất trong hệ thống cấy ghép do tải trọng mỏi; trong đó, chương trình ANSYS được sử dụng để có được những kết quả bằng số của trường ứng suất. FEM đàn hồi – dẻo được thực hiện. Các tính chất vật liệu cần thiết cho phân tích ứng suất là module đàn hồi, module dẻo và cường độ đàn hồi. Mô hình phần tử hữu hạn ba chiều được sử dụng để phân tích sự phân bố ứng suất trong ba trường hợp. Lưới phần tử hữu hạn cho các hệ thống cấy ghép được hiển thị hình 1.1. Hình 1.1: Tạo lưới cho phân tích phần tử hữu hạn Với những ưu điểm được nêu trên, sử dụng FEM để dự đoán độ bền mỏi của vít cấy nha khoa sẽ dễ dàng và hiệu quả, tính kinh tế cao hơn các phương pháp trước. Chính vì lẽ đó, đề tài sẽ nghiên cứu, tính toán, mô phỏng quá trình chịu tải và sự phá hủy của hệ thống cấy ghép bằng cách ứng dụng phương pháp này. Từ đó, dự đoán sức bền cũng như tuổi thọ của vít cấy được cấy ghép cho chủ thể. 3. Nhiệm vụ của đề tài và phạm vi nghiên cứu Với mục tiêu nghiên cứu tính toán và mô phỏng quá trình chịu tải của vít cấy, nhằm đi đến ứng dụng phương pháp này trong việc dự đoán tuổi thọ của tất cả các hệ thống vít cấy đã cấy ghép cho bệnh nhân Việt Nam, nên nhiện vụ của đề tài sẽ giải quyết các vấn đề sau: - Tính toán và xác lập công thức quá trình chịu tải của vít cấy nha khoa cho răng cối. Trang 4
19. - Mô phỏng quá trình chịu tải của vít cấy nha khoa cho răng cối - Tính toán độ bền mỏi của vít cấy nha khoa cho răng cối - Thử nghiệm trên mô hình thực tế. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu Để hoàn thành tốt mục tiêu đề ra của đề tài, phương pháp nghiên cứu được đưa ra: - Tính toán quá trình chịu tải của vít và quá trình biến dạng của vít bằng phương pháp phần tử hữu hạn. - Mô phỏng quá trình chịu tải của vít và quá trình biến dạng của vít trên phần mềm Ansys 13. Trang 5
20. Chƣơng II GIỚI THIỆU CẤY GHÉP NHA KHOA 2.1. Sơ lƣợc sự phát triển của cấy ghép nha khoa Vít cấy nha khoa là một trụ bằng titanium được đặt vào xương hàm nhằm thay thế cho một hoặc nhiều chiếc răng bị mất. Sau khi vít cấy được đặt vào vùng mất răng, xương sẽ tự bám vào quanh thân vít giúp nó dính chặt vào xương hàm giống như một răng thật. Vít cấy nha khoa được thiết kế để nâng đỡ cho một răng sứ bên trên, nâng đỡ cho cầu răng hoặc giúp cố định hàm giả toàn hàm vào xương hàm[1]. Theo các nhà khảo cổ học, người Ai cập và người Nam Mỹ cổ xưa đã thay thế những răng thật bị mất bằng ngà voi, vỏ sò hoặc gỗ mài nhỏ. Ngoài ra, y văn thế kỉ XVIII cũng có ghi nhận vài trường hợp ghép răng giữa những người cho tặng. Như vậy có thể nói nền móng của kĩ thuật cấy ghép nha khoa đã hình thành rất lâu và ban đầu có vẻ rất thô sơ, nhưng cũng là ước mơ và là nền tảng ban đầu cho sự tìm tòi, nghiên cứu và phát triển kĩ thuật cấy ghép răng. Đầu thế kỷ XIX, các bác sĩ đã dùng các vật liệu bằng vàng, bạch kim, , để làm vật liệu cho vít cấy nhưng tỉ lệ thành công còn khiêm tốn. Đến năm 1952, GS. Per Ingvar Branemark, trưởng nhóm nghiên cứu Đại học Lund, Thụy Điển đã có công nghiên cứu, lập báo cáo chuyên đề khoa học về đề tài “Vật liệu ghép trong phẫu thuật chỉnh hình” trong báo cáo này vật liệu sử dụng để cấy ghép răng được ông đưa ra là titanium, nó không có bất kì một phản ứng sinh – hóa nào tác động xấu lên cơ thể con người. Các nghiên cứu và báo cáo của ông nhanh chóng được các nhà nghiên cứu vật liệu cấy ghép trên thế giới kiểm chứng và xác nhận titanium là vật liệu tốt nhất để thay thế chiếc răng bị mất. Không những vậy, titanium còn vượt ra khỏi nhiệm vụ làm chân răng cho người bị mất răng, mà ứng dụng của nó còn vượt xa hơn những gì mà bác sĩ Branemark mong muốn lúc đầu. Trang 6
21. Vì vậy, titanium trở thành vật liệu mở đường cho thành công của cấy ghép nha khoa. Ca cấy ghép răng bằng titanium đầu tiên trên thế giới được thực hiện vào năm 1965 tại Thụy Điển, sau hơn 40 năm răng cấy ghép này vẫn có khả năng ăn nhai tốt. 2.2. Hiện tƣợng tích hợp xƣơng Sự tương tác giữa các vật liệu tổng hợp và các mô chủ cần đạt được một bề mặt tiếp xúc sinh học tối ưu giữa vít cấy và các mô xung quanh. Độ bám dính phân tử / tương tác phân bào, đặc biệt là phôi xương, phân tử kết dính cũng như các phân bào, đóng một vai trò quan trọng trong quá trình chữa lành vết thương của cấy ghép nha khoa[3]. Một phản ứng viêm cấp tính xảy ra sau khi khoan xương để chuẩn bị đặt vít cấy bao gồm việc chuẩn bị và kích hoạt một loạt các phản ứng phân bào và các yếu tố tăng trưởng, trung gian các sự kiện ban đầu. Hầu hết các yếu tố này xuất phát từ tiểu cầu, và những người khác thì xuất phát từ PMNs là các bạch cầu trung tính (còn gọi là các tế bào bạch cầu nhân đa hình – polymorphonuclear leukocyte) và đại thực bào. Kết quả là, các tế bào trung mô di chuyển và tổng hợp các lưới collagen, lưới collagen trở thành một giàn đỡ để sửa vết thương. Các yếu tố tại vị trí đặt vít cấy sẽ quyết định chất lượng sản xuất của sự hình thành xương hoặc sự hình thành các xơ hóa[4,5]. Chuỗi các sự kiện xảy ra sau khi đặt vít cấy vào vùng mất răng được thể hiện trong hình 2.1. Khởi đầu Sự hấp thụ của các thành phần Sự gia tăng Tế bào chưa phân hóa Tế bào tạo xương Sự phân hóa Sự điều tiết c ủa các yếu tố PGE2, TGFβ Vôi hóa Hình 2.1: Chu ỗi các sự kiện trong suốt quá trình tích hợp xương của vít cấy Trang 7