Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để dự đoán độ bền mỏi của vít cấy nha khoa

Nội dung text: Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để dự đoán độ bền mỏi của vít cấy nha khoa

1. Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để dự đoán độ bền mỏi của vít cấy nha khoa Using the Finite Element Method to predict the strength of the dental implant 1,aLê Văn An, 2,bNguyễn Trường Thịnh 1Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM 2Bộ môn Cơ điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM alevanandhdt@gmail.com, bthinhnt@hcmute.edu.vn Tóm tắt strengths of three implant systems are Phương pháp phần tử hữu hạn và thí nghiệm độ estimated: U-fit is attached to the mandibular mỏi sẽ được thực hiện để dự đoán tính bền mỏi molars. The stress fields in implants are cho cấy ghép nha khoa. Độ tin cậy và sự ổn calculated by elastic-plastic finite element định của hệ thống cấy ghép có thể được xác analysis, and the equivalent fatigue stress, định trong điều kiện của cường độ mỏi. Hiện considering the contact and preload stretching nay cấy ghép còn rất tốn kém và nó gần như là of a screw by torque for tightening an không thể chỉnh sửa sau khi được lắp vào. Từ abutment, is obtained. Fatigue life, which is quan điểm sinh học – kĩ thuật, độ bền mỏi của affected by the contact in the screwed interface hệ thống cấy ghép nha khoa phải được đánh giá and pretension in the screw, is then determined. bởi mô phỏng (FEA). Trong nghiên cứu này, To evaluate the reliability of the calculated tính bền mỏi của hệ thống cấy ghép được dự fatigue strength, fatigue test is performed. The đoán là U-fit. Trường ứng suất trong vít cấy calculated and experimental results showed được tính bằng phương pháp phần tử hữu hạn good agreement. đàn hồi – dẻo, và ứng suất mỏi tương đương, từ đó suy ra được chu kì mỏi tương ứng với ứng Giới thiệu suất mỏi tương đương, xem xét việc liên hệ và Cấy ghép nha khoa là phẫu thuật tái tạo thông sự kéo dài tải trọng đặt trước của vít bằng thường dùng để thay thế một chiếc răng đơn lẻ moment xoắn để đạt được bệ đệm khít. Chu kì hoặc một loạt các răng ở cả hàm trên và hàm mỏi, thông số bị ảnh hưởng bởi các tiếp xúc dưới (Branemark, 1983). Thay thế răng bằng bên trong mặt phân cách của vít cấy và sức vít cấy nha khoa cung cấp thế mạnh như lực căng trong vít cấy, thì được xác định sau đó. Để nhai được cải thiện cũng như bảo vệ răng tự đánh giá độ tin cậy của mô phỏng dựa trên nhiên và lổ chân răng . Do đó, nhu cầu thị phương pháp phần tử hữu hạn, thí nghiệm độ trường cho cấy ghép răng đang phát triển rất mỏi được thực hiện. Các kết quả tính toán và nhanh. Để cấy ghép nha khoa thành công, quá thử nghiệm cho thấy kết quả gần như nhau. trình tương thích sinh học của vật thể với chủ thể là điều quan trong nhất. Nhiều nhà nghiên Abstract: cứu đã điều tra các tương thích sinh học của Finite element analysis and fatigue test are răng cấy ghép dựa trên thử nghiệm lâm sàng và performed to estimate the fatigue strength for xét nghiệm độc hại, và dựa trên kết quả của the implant system. The reliability and the những nghiên cứu này, titanium được sử dụng stability of implant system can be defined in để sản xuất vít cấy (Adell và cộng sự năm terms of the fatigue strength. Not only is an 1981). Những vít cấy titanium đã thành công implant is expensive, but it is almost trong điều trị nha khoa. Tuy nhiên, ngay cả với impossible to correct after it is inserted. From a tất cả các lợi thế tiềm năng của cấy ghép, các bio-engineering standpoint, the fatigue strength bác sĩ nha khoa vẫn còn do dự trong việc sử of the dental implant system must be evaluated dụng công nghệ này. Để giải quyết được các by simulation (FEA). In this paper, the fatigue vấn đề trong việc thực hiện cấy ghép là phải
2. tuân theo các chức năng sinh học biểu thị đặc thử nghiệm để xác nhận tính chính xác, hợp lệ trưng cơ học và vật lý của nó. Vít cấy phải chịu của các phương pháp được đề xuất. tải trọng động khác nhau, từ biến động theo chu kỳ đến tải hoàn toàn ngẫu nhiên xảy ra trong Phương pháp luận miệng. Vì vít cấy thì trực tiếp kết nối với 1.1. Vít cấy xương, nó chuyển tải từ chân giả tới xương Các thành phần chính của một hệ thống cấy hàm. Hơn nữa, nó không hấp thụ ứng suất như ghép nha khoa là vít cấy, abutment được làm từ răng tự nhiên với dây chằng quanh răng. Khi tải titanium nguyên chất và các hợp kim titan (Ti- ngang phản hồi trên vít cấy , tâm xoay đã nằm 6Al-4V), tương ứng vì chúng không độc hại. ngoài lổ chân răng , không giống như của răng Các tính chất cơ học của các mẫu thử nghiệm tự nhiên. Ngoài ra, việc đặt tải đơn giản nhất được trình bày trong bảng 1. Quá trình phẫu lên một vít cấy nha khoa có thể được mô tả như thuật để lắp vít cấy được tiến hành như sau: là chu kỳ lặp đi lặp lại của các cường độ khác trước khi chèn vít cấy nha khoa, các bác sĩ nha nhau phát sinh từ sự kết hợp giữa lực nén, lực khoa tiến hành khoan lỗ ở vùng bị mất răng, uốn và lực xoắn được đặt lên vít cấy. Những sau đó sẽ tiến hành đặt vít cấy vào, liên tiếp sau cấu nạp này được đưa vào khoang miệng trong đó sẽ diễn ra các quá trình sinh học xảy ra ngay suốt quá trình nhai cuối cùng có thể dẫn đến sự trên bề mặt của vít cấy, cuối cùng vít cấy nha đứt gãy do mỏi của một cấy ghép nha khoa khoa sẽ được chủ thể chấp nhận, hiện tượng (Brunski, 1984; Ritcher, 1995). Do đó, sự đứt này gọi là hiện tượng tích hợp xương. Như vậy, gãy do mỏi xảy ra từ các tải trọng có chu kỳ và kết quả cuối cùng đạt được là vít cấy nha khoa cơ chế tải trong miệng. Tính bền mỏi của vít và xương hàm coi như đã trở thành một khối cấy bị giảm đáng kể vì các trường hợp trên. Do thống nhất, nó có thể thực hiện những chức đó, độ tin cậy và tính ổn định của một hệ thống năng như là chân răng thật của chủ thể khi chưa cấy ghép có thể được quy định tại các quy định mất răng. của cường độ chịu mỏi phải được đánh giá. Để một hệ thống vít cấy mới phát triển và đưa vào sử dụng nhất thiết phải thí nghiệm độ mỏi, đó là một khó khăn, phức tạp, và tốn thời gian. Để cải thiện hiệu suất hoặc phát triển một hệ thống cấy ghép mới, các mẫu thiết kế khác nhau phải được sản xuất, và phải thực hiện thử nghiệm độ mỏi cho mỗi trường hợp của các mẫu thiết kế. Dự đoán kì hạn mỏi bằng hương pháp phân tích số sẽ được sử dụng để phát triển một hệ thống vít cấy mới và tăng cường hiệu suất của nó. 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). Trong bài báo này, tính bền mỏi của hệ thống cấy ghép được dự đoán: U-fit được gắn ở vị trí của răng cối hàm dưới. Các trường ứng suất trong Hình 1: Mô hình hóa hình dạng vít cấy. vít cấy được tính bằng cách FEM đàn hồi – dẻo, và ứng suất mỏi tương đương, xem xét việc liên hệ và sự kéo dài tải trọng đặt trước của trục vít bằng moment xoắn để đạt được bệ đệm khít. Kì hạn mỏi được xác định sau đó. Các phần tử hữu hạn phân tích chương trình ANSYS được sử dụng để phân tích ứng suất và kết quả tính toán được so sánh với các dữ liệu
3. ứng suất. Lưới phần tử hữu hạn cho các hệ thống cấy ghép được hiển thị ở hình 2. BẢNG 1: THÔNG SỐ VẬT LIỆU Các lực phổ biến nhất trong khoang miệng là Tính chất vật liệu lực nén và lực nhai. Lực bên cũng có thể được Giới tạo ra bởi lực nhai bình thường. Một lực bên sẽ Độ Modul hạn gây ra một môment uốn trong hệ thống cấy Hệ số bền Vật liệu đàn hồi đàn ghép. Điều này sẽ tạo ra một lực xoắn về các Poiss kéo (kg /mm hồi trục trung tâm. Đồng thời, vít cấy chịu một tải f on (kg / 2) (kg /m f trước do mô-men xoắn sinh ra từ liên kết cố f mm2) m2) đinh với vít. Các trục tải trước có thể được xác Abutment định bằng cách sử dụng giá trị mô-men xoắn. 11.7 (Ti-6Al- 0.35 111.0 120.5 Sau khi liên kết vít cấy với abutment thành x103 4V) công, phục hình giả có thể gắn ngay trên abutment. Do đó, các lực căng do sự gắn kết cơ Vít cấy 11.7 khí được coi là sự phân tích ứng suất, như trong (Ti-6Al- 0.35 111.0 120.5 x103 hình 3. Lực căng của vít cấy được thể hiện như 4V) sau: Phục hình 20.0 3 0.35 58.6 66.5 2T (1) (SM45C) x10 Q d tan( ) e Trong đó l  tan 1 ( ) de 1  tan ( )   cos  Với λ là góc nghiêng của ren hoặc góc dẫn, ρ’ là góc ma sát của bề mặt vít, P là bước của vít, l là chiều dài của vít và de là đường kính của vòng chia của ren. T là moment tác dụng lên vít trong chiều ngược lại và sự biến dạng đàn hồi càng nhiều càng tốt sau đó là sự xiết chặt vít bởi moment không đổi. Có thể lấy giá trị của moment xoắn là 29,75, hệ số ma sát là 0,3 trong quá trình phân tích ứng suất. Trong bài báo này, để phản ánh tác dụng của những lực này Hình 2: Chia lưới vít cấy. trên hệ thống cấy ghép, tiêu chuẩn ISO 14801 1.2. Phương pháp phần tử hữu hạn (thử nghiệm mỏi cấy ghép nha khoa) được sử Mô phỏng phần tử hữu hạn được sử dụng để dụng như là các điều kiện biên. Điều kiện biên xác định sự phân bố ứng suất trong hệ thống phân tích ứng suất được thể hiện trong hình 3. cấy ghép do tải trọng mỏi. Chương trình Quá trình phân tích được tiến hành như sau như ANSYS được sử dụng để có được những kết sau: phân tích phần tử hữu hạn bao gồm các quả bằng số của trường ứng suất. Phương pháp bước sau: (1) tạo ra các mô hình hình học (lưới phần tử hữu hạn đàn hồi-dẻo được thực hiện. phần tử), (2) các thuộc tính vật liệu, (3) đặt tải, Các tính chất vật liệu cần thiết cho phân tích (4) tính toán các ứng suất chính (ứng suất ứng suất là môđun đàn hồi, môđun dẻo và chính), (5) hiển thị các kết quả, và (6) tính toán cường độ đàn hồi. Mô hình phần tử hữu hạn ba của các ứng suất mỏi tương đương. chiều được sử dụng để phân tích sự phân bố
4. 1.3. Độ bền mỏi F A 30 D ° Tension force C 8 3 11 E B Hình 4: Đường cong mỏi của trục vít cấy Hình 3: Điều kiện biên. Quan hệ SN của hợp kim titanium được sử dụng để chế tạo trục vít và của SM45C được sử dụng để chế tạo phục hình được thể hiện trong hình 4 và hình 5(Anonymous, 1996). Đường cong SN này được tạo ra từ dữ liệu thử nghiệm tại một tỷ số ứng suất. Khi tải mỏi được áp dụng tới vít cấy, tổng hợp sự phân bố ứng suất đa trục, bao gồm những hư hỏng bị ảnh hưởng của các tiếp xúc giao diện ren và sức căng tại vít, có thể được xác định qua mô phỏng số. Để có được Hình 5: Đường cong mỏi của phục hình những ứng suất tương đương với một trục tương SM45C ứng với các trạng thái ứng suất nhiều trục, phương pháp Sine được sử dụng (Fuchs, 1980;. Cho và cộng sự Yang , 2004). Phương trình cho Thử nghiệm mỏi ứng suất trục tương đương như sau: Lực đặt vào vít cấy là 400N các giá trị cần [(  )2 (   ) 2 (   ) 2 ] 1 2 được thể hiện trong trường hợp này là biến 1 2 2 3 3 1 (2) S dạng, ứng suất tương đương, tuổi thọ, hệ số m(   ) 2 N m1 m 2 m 3 K an toàn, đồ thị phá hoại và biểu đồ độ nhạy của vít cấy nha khoa được thể hiện từ hình Trong đó σ , σ và σ là những thành phần luân 1 2 3 6 đến hình 11. phiên của ứng suất chính, và σm1, σm2 và σm3 là những thành phần trung bình các ứng suất chính. m là hệ số ảnh hưởng của ứng suất trung bình (= 0,2), K là hệ số khe mỏi (= 1.0) và SN là ứng suất mỏi đơn trục đảo ngược. Thay thế các giá trị luân phiên và ứng suất trung bình thu được bằng cách phân tích phần tử hữu hạn, thành công thức (5), ứng suất mỏi đơn trục SN tương đương có thể thu được. Cuộc sống mỏi được xác định bởi các đường cong S-N ở hình 4 bằng cách sử dụng SN tính ứng suất mỏi tương đương một trục. Hình 6: Biến dạng của vít cấy
5. Hình 7: Ứng suất của vít cấy Hình 10: Hệ số an toàn Hình 8: Tuổi thọ của vít cấy Hình 11: Biểu đồ độ nhạy Biểu đồ độ nhạy cho biết tuổi thọ của vùng nguy hiểm (vùng gần phục hình và vùng giữa vít) cũng là tuổi thọ của vít cấy khi tải trong thay đổi từ 50% - 150% (200N – 600N). Ở đây, ta thấy khi tải trọng ở mức 50% thì vít cấy có tuổi thọ là 1.44e+5 chu kì ứng suất tương đương, khi tải trọng tăng đến 150 % thì tuổi thọ của vít cấy nha khoa là 3.32e+3. Hình 9: Đồ thị phá hoại
6. KẾT LUẬN Bảng 2 Thử nghiệm và kết quả Vít cấy Tải Chu kì mỏi References (kgf) [1] Adell, R., Lekholm, U., Branemark, P. I., 1981, A (U-fit) 15 year study of osseointegrated edentulous jaw, Journal of Oral and Maxillofacial, 387 4 [2] Anonymous, 1996, The society of materials science, Mô phỏng 40 4.1626e 1996, Databook on fatigue strength of metallic materials 2, 1750 [3] Branemark PI, 1983, Occeoitegration and its Thử 40 4.85e4 experimental background. Journal of Prosthetic nghiệm Dentistry 50, 399-410 [4] Brunski J. E, Hipp J, E, 1984, In the forces on endosteal implant: A measurement system and biomechanical consideration, Journal of Prosthetic Dentistry 51, 82 [5] Cho, S. K., Yang, Y. S., Son, K. J., Kim, J. Y., 2004, Phân tích ứng suất của hệ thống cấy ghép Fatigue strength in laser welding of the lap joint. Finite Elements in Analysis and Design 40, 1059- loại U-fit được xác định bằng phương pháp 1070 phần tử hữu hạn với sự hổ trợ của máy tính. [6] Ritcher, E. J., Prive-Doz, 1995, In vivo, vertical Kết quả, chu kì mỏi, bao gồm ứng suất trước do forces on implants, International Journal of Oral Maxillofacial Implants 10, 99-108 sự siết chặt của vít và sự tiếp xúc giữa mặt phân [7] Fuchs, H. O., Stephens, R. I., 1980. Metal fatigue in cách của vít và abutment được ước lượng từ engineering, John Wiley & Sons, New York, pp. ứng suất tương đương một trục, nó được xác 176-180 [8] Matthew, J. D., 2000, Titanium a Technical Guide, định bằng phương pháp Sine. Trong nghiên cứu ASM International, pp.105. này, so sánh giữa tính toán độ bền mỏi với dữ liệu thí nghiệm thì được trình bày rất cân bằng và chính xác. Với kết quả trên đường cong S-N của các hệ thống vít cấy nha khoa khác nhau hoàn toàn có thể dự đoán được. Sau khi tiến hành thử nghiệm mỏi theo tiêu chuẩn ISO 14801 và mô phỏng bằng phần mềm Ansys, kết quả của hai phép thử này gần giống nhau, sự chênh lệch không đáng kể điều này được thể hiện trong hình . Như vậy, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để dự đoán chu kì mỏi của vít cấy nha khoa có thể hoàn toàn tin tưởng được, phương pháp này ít tốn kém chi phí và thời gian cho người thực hiện. Hình 12: Thử nghiệm và tính toán độ bền mỏi của vít cấy
7. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.