Dental imaging. A novel technology to investigate dental occlusion

63 million of people in the world have dental implants, crowns and bridge replacements for missing teeth. The 7% of these replacements solutions fail during the first year, the 25% in 5 year. According to clinical studies the main cause of failure is malposition, which brings to: Prosthesis overloading, which leads to implant break, or unloaded implants, which lead to decreasing osseointegration. There is a common consensus on the fact that the magnitude and position of occlusal forces affect the stress and strain on the prosthesis. Nowadays there are different techniques to measure occlusal distances. These technique are limited to qualitative results, which are affected by the device itself. In fact, these devices are rigid, and interpose a thick substrate between the dental arches. Recent advances in microfabrication technologies provided routes to succeed where the conventional electronics devices could not satisfy all the requirements. Elastic and soft electronics structures find application in a wide range of biomedical applications, where electronic devices work in close interaction with the human body. In this thesis work we propose a medical device based on multiple capacitive and stretchable sensors, able to detect and monitor dental occlusion of a patient under dental implant treatment. Being soft and stretchable as well as conformable to the teeth profile it does not affect the measure. Stretchable electronics sensors have been embedded in two layer of polyurethane to create a matrix of capacitors. Each sensor is composed by two metal coated polyurethane layer, with an intermediate layer of polyurethane foam. When the patient bite the sensors, the teeth compression produces a change in capacitance. Evaluating this change it is possible to detect the load distribution on dental arches. We developed a prototype to assess the measurements quality, successfully testing the device in laboratory condition. Moreover, we performed tests on dental casts to simulate a real occlusion measurement. We achieved promising results, and we could understand the potentiality and the necessaries future step to a real in vivo test.

63 milioni di persone nel mondo hanno un impianto dentale, o un ponte in sostituzione di denti mancanti. Il 7% di questi dispositivi sostitutivi falliscono nel primo anno, il 25% in 5 anni. Secondo studi clinici, la causa principale di fallimento è uno scorretto posizionamento, che può portare ad un sovraccarico dell’impianto, e quindi alla rottura. In alternativa la protesi può risultare scarica e non raggiungere un'adeguata osseointegrazione. E' noto alla comunità scientifica che l'intensità e la posizione delle forze occlusali sono correlate con lo sforzo e la deformazione della protesi. Oggi, esistono dispositivi che sono in grado di misurare le distanze occlusali, ma forniscono risultati qualitativi. Questi dispositivi sono rigidi e necessitano l'interposizione di un substrato spesso tra i denti, che inficia la misura. I recenti sviluppi in termini di microfabbricazione hanno portato alla luce nuovi materiali e tecniche per la produzione di elettronica elastica, che trova applicazione in molti ambiti biomedicali, dove il dispositivo lavora a stretto contatto con il corpo. L'obiettivo di questa tesi è quello di proporre un nuovo dispositivo, caratterizzato da una matrice di sensori capacitivi elastici, capaci di monitorare e misurare l'occlusione del paziente durante il trattamento di impianto dentale. Questo dispositivo è soffice ed elastico, si adatta al profilo dell'arcata dentale e non pregiudica la misura. I sensori elastici sono stampati su 2 strati di poliuretano, a cui è interposto un terzo strato di schiuma di poliuretano. Quando il paziente morde il dispositivo, i denti comprimo i 3 strati di poliuretano e valutando il cambiamento di capacità è possibile determinare il carico distribuito sulle arcate dentali. Abbiamo sviluppato un prototipo per definire le qualità dello strumento, portando a termine una serie di test in laboratorio. Inoltre, abbiamo effettuato alcuni test utilizzando dei calchi in gesso per simulare una condizione reale di occlusione. Abbiamo ottenuto risultati promettenti, che ci hanno permesso di capire le potenzialità, le problematiche e le soluzioni che potranno essere implementate in futuro per effettuare test in vivo.