Rigenerazione ossea in chirurgia orale : soluzioni paziente specifiche basate su tecnologia di stampa 3D e analisi numerica

Cases of severe edentulism are a common problem in clinical settings. For patients with this type of problem, it is necessary to use titanium dental implants. Often, however, due to the prolonged absence of masticatory stresses in the edentulous area, there is not enough bone volume to ensure an adequate hold of the titanium implant. In fact, edentulousness, if extended to large areas, causes considerable bone resorption, making it necessary to opt for a regenerative strategy prior to prosthetic implantation. In these cases, the gold standard consists in the use of a porous grid usually made of titanium, with the function of being implanted at the defect along with a commercial microgranular product that promotes bone regeneration. The product in question is composed of xenogenic bone tissue granules, properly processed in order to avoid adverse immune reactions. Often, such a product is used together with the patient's own plasma and possibly together with a small portion of bone taken by biopsy. The holes in the grid are intended to promote the process of angiogenesis and the migration of osteoprogenitor cells to the defect area. Previously, the grid was a thin sheet of molded titanium, with a thickness ranging from 0.3 to 0.8 millimeters. This was manually folded and adjusted by the surgeon during interventions. Nowadays, it is common practice to make patient-specific 3D-printed devices by additive manufacturing technique, which can guarantee accuracy on the order of a tenth of a millimeter. The device is designed based on the patient's anatomy. Through the process of segmentation from CT images, the three-dimensional model of the patient's bone anatomy is recreated, and on the present defect the device is designed by means of 3D modeling software. In this way, one is able to obtain a device that is as well suited as possible to the morphology, anatomy, and size of the patient's defect. This device is attached by screws, also made of titanium, and then removed after a period of healing and regeneration of bone tissue that lasts about 6-8 months. In recent years, dental and maxillofacial research has been making enormous efforts to find bioresorbable materials to make the grid. This aspect would make it unnecessary to remove the grid with a second surgery, which would be a huge clinical advantage. There have already been numerous cases of patients treated with a device made with this type of material, with more or less positive results. However, it is necessary to properly understand the degradation times of the material so that these can coincide with the timing of bone regeneration of the defect. Another possible regenerative strategy is the use of filler scaffolds made of hydroxyapatite, a bioresorbable and 3D-printable material. These scaffolds are characterized by the presence of a trabecular pattern and are fixed with resorbable screws in a regenerative process that would not require a second device removal surgery. In this work, the design of a titanium grid was made based on the defect anatomy of a patient with edentulism, whose vertical defect is located at the right maxillary premolars. Such a grid was made with a thickness of 0.3 millimeters and a hole diameter of 1 millimeter, based on values in the literature. Models of the maxillary and mandibular portions were made by segmentation performed on the patient's CT images. These were then used in Abaqus to perform a numerical finite element analysis to represent the masticatory process. During mastication, in fact, loads are also transferred to the device. This work is focused on the mechanical analysis of stress transmission on the two devices under study. In particular, the Von Mises stress and the Principal Maximum were analyzed for the titanium grid, while for the scaffold the tensile and compressive principal maximum stresses were analyzed separately. Two different simulations were carried out for both devices: a base case in which masticatory motion is simulated, and a critical case in which a critical/accidental situation was to be reproduced in which a direct load was directly applied to the device. The measured strains are low so that they are completely negligible. From the results obtained for the base case, both devices are found to be substantially unloaded over most of their surface area, with a greater concentration of stresses at the fastener holes, with maximum values being between 30 and 45 MPa. This is consistent with what was initially predicted, especially considering that no direct masticatory load acts on these devices, but the transmission of stresses occurs from the contact between dental regions adjacent to the defect. Regarding the critical case, as anticipated earlier, a masticatory force was applied directly on the device, of the value of 192 N, in order to simulate a load transferred accidentally during chewing by the two premolars in the area of the bone defect. The purpose of these tests is to assess whether the yield stress and/or fracture value would be reached if such an accidental situation occurs. What resulted from this second analysis is that the titanium device exceeded the yield stress value of 1250 MPa in the zone of load application, reaching values of up to 1500 MPa, but without exceeding the threshold of the 15% strain-at-break value. The hydroxyapatite scaffold, on the other hand, not operating in the plastic field, would encounter failure as the critical stress at failure value, which for this material is around 100 MPa, is exceeded at some points. In light of the results obtained and the work done to date, it is certainly possible to say that possible future developments could focus on the evaluation of stresses around device holes through the use of finite element submodels. It will also be possible to evaluate the stress state using a realistic model for the fastener screw, to check for any differences with a simulation such as the one carried out in this work in which the constraint was simulated using a connector system directly implementable in Abaqus. Finally, degradation rates and times of degradation of resorbable materials could be studied using time-dependent simulations in order to understand and evaluate the mechanical characteristics of the device as the postoperative period passes.

I casi di edentulia grave rappresentano un problema comune in ambito clinico. Per i pazienti affetti da questo tipo di problema risulta necessario ricorrere all’impianto di protesi dentali in titanio. Spesso però, a causa dell’assenza prolungata di sollecitazioni masticatorie nella zona edentula, non vi è la presenza di volume osseo sufficiente a garantire una tenuta adeguata dell’impianto in titanio. L’edentulia, infatti, se estesa a zone ampie, causa riassorbimento osseo in maniera considerevole, rendendo necessario optare per una strategia rigenerativa antecedente l’impianto protesico. In questi casi, il gold standard risiede nell’utilizzo di una griglia porosa solitamente realizzata in titanio, con il compito di essere impiantata in corrispondenza del difetto assieme ad un prodotto commerciale microgranuloso che favorisce la rigenerazione ossea. Il prodotto in questione è composto da granuli di tessuto osseo di origine xenogenica, adeguatamente trattato al fine di evitare reazioni immunitarie avverse. Spesso, tale prodotto viene utilizzato assieme a plasma del paziente e, eventualmente, assieme ad una piccola porzione ossea prelevata tramite biopsia. I fori presenti sulla griglia hanno il compito di favorire il processo di angiogenesi e la migrazione di cellule osteoprogenitrici nella zona del difetto. In precedenza, la griglia era un sottile foglietto in titanio stampato, con uno spessore che va dai 0.3 ai 0.8 millimetri. Questa veniva manualmente piegata e adattata dal chirurgo in sede d’intervento. Al giorno d’oggi, è pratica comune realizzare dispositivi paziente-specifici stampati in 3D tramite tecnica selective laser melting, in grado di garantire un’accuratezza dell’ordine del decimo di millimetro. Il dispositivo viene progettato sulla base dall’anatomia del paziente. Tramite il processo di segmentazione a partire da immagini TAC, viene ricreato il modello tridimensionale dell’anatomia ossea del paziente, e sul difetto presente viene progettato il dispositivo per mezzo di software di modellazione 3D. In questo modo si è in grado di ottenere un dispositivo il più adatto possibile alla morfologia, all’anatomia e alle dimensioni del difetto del paziente. Tale dispositivo viene fissato tramite viti, anch’esse in titanio, per poi venir rimosso dopo un periodo di guarigione e rigenerazione del tessuto osseo che dura circa 6-8 mesi. Negli ultimi anni la ricerca in ambito dentale e maxillofacciale sta effettuando enormi sforzi per trovare materiali bioriassorbibili per realizzare la griglia. Questo aspetto renderebbe non necessario rimuovere la griglia con un secondo intervento chirurgico, il che rappresenterebbe un enorme vantaggio a livello clinico. Ci sono già stati numerosi casi di pazienti in cui è stato impiantato un dispositivo realizzato con questo tipo di materiali, con risultati più o meno positivi. Risulta tuttavia necessario comprendere in maniera adeguata i tempi di degradazione del materiale per far sì che questi coincidano con le tempistiche di rigenerazione ossea del difetto. Un’altra possibile strategia rigenerativa consiste nell’utilizzo di scaffold riempitivi realizzati in idrossiapatite, un materiale bioriassorbibile e stampabile in 3D. Questi scaffold sono caratterizzati dalla presenza di un pattern trabecolare e vengono fissati con viti riassorbibili in un processo rigenerativo che non richiederebbe un secondo intervento di rimozione del dispositivo. In questo lavoro è stato realizzato il design di una griglia in titanio sulla base dell’anatomia del difetto di un paziente affetto da edentulia, il cui difetto verticale è situato in corrispondenza dei premolari mascellari di destra. Tale griglia è stata realizzata con uno spessore pari a 0.3 millimetri e con un diametro dei fori di 1 millimetro, sulla base dei valori presenti in letteratura. Sono stati realizzati i modelli delle porzioni mascellari e mandibolari tramite segmentazione eseguita sulle immagini TAC del paziente. Questi sono stati poi utilizzati in Abaqus per svolgere un’analisi numerica agli elementi finiti in grado di rappresentare il processo masticatorio. Durante la masticazione, infatti, vengono trasferiti dei carichi anche sul dispositivo. Questo lavoro è focalizzato sull’analisi meccanica della trasmissione dello stato di sforzo sui due dispositivi oggetto di studio. In particolare, è stato analizzato lo sforzo di Von Mises e il Massimo Principale per quanto riguarda la griglia in titanio, mentre per lo scaffold sono stati analizzati separatamente gli sforzi massimi principali a trazione a compressione. Sono state svolte due diverse simulazioni per entrambi i dispositivi: un caso base in cui si simula il movimento masticatorio, e un caso critico in cui si vuole riprodurre una situazione critica/accidentale in cui un carico diretto è stato direttamente applicato sul dispositivo. Le deformazioni misurate sono basse a tal punto da risultare del tutto trascurabili. Dai risultati ottenuti per il caso base, entrambi i dispositivi risultano sostanzialmente scarichi in gran parte della loro superficie, con una maggiore concentrazione degli sforzi in corrispondenza dei fori di fissaggio, con valori massimi che si attestano tra i 30 e i 45 MPa. Ciò è coerente con quanto inizialmente previsto, soprattutto considerando che su tali dispositivi non agisce un carico masticatorio diretto, ma la trasmissione degli sforzi avviene a partire dal contatto tra regioni dentali adiacenti al difetto. Per quanto riguarda il caso critico, come anticipato in precedenza, è stata applicata una forza masticatoria direttamente sul dispositivo, del valori di 192 N, a voler simulare un carico trasferitosi accidentalmente durante la masticazione ad opera dei due premolari della zona del difetto osseo. Queste prove hanno l’obiettivo di valutare l’eventuale raggiungimento del valore di sforzo di snervamento e/o di rottura qualora dovesse verificarsi una situazione accidentale di questo tipo. Ciò che è risultato da questa seconda analisi è che il dispositivo in titanio ha superato il valore di snervamento di 1250 MPa nella zona di applicazione del carico, arrivando fino a valori di 1500 MPa, ma senza superare la soglia del valore di deformazione a rottura del 15%. Lo scaffold in idrossiapatite invece, non operando in campo plastico, andrebbe incontro a rottura in quanto in alcuni punti si supera il valore di sforzo critico a rottura che per questo materiale si attesta attorno ai 100 MPa. Alla luce dei risultati ottenuti e del lavoro svolto fino ad oggi, è possibile senz’altro affermare che eventuali sviluppi futuri potrebbero essere incentrati sulla valutazione di sforzi nell’intorno dei fori dei dispositivi tramite l’uso di sottomodelli agli elementi finiti. Si potrà inoltre valutare lo stato di sforzo utilizzando un modello realistico per la vite di fissaggio, per verificare eventuali differenze con una simulazione come quella svolta in questo lavoro in cui il vincolo è stato simulato tramite un sistema di connettori direttamente implementabile in Abaqus. Infine, si potranno studiare velocità e tempi di degradazione dei materiali riassorbibili tramite simulazioni tempo-dipendenti, al fine di comprendere e valutare le caratteristiche meccaniche del dispositivo con il trascorrere del periodo post-operatorio.